锁相环在频率调制与解调电路中的应用

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，

图1　CD4046内部结构框图
　　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#1030;与PCII。PC#1030;要求输入信号为方波，PCII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，各管脚功能如表1所示：
表1　CD4046管脚功能表

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C1与R1即可。
　　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。　
　

图2　CD4046构成的频率调制电路

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

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，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CS8050。

图5　 发射电路

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　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　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　 北京：人民邮电出版社　1990