锁相的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环，简称PLL。

它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域。

锁相环主要由相位比较器（PC）、压控振荡器（VCO）。

低通滤波器三部分组成，如图1所示。

图1压控振荡器的输出Uo接至相位比较器的一个输入端，其输出频率的高低由低通滤波器上建立起来的平均电压Ud大小决定。

施加于相位比较器另一个输入端的外部输入信号Ui与来自压控振荡器的输出信号Uo相比较，比较结果产生的误差输出电压UΨ正比于Ui和Uo两个信号的相位差，经过低通滤波器滤除高频分量后，得到一个平均值电压Ud。

这个平均值电压Ud朝着减小VCO输出频率和输入频率之差的方向变化，直至VCO输出频率和输入信号频率获得一致。

这时两个信号的频率相同，两相位差保持恒定（即同步）称作相位锁定。

图2当锁相环入锁时，它还具有“捕捉”信号的能力，VCO可在某一范围内自动跟踪输入信号的变化，如果输入信号频率在锁相环的捕捉范围内发生变化，锁相环能捕捉到输人信号频率，并强迫VCO锁定在这个频率上。

锁相环应用非常灵活，如果输入信号频率f1不等于VCO输出信号频率f2，而要求两者保持一定的关系，例如比例关系或差值关系，则可以在外部加入一个运算器，以满足不同工作的需要。

过去的锁相环多采用分立元件和模拟电路构成，现在常使用集成电路的锁相环， CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为 3V －18V），输入阻抗高(约100MΩ)，动态功耗小，在中心频率f0为10kHz下功耗仅为600μW，属微功耗器件。

图2是CD4046的引脚排列，采用 16 脚双列直插式，各引脚功能如下：1 脚相位输出端，环路人锁时为高电平，环路失锁时为低电平。

2脚相位比较器Ⅰ的输出端。

3脚比较信号输入端。

4脚压控振荡器输出端。

5脚禁止端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作。

6、7脚外接振荡电容。

8、16脚电源的负端和正端。

9脚压控振荡器的控制端。

10脚解调输出端，用于FM解调。

11、12脚外接振荡电阻。

13脚相位比较器Ⅱ的输出端。

14脚信号输入端。

15脚内部独立的齐纳稳压管负极。

图3图3 是CD4046内部电原理框图，主要由相位比较Ⅰ、Ⅱ、压控振荡器（VCO）、线性放大器、源跟随器、整形电路等部分构成。

比较器Ⅰ采用异或门结构，当两个输人端信号Ui、Uo的电平状态相异时（即一个高电平，一个为低电平），输出端信号UΨ为高电平；反之，Ui、Uo电平状态相同时（即两个均为高，或均为低电平），UΨ输出为低电平。

当Ui、Uo的相位差Δφ在0°- 180°范围内变化时，UΨ的脉冲宽度m亦随之改变，即占空比亦在改变。

从比较器Ⅰ的输入和输出信号的波形（如图4所示）可知，其输出信号的频率等于输入信号频率的两倍，并且与两个输入信号之间的中心频率保持90°相移。

从图中还可知，fout 不一定是对称波形。

对相位比较器Ⅰ，它要求Ui、Uo的占空比均为50％（即方波），这样才能使锁定范围为最大。

图4相位比较器Ⅱ是一个由信号的上升沿控制的数字存储网络。

它对输入信号占空比的要求不高，允许输入非对称波形，它具有很宽的捕捉频率范围，而且不会锁定在输入信号的谐波。

它提供数字误差信号和锁定信号（相位脉冲）两种输出，当达到锁定时，在相位比较器Ⅱ的两个输人信号之间保持0°相移。

对相位比较器Ⅱ而言，当14脚的输入信号比3脚的比较信号频率低时，输出为逻辑“0”；反之则输出逻辑“1”。

如果两信号的频率相同而相位不同，当输人信号的相位滞后于比较信号时，相位比较器Ⅱ输出的为正脉冲，当相位超前时则输出为负脉冲。

在这两种情况下，从1脚都有与上述正、负脉冲宽度相同的负脉冲产生。

从相位比较器Ⅱ输出的正、负脉冲的宽度均等于两个输入脉冲上升沿之间的相位差。

而当两个输入脉冲的频率和相位均相同时，相位比较器Ⅱ的输出为高阻态，则1脚输出高电平。

上述波形如图5所示。

由此可见，从1脚输出信号是负脉冲还是固定高电平就可以判断两个输入信号的情况了。

图5CD4046 锁相环采用的是RC型压控振荡器，必须外接电容C1和电阻R1作为充放电元件。

当PLL对跟踪的输入信号的频率宽度有要求时还需要外接电阻R2。

由于 VCO是一个电流控制振荡器，对定时电容C1的充电电流与从9脚输入的控制电压成正比，使VCO的振荡频率亦正比于该控制电压。

当VCO控制电压为0时，其输出频率最低；当输入控制电压等于电源电压VDD时，输出频率则线性地增大到最高输出频率。

VCO振荡频率的范围由R1、R2和C1决定。

由于它的充电和放电都由同一个电容C1完成，故它的输出波形是对称方波。

一般规定 CD4046的最高频率为1。

2MHz(VDD=15V），若VDD<15V，则fmax要降低一些。

CD4046 内部还有线性放大器和整形电路，可将14脚输入的100mV左右的微弱输入信号变成方波或脉冲信号送至两相位比较器。

源跟踪器是增益为1的放大器，VCO 的输出电压经源跟踪器至10脚作FM解调用。

齐纳二极管可单独使用，其稳压值为5V，若与TTL电路匹配时，可用作辅助电源。

综上所述，CD4046工作原理如下：输入信号 Ui从14脚输入后，经放大器A1进行放大、整形后加到相位比较器Ⅰ、Ⅱ的输入端，图3开关K拨至2脚，则比较器Ⅰ将从3脚输入的比较信号Uo与输入信号 Ui作相位比较，从相位比较器输出的误差电压UΨ则反映出两者的相位差。

UΨ经R3、R4及C2滤波后得到一控制电压Ud加至压控振荡器VCO的输入端9 脚，调整VCO的振荡频率f2，使f2迅速逼近信号频率f1。

VCO的输出又经除法器再进入相位比较器Ⅰ，继续与Ui进行相位比较，最后使得f2＝f1，两者的相位差为一定值，实现了相位锁定。

若开关K拨至13脚，则相位比较器Ⅱ工作，过程与上述相同，不再赘述。

1 引言锁相环(pll)是一种能跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统。

它在无线电技术的各个领域都得到了广泛的应用。

集成环路部件以其低成本、性能优良、使用简便而得到了青睐。

它在频率调制与解调、频率合成、电视机彩色副波提取、fm 立体声解码、遥控系统、频率的编码和译码等诸多方面均得到了利用。

本文介绍了集成锁相环cd4046在频率的调制与解调方面的应用。

2 集成锁相环cd4046介绍2.1 cd4046结构及性能特点它的内部结构框图如图1所示。

它是低功耗cmos型、多功能数字环。

主要参数如下:(1)工作电压3v-18v;(2)静态工作电流(15端开路)10ua;(3)最高工作频率为1.2mhz;(4)稳压管稳定电压4. 45v-6.15v。

它含有两个相位比较器pc?与pcii。

pc?要求输入信号为方波，pci i则无此要求，有一个压控(频率)振荡器vco。

在两个相位比较器的输入端有一个前置放大器，可把100mv的微弱信号变为满电平的方波脉冲。

a2是低滤波器输出缓冲放大器。

cd4046采用16线双列直插式封装，各管脚功能如附表所示:图1 cd4046内部结构框图2.2 cd4046构成频率调制与解调电路的工作原理当从9脚输入音频信号时，从4端可输出受输入信号调制的调频信号。

电路如图2所示，由于调频时要求vco有一定的频率范围(频偏)，所以不用r2收缩频带，即r2为无穷大(12脚空置)仅用r1和c1确定vco的中心频率f0即可。

设计参数时，只需由f0查图4(电源电压vdd为9v时的曲线，横坐标为c1取值)求出c 1与r1即可。

图2 cd4046构成的频率调制电路当从14脚输入一被音频信号调制的(中心频率与cd4046的vco的中心频率相同)调频信号，则相位比较器输出端将输出一个与音频信号具有相同变化频率的包络信号，经低通滤波器滤去载波后，即剩下调频信号解调后的音频信号了。

一般使用pci，这时仅由r1和c1确定vco的中心频率f0，而不用r2来收缩频率范围(其为无穷大)。

同样，由图4查图求r1与c1。

无调频信号输入时，vco工作在f0上。

解调电路如图3所示。

附表 cd4046管脚功能表3 实际电路介绍下面介绍的是频率调制红外线通话器，分为发射与接收电路两部分。

如图5与图6所示，图3 cd4046构成的频率解调电路图4 cd4046在不同外部元件参数下的特性曲线图5 发射电路发射器由话筒mic发出的微弱信号，经5g28构成的反相放大器放大后，(运放为单电源供电，r1与r2将运放的同相输入端偏置在1/2电源电压，从而使其输出端也为1/2电源电压，放大器有较大的动态范围)经c3耦合到cd4046内部压控振荡器的控制脚9端，其压控振荡器的输出端4脚输出受9脚音频信号调制的调制信号。

cd4046的中心频率由r4和c4确定，约为100khz。

r4、c4的参数在设计时由选中的f0和图4查表得到。

无音频信号时，锁相环工作中心频率f0上。

使得cmos锁相环具有频率调制线性好，调制指数大，功耗低等优点。

调频信号经vt驱动发光二极管vd1-vd4向外辐射红外线脉冲。

接收电路中，vt为光敏三极管，它直接接在运放的反相输入端，由运放放大后经c1耦合到cd4046的相位比较器的输入端14脚。

解调电路的中心频率与发射器的中心频率是一致的，也为100khz(c3、r4与发射器的c4、r4相同)。

cd4046的10脚为压控振荡器的控制端，即解调信号输出端，2脚为相位比较器的输出端，比较器信号经r5和c4构成低通滤波器后再接9脚。

9脚的解调信号经cd4046内部运放构成的跟随器缓冲后由10脚输出。

cd4046的4脚为压控振荡器的输出端，3脚为相位比较器的比较输入端，它们连在一起。

cd4046输出的解调音频信号经c4耦合到vt2，由vt2驱动扬声器发声。

发射器中，mic用动圈话筒，vt用cs9013，vd1-vd4用hir405b红外线发光二极管;接收器中vt1用3u31光敏三极管，vt2用cs805 0。

图6 接收电路4 结束语利用锁相环的调制跟踪特性，设计的电路，具有外围元器件少、性能稳定、功能强大的特点。

随着微电子技术、计算机技术的发展以及芯片生产工艺水平的提高，相信更先进的、功能更强大的、价格便宜的(甚至是带有智能化的)锁相环产品会不断出现。

参考文献[1] 张厥盛，郑继禹，万心平. 锁相技术[m]. 西安:西安电子科技大学出版社，1994.[2] 阿兰.布兰查德. 锁相环及其在相干接收机设计中应用[m]. 北京:人民邮电出版社, 1980.[3] 万心平，张厥盛. 集成锁相环路-原理、特性、应用[m]. 北京:人民邮电出版社 1990.作者简介邓重一(1962-) 男讲师研究方向为检测技术、信号处理及eda技术。