鎖相環(huán)芯片CD4046引腳,工作原理及應(yīng)用電路

1、CD4046是通用的CMOS鎖相環(huán)集成電路，其主要特點(diǎn)是:1.電源電壓范圍寬（為3V18V）;2. 輸入阻抗高(約100M;3. 動(dòng)態(tài)功耗小，在中心頻率f0為10kHz下功耗僅為600W，屬微功耗器件。圖2是CD4046的引腳排列，采用16 腳雙列直插式。圖2各引腳功能如下：1腳相位輸出端，環(huán)路人鎖時(shí)為高電平，環(huán)路失鎖時(shí)為低電平。 2腳相位比較器的輸出端。 3腳比較信號(hào)輸入端。 4腳壓控振蕩器輸出端。 5腳禁止端，高電平時(shí)禁止，低電平時(shí)允許壓控振蕩器工作。 6、7腳外接振蕩電容。 8、16腳電源的負(fù)端和正端。 9腳壓控振蕩器的控制端。 10腳解調(diào)輸出端，用于FM解調(diào)。 11、12腳外接振蕩電阻

2、。 13腳相位比較器的輸出端。 14腳信號(hào)輸入端。 15腳內(nèi)部獨(dú)立的齊納穩(wěn)壓管負(fù)極。 圖3是CD4046內(nèi)部電原理框圖，主要由相位比較、壓控振蕩器（VCO）、線性放大器、源跟隨器、整形電路等部分構(gòu)成。比較器采用異或門(mén)結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩個(gè)輸人端信號(hào)Ui、Uo的電平狀態(tài)相異時(shí)（即一個(gè)高電平，一個(gè)為低電平），輸出端信號(hào)U為高電平；反之，Ui、Uo電平狀態(tài)相同時(shí)（即兩個(gè)均為高，或均為低電平），U輸出為低電平。當(dāng)Ui、Uo的相位差在0°-180°范圍內(nèi)變化時(shí)，U的脈沖寬度m亦隨之改變，即占空比亦在改變。從比較器的輸入和輸出信號(hào)的波形（如圖4所示）可知，其輸出信號(hào)的頻率等于輸入信號(hào)頻率的兩倍，

3、并且與兩個(gè)輸入信號(hào)之間的中心頻率保持90°相移。從圖中還可知，fout不一定是對(duì)稱波形。對(duì)相位比較器，它要求Ui、Uo的占空比均為50（即方波），這樣才能使鎖定范圍為最大。圖3相位比較器是一個(gè)由信號(hào)的上升沿控制的數(shù)字存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。它對(duì)輸入信號(hào)占空比的要求不高，允許輸入非對(duì)稱波形，它具有很寬的捕捉頻率范圍，而且不會(huì)鎖定在輸入信號(hào)的諧波。它提供數(shù)字誤差信號(hào)和鎖定信號(hào)（相位脈沖）兩種輸出，當(dāng)達(dá)到鎖定時(shí)，在相位比較器的兩個(gè)輸人信號(hào)之間保持0°相移。 對(duì)相位比較器而言，當(dāng)14腳的輸入信號(hào)比3腳的比較信號(hào)頻率低時(shí)，輸出為邏輯“0”；反之則輸出邏輯“1”。如果兩信號(hào)的頻率相同而相位不同，當(dāng)輸

4、入信號(hào)的相位滯后于比較信號(hào)時(shí)，相位比較器輸出的為正脈沖，當(dāng)相位超前時(shí)則輸出為負(fù)脈沖。在這兩種情況下，從1腳都有與上述正、負(fù)脈沖寬度相同的負(fù)脈沖產(chǎn)生。從相位比較器輸出的正、負(fù)脈沖的寬度均等于兩個(gè)輸入脈沖上升沿之間的相位差。而當(dāng)兩個(gè)輸入脈沖的頻率和相位均相同時(shí)，相位比較器的輸出為高阻態(tài)，則1腳輸出高電平。上述波形如圖5所示。由此可見(jiàn)，從1腳輸出信號(hào)是負(fù)脈沖還是固定高電平就可以判斷兩個(gè)輸入信號(hào)的情況了。 圖5CD4046鎖相環(huán)采用的是RC型壓控振蕩器，必須外接電容C1和電阻R1作為充放電元件。當(dāng)PLL對(duì)跟蹤的輸入信號(hào)的頻率寬度有要求時(shí)還需要外接電阻R2。由于VCO是一個(gè)電流控制振蕩器，對(duì)定時(shí)電容C1

5、的充電電流與從9腳輸入的控制電壓成正比，使VCO的振蕩頻率亦正比于該控制電壓。當(dāng)VCO控制電壓為0時(shí)，其輸出頻率最低；當(dāng)輸入控制電壓等于電源電壓VDD時(shí)，輸出頻率則線性地增大到最高輸出頻率。VCO振蕩頻率的范圍由R1、R2和C1決定。由于它的充電和放電都由同一個(gè)電容C1完成，故它的輸出波形是對(duì)稱方波。一般規(guī)定CD4046的最高頻率為1。2MHz(VDD=15V），若VDD<15V，則fmax要降低一些。CD4046內(nèi)部還有線性放大器和整形電路，可將14腳輸入的100mV左右的微弱輸入信號(hào)變成方波或脈沖信號(hào)送至兩相位比較器。源跟蹤器是增益為1的放大器，VCO的輸出電壓經(jīng)源跟蹤器至10腳作F

6、M解調(diào)用。齊納二極管可單獨(dú)使用，其穩(wěn)壓值為5V，若與TTL電路匹配時(shí)，可用作輔助電源。 綜上所述，CD4046工作原理如下：輸入信號(hào) Ui從14腳輸入后，經(jīng)放大器A1進(jìn)行放大、整形后加到相位比較器、的輸入端，圖3開(kāi)關(guān)K撥至2腳，則比較器將從3腳輸入的比較信號(hào)Uo與輸入信號(hào)Ui作相位比較，從相位比較器輸出的誤差電壓U則反映出兩者的相位差。U經(jīng)R3、R4及C2濾波后得到一控制電壓Ud加至壓控振蕩器VCO的輸入端9腳，調(diào)整VCO的振蕩頻率f2，使f2迅速逼近信號(hào)頻率f1。VCO的輸出又經(jīng)除法器再進(jìn)入相位比較器，繼續(xù)與Ui進(jìn)行相位比較，最后使得f2f1，兩者的相位差為一定值，實(shí)現(xiàn)了相位鎖定。若開(kāi)關(guān)K撥

7、至13腳，則相位比較器工作，過(guò)程與上述相同，不再贅述。CD4046典型應(yīng)用電路圖6是用CD4046的VCO組成的方波發(fā)生器，當(dāng)其9腳輸入端固定接電源時(shí)，電路即起基本方波振蕩器的作用。振蕩器的充、放電電容C1接在6腳與7腳之間，調(diào)節(jié)電阻R1阻值即可調(diào)整振蕩器振蕩頻率，振蕩方波信號(hào)從4腳輸出。按圖示數(shù)值，振蕩頻率變化范圍在20Hz至2kHz。圖6圖7是CD4046鎖相環(huán)用于調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)電路。如果由載頻為10kHz組成的調(diào)頻信號(hào)，用400Hz音頻信號(hào)調(diào)制，假如調(diào)頻信號(hào)的總振幅小于400mV時(shí)，用CD4046時(shí)則應(yīng)經(jīng)放大器放大后用交流耦合到鎖相環(huán)的14腳輸入端環(huán)路的相位比較器采用比較器，因?yàn)樾枰i相

8、環(huán)系統(tǒng)中的中心頻率f0等于調(diào)頻信號(hào)的載頻，這樣會(huì)引起壓控振蕩器輸出與輸入信號(hào)輸入間產(chǎn)生不同的相位差，從而在壓控振蕩器輸入端產(chǎn)生與輸入信號(hào)頻率變化相應(yīng)的電壓變化，這個(gè)電壓變化經(jīng)源跟隨器隔離后在壓控振蕩器的解調(diào)輸出端10腳輸出解調(diào)信號(hào)。當(dāng)VDD為10V，R1為10k，C1為100pF時(shí)，鎖相環(huán)路的捕捉范圍為±0.4kHz。解調(diào)器輸出幅度取決于源跟隨器外接電阻R3值的大小。圖7圖8用CD4046與BCD加法計(jì)數(shù)器CD4518構(gòu)成的100倍頻電路。剛開(kāi)機(jī)時(shí)，f2可能不等于f1，假定f2 ，此時(shí)相位比較器輸 U 為高電平，經(jīng)濾波后 Ud 逐漸升高使 VCO 輸出頻率 f2 迅速上升， f2 增大值至 f2=f1 ，如果此時(shí) Ui 滯后 U0 ，則相位比較器輸出 U 為低電平。 U 經(jīng)濾