锁相环(锁相环)是一种以消除频率误差为目标的自动相位控制电路，可以完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统。锁相环广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制、时钟同步等技术领域。

用锁相环CD4046实现电动机转速测量----集成锁相环CD4046

过去，锁相环主要由分立元件和模拟电路组成。现在常用的是集成电路的锁相环。集成锁相环因其性能优异、价格低廉、使用方便而得到广泛应用。需要指出的是，集成锁相环往往不包含环路滤波器，所以必须外接不同的R、C元件组成环路滤波器，这样锁相环的性能就不同，可以应用于不同的场合。集成锁相环CD4046就是其中之一。

CD4046的特点

锁相环CD4046是一个通用的CMOS数字锁相环[2，3]。最大工作频率约为1MHz。电源电压范围宽(3~8V)，输入阻抗高(约100 m)，动态功耗极低，中心频率F0 10k Hz时功耗仅为600W，属于微功耗器件。

CD4046的引脚功能

CD4046采用16引脚双列直插式，其引脚排列如下图所示。

每个引脚的功能如下：

CD4046的引脚排列

引脚1:相位输出端，环路锁定时为高电平，环路解锁时为低电平。

引脚2:鉴相器I的输出端。

引脚3:比较信号输入端。

4引脚：压控振荡器的输出端。

引脚5:禁止端子，高电平禁止，低电平允许工作。

引脚6和7:外部振荡电容。

8.引脚16:电源负极端子和正极端子。

引脚9:压控振荡器的控制端。

引脚10:解调输出端，用于调频解调。

11.引脚12:外部振荡电阻。

引脚13:鉴相器的输出端。

引脚14:信号输入端。

引脚15:内部独立的齐纳稳压器负极。

CD4046的内部结构及工作原理

CD4046内部电气原理框图如图3所示。它主要由压控振荡器(VCO)、源跟随器(A2)、稳压器、线性放大整形电路(A1)和两个鉴相器(I和II)组成。

鉴相器一采用异或门结构。当两个输入信号Ui和Uo的电平状态不同时(即一个为高，一个为低)，输出信号U为高；相反，当Ui和Uo具有相同的电平状态(即都为高或都为低)时，U输出为低。当Ui和Uo的相位差 从0变为80时，U的脉冲宽度也会发生变化，即占空比也会发生变化。对于鉴相器I，要求Ui和Uo的占空比为50%(方波)，以最大化锁定范围。

鉴相器是由信号上升沿触发的数字记忆鉴相器。它不需要高占空比的输入信号，并允许输入不对称波形。它具有较宽的捕获频率范围，并且不会锁定输入信号的谐波。两个鉴相器分别由2脚和13脚输出，可根据需要选择。鉴相器也有

另一个输出端（1脚），输出锁定信号（相位脉冲），可用作锁相环锁定状态的指示。当达到锁定时，在鉴相器Ⅱ的两个输入信号之间保持0°相移。

由于输入信号Ui（从14脚输入）一般较小，不符合上面两种数字鉴相器对输入信号电平的要求，而且波形也不规则，因此输入信号要先经放大和整形电路A1，使其电平和波形均满足鉴相器（Ⅰ、Ⅱ）的要求。

环路滤波器采用外接的阻容网络（R3、R4、R2），其输出的控制电压接至压控振荡器（VCO）的输入端（9脚）。

CD4046锁相环采用的是交叉充放电型压控振荡器，因此在6、7脚之间外接电容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。

当CD4046用于调频波的解调时，环路滤波器输出的控制电压经源跟随器（A2）至10脚，得到FM的解调信号。注意，10脚与地之间必须接负载电阻R5。

CD4046还有一个由齐纳二极管构成的稳压器（稳压值Uz=5~8V）。当CD4046与TTL电路匹配时，该稳压管可用作辅助电源。

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、整形后加到鉴相器Ⅰ、Ⅱ的输入端，下图开关K拨至2脚，则鉴相器Ⅰ将从3脚输入的比较信号Uo与输入信号Ui作相位比较，从鉴相器Ⅰ输出的误差电压UΨ则反映出二者的相位差大小;UΨ经R3、R4及C2滤波后得到一个控制电压Ud，加至VCO的输入端9脚，调整VCO的振荡频率f2，使f2迅速逼近输入信号频率f1;VCO的输出又经分频器再进入鉴相器Ⅰ（根据需要决定分频器的有无），继续与Ui进行相位比较，最后使得f2=f1，二者的相位差为一定值，实现了相位锁定。若开关K拨至13脚，则鉴相器Ⅱ工作，过程与上述相同。

CD4046的内部电原理图