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用锁相环路实现任意频率变换

摘  要:介绍了锁相环路的工作原理以及MM74HC4046AN锁相环芯片的引脚功能。给出了利用锁相环进行频率变换的方案和用方波信号进行频率变换的实际电路,并对环路和相位进行了分析。
    关键词
:频率变换;锁相环;方波信号;MM74HC4046AN


引言
在电子线路中,常常要用到多种特定频率波形的信号。这些信号不可能都用信号发生器产生,而常用典型频率经过合成和变换来获得。
在红外激光测距仪中,用得最多的是相位测距法。这种方法通过测量连续的调制光波在待测距离上往返传播所产生的相位差来间接测定光波传播的时间,从而求得被测距离。为便于与单片机连接,一般均采用方波。因为方波信号可以直接从单片机的晶振输出端分频得到,其稳定度为10-6。对于待测距离上限为100米的测量系统,其调制波的频率f1=1.5MHz,而对于这样高的频率,要精确测定其相位差是很困难的,因此需要把该频率变换为易于测量和计算的低频信号,如f2=5kHz。变频的方法是将带信号的主振方波f1=1.5MHz与本振方波f0=1.505MHz混频选频以得到f2=5kHz的正弦波。这时f2的频率将比f1降低但相位与f1相同,因此其相位差上所载信息不变。
可见,问题的关键是如何获取本振频率f0。f0的特点是要与f1很接近,以在f1的基础上微量搬移f2。常用的频率变换方法有直接振荡法、直接混频法、锁相环小数分频法、变模分频频率合成法、后置分频法以及带VCO的集成锁相环来实现分频等方法。其中带VCO的集成锁相环法可以得到稳定的频率输出,而且电路简单易实现,文中选用此方法进行分频。
锁相环路工作原理
    常用的锁相环路如图1所示,图中的主振信号f1与基准信号f2均由单片机的晶振电路分频得到。把f1与压控振荡器的输出方波频率f0混频可产生频率和频与差频分量(±f1±f2),然后用选频网络选出差频±(f1-f0)分量加至鉴相器输入端与f2进行相位比较。当环路锁定时有f2=±(f1-f0),即f0=f1+f2或f0=f1-f2,也即f0=1.505MHz或f0=1.495MHz。由于该例中的和频与差频靠得很近,因此,用普通的混频滤波技术很难抑制无用分量。本方案构成的闭环系统则可在环路锁定时输出一个稳定的值,而不会跳到另一个值上去。
3  锁相环频率变换电路
3.1 MM74HC4046AN锁相环芯片的引脚图
  采用带独立鉴相器及VCO的MM74HC4046AN锁相环芯片可以方便地构成锁相环路。
MM74HC4046AN芯片的最高工作频率为18MHz,引脚如图2所示。
MM74HC4046AN芯片内含三个独立的鉴相器PDⅠ~PDⅢ,三个鉴相器有公用的输入电路。14脚是信号输入端。使用时先经过自偏压电路将 100mV的小信号整形为满电平的方波输入信号。3脚为相位比较输入端,PDⅠ采用异或门结构和电平触发方式;PDⅡ采用触发器结构和上升沿触发方 式;PDⅢ是R-S触发器。三者皆输出相位差信号,9脚是VCO的输入端,通常可输入环路滤波器输出的平均电压Vd,4脚是VCO的输出端,其输出为方波信号,VCO的中心频率由R1(11脚)和C1(6、7脚)来确定,而R2(12脚)与R1以及C1可共同确定VCO的最低和最高振荡频率。5脚为控制信号,为“0”时将允许VCO和源极跟随器工作,为“1”时禁止。16脚为VDD,通常可选为+5V,8脚为GND。

3.2  方波变频的特点及电路
方波信号具有易于获取、布尔运算简单、稳定性好等特点。随着数字电路的发展,尤其是计算机的介入使很多系统变为离散系统而以0和1电平工作,因而在很 多场合都要使用方波信号,这使得方波信号的频率变换显得尤为重要。从方波展开成的富立叶级数可见,它可由同相位的基波及多次谐波叠加而成。由于频率不单 一,因此在频率变换的技术及实用线路上就有其独特之处。ATMEL公司的89C51单片机的晶振频率可达33MHz。笔者在设计时选择了常用的 12MHz,并在单片机的晶振电路输出引脚XTAL2上输出振荡信号,然后经过两个反相器使信号的负载能力提高并整形为占空比50%的方波,为了提高其抗 干扰性能,反相器可选74HC19,因为它对弱信号也能工作。这样,对该信号经过74LS161进行8分频即可得到f1=1.5MHz的主振频率。同时74LS161也对其进行2分频,再经74LS92进行12分频之后,再用两个74LS90进行100分频,最后得到f2=5kHz的基准方波信号。若选用更高频率的晶振,也可以用软件分频。
鉴相器的选择是一个关键点。由于PDI异或门结构为电平触发方式,因此要求输入信号为占空比50%的方波,而PDⅡ为边沿触发方式,它仅与上升沿有 关,而与占空比无关。因此该设计选择PDⅡ,输出为13脚。环路滤波器选用无源比例积分滤波器,这种滤波器与无源积分RC滤波器相比,其环路的稳定性及捕 捉性比较有利。通过滤波器将相位差信号变成平均电压信号送入VCO。确定VCO的固有振荡频率的方法是先使VCO的输入脚(9脚)接地,并保持供电电源VDD=5V,然后确定R1、C1,再由高精度频率计测频或用示波器观察输出波形、换算频率并调整R1、C1,直到VCO输出为f0=1.505MHz为止。通过外接R2可使频带缩窄。混频器采用了混频效率高,且具有增益和隔离作用的三极管混频电路将方波f1送入基极,f0送 入发射极即可在集电极得到混频输出。选频电路也是一个关键点。通过两个正弦波混频可简单地得到和频与差频波,而用低通滤波器滤除高频分量即可得到低频分 量。但这里采用的是两个方波混频,混频后的谐波很多,因而不能简单地用RC滤波,应采用选频特性较好的LC选频网络以选出f2=5kHz 正弦波。因而要注意的是:电感元件往往体积较大,制作与调节不便,因此可以采用粗调L,细调C的方法,并用示波器观察谐振波形。由于将正弦波直接送入PD Ⅱ无法工作,因此,必须先经过零检测电路变为方波,如果方波的上升沿不够陡。可再加上微分电路和限幅电路,最后将产生的过零脉冲送入PDⅡ,以与基准信号 进行鉴相。
图3所示是锁相环路频率变换电路的连接图。

锁相环路闭环相位分析
从应用背景可知,相位法测距要求所测相位要精确。因此经过锁相环路频率变换之后是否产生附
加相位值得注意。

  由于f2与f1是由同一晶振源分频得到的,因此两者同相位。VCO工作于固有振荡频率,它要求输入电压为零,即要求f2与f'2相位差为零,也就是说f2与f'2应同相位。当VCO工作于固有振荡频率时,f0与f2同相位,因而f0、f1同相位,所以混频选频之后的f'2与f0、f1均为同相位。这一点正好满足了f2与f'2相位差为零的条件。此时图1的系统是一个相位无差闭环系统,即没有产生附加相位。
造成输出f0抖动的因素主要是VCO的不稳定以及供电电压VDD的波动。由于VCO是电压控制型模拟器件,受VDD的影响很大,因此,当VDD降低时,f0减小,反之亦然。设VDD波动为ΔVDD,并设f'0为VDD+ΔVDD下的频率,可知它对f0偏离了Δf0,有f'0=f0+Δf0≠f0,而f2与f1仅幅值变化,频率不变。混频后含有f0+Δf1的谐波。由于Δf0极小,由LC谐振特性曲线可知,LC谐振电路仍有输出(幅值不太低),频率为f'0+Δf'2≠f2,因而造成两者之间有相位差,经过鉴相滤波后,得到ΔVd送入VCO而使输出向f0逼近,直至相等后环路再次锁定。此时图1是一个有差
相位的闭环系统。可见图1的系统对电源波动也能有效的抑制。但要注意的是:由于此时输出对两输入有相位差,因此,对某些相位要求较高的系统应考虑这个原始相位差。
5  结论
  本线路设计合理,输出稳定,电路简单,容易调试;采用常规元件,价格便宜。在实用中取得了很好的效果。可广泛应用于无线电通讯,激光测距以及多种自动控制系统中。

[来源:原创] [作者:国创电气] [日期:09-05-06]
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