可编程控制移相器设计与实现

摘要：本论文主要研究了锁相环的特性，得出通过加入控制电压，可以得到不同的移相信号。然后将原始信号和输出信号与移相后的信号通过鉴相器来比较，将比较结果通过MCU辨别是否达到要求；若没达到要求就将输出信号继续输入移相，直到达到要求后再停止。其中锁相环是用到74HC4046，它是一个集成的低功率锁相环，其中集成了一个VCO，三个鉴相器。通过74HC4046和辅助电路的设计来实现一定范围的移相。

关键词：锁相环；鉴相器；压控振荡器；环路低通滤波器

中图分类号：TP274文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2010) 16-0000-02

The Design and Implementation ofProgrammable Control Phase Shifter

Huo Xiao

(Datong Personnel Information Center,Datong037006,China)

Abstract:This paper mainly study the features of Phase Lock Loop(PLL).It can come out that through an control voltage,different phase output signals can be obtained.Then we can compare the differences among the original signal,the output signal and the phase signal and checkout the compared result through MCU.If the result can not reach our needs,the output signal should continue to be shifted until the result according to our request.The 74HC4046 is a low power phase lock loop that contains a low power linear voltage controlled oscillator (VCO) and three phase comparators.The shift can be achieved through a demo circuit for the design.

Keywords:Phase Lock Loop(PLL);Phase Detector(PD);Voltage Controlled Oscillator(VCO);Loop Lowpass Filter(LLF)

移相电路的应用十分广泛。常用于同步检测器的数据处理，相控阵雷达、卫星通信、移动通信等设备中，目前资料上的移相电路，大致可分为模拟式和数字式移相器两类。本文希望能将模拟电路简化，将一部分用数字电路代替，设计一个简单、实用的移相器。

数字移相主要有两种形式：一种是先将正弦波信号数字化，通过2片D/A转换芯片在单片机的控制下连续地循环输出该数据表，可得两路正弦波信号，如若当所得的数据序列不相同时，转换后存在着相位差。另一种是先将参考信号整形为方波信号，并以此信号为基准，延时产生另一个同频的方波信号，再通过波形变换电路将方波信号还原成正弦波信号。以延时的长短来决定两信号间的相位值。还有就是利用RF MEMS（Micro Electromechanical System微电子机械系统）开关制造的移相器具有插损小、功耗低、宽带宽、体积小等优点，因此成为研究的热点。

一、设计方案

本设计分为原理电路和辅助电路。其中原理电路是核心，主要部分就是锁相环部分，通过锁相环得到移相后的信号。其中为实现输出信号为某一相位的移项信号，在滤波器和压控振荡器之间叠加一个恒压VI。这样由于一个可变参数的加入可以通过改变恒压VI值来使鉴相器输出一个满只需要范围的相移信号。剩余部分为辅助设计，通过键盘输入来设定所需要的移相角度数，并在LCD上显示，通过MCU使其变成对应的电压，然后通过一个DAC转换器变成需要的VI。

二、设计原理

本设计就是通过在滤波器和压控振荡器之间叠加一个可调电压VI，通过改变可调电压来控制相移。模型如下图1所示。

图中， 为鉴相器的输出平均电压， 为鉴相器的最大输出电压， e（t）为 和 之间的瞬时相位差。对于压控振荡器在有限的控制电压范围内，可近似由下列方程表示：

Ao Vc（t） （1）

式中，Ao为VCO频率控制特性曲线在Vc=0处的斜率，称为压控灵敏度，单位为rad/s•Vo；由于有 = + ， = + ；故，式（1）可改写为 =Ao Vc（t）。可见，就 o（t）和Vc（t）之间的关系而言，VCO是一个理想的积分器。因此，往往将它称为锁相环中的固有积分环节。若用微分算子p=d/dt表示，则上式可表示为 =Ao Vc（t）/p。在本设计所用的锁相环中采用简单的RC滤波器。根据以上理论可以写出如图1中所示模型的基本环路方程式为：

= - = - （2）

上式是为线性微分方程，可以用来完整地描述环路闭合后所发生的动态过程。该式表明，环路闭合后的任何时刻，瞬时角频差和控制角频差之和恒等于输入固有角频差。如果输入固有角频差为常数 ，即 为恒定频率的输入信号，则在环路进入锁定过程中，瞬时角频差不断减小，而控制角频差不断增大，但两者之和恒等于 。直到瞬时角频差减小到零，既 ，而控制角频差增大到 时，VCO振荡角频率等于输入信号角频率（ ），环路便进入锁定状态。这时，相位误差 为一固定值，用 表示，称为剩余相位误差或稳态相位误差。正是这个稳态相位误差，才使鉴相器输出一直流电压，这个直流电压通过滤波器加到VCO上，调整其振荡角频率，使它等于输入信号角频率。若设滤波器的直流增益为 ，则当环路锁定时，根据式（2）得：

（3）

故 为：（4）

式中， 为环路的直流总增益。

三、电路设计

（一）锁相环电路设计

在本设计中锁相环74HC4046来搭建。74HC4046是一个低功率锁相环路，它运用先进的硅门CMOS技术来获得能在高频率范围操作的相位比较器和VCO。从芯片资料可以看出当R增大时它的电压可变范围变大。以及当R1=10K，C1=1000pF时，受温度影响变化较小。故综合取R1=10K，C1=1000pF。

在图2中，R3和C2构成一个简单的环路低通滤波器，输入信号从14脚引入，通过相位比较器，然后通过环路低通滤波器后输入压控振荡器得到输出，将输出反馈到相位比较器。这样就构成一个完整的锁相环。其中5脚INHIBIT为始能端，来控制芯片工作。

（二）原理电路设计

原理电路只需在基本锁相环路的滤波器和压控振荡器之间叠加一个可调电压VI。本设计的核心电路原理电路如下图3所示。

（三）辅助电路设计

辅助电路主要为MCU部分，可以划为两部分，一为键盘控制输出电压控制部分，一为送入MCU的相位检测并处理使其能有误差校正，并满足要求。首先，介绍一下键盘控制部分。键盘需要四个键来控制，这四个键分别实现如下功能：一号键实现个位从0到9的数字的逐步增加，按一下增一；二号键实现十位从0到9的数字的逐步增加，按一下增一；三号键为输入键，当按下它时，将通过程序将其变为对应的电压值；四号键为复位键，当按下它时，个位、十位数值显零，同时输出对应信号VI为零，MCU停止工作。其中个位和十位的数值同时在LCD上显示。

（四）误差分析处理

其次就是关于误差分析、校正的算法。

如图4所示，设能移的最小最大相角分别为 、 ；对应的电压分别为 、 。

则若以A、B此两点为直线，其方程式为：（5）

若要设定的相移为 则代入式（5）中得到VI值为 ，而实际得到的相移为 。

在D点做一条斜率为 的直线其方程式为：（6）

其中， 。如图得到交点E，将 代如式（6）得到一个值 。这样就又对应一个相移角，如上继续重复取值，最后会趋近要求值，设定一个误差范围，使其达到误差要求时停止。最后将控制部分和原理部分通过ADC和DAC转换器连接在一起。到此一个完整的系统就完成了。

四、测试结果

由于时间有限，目前本设计只完成了核心电路部分，即锁相环部分。在仿真中用电路来代替单片机的功能，用一个电位器来调节加在VI端的电压，通过改变电压来实现不同的移相。本设计可以实现频率从27KHz到90KHz范围方波信号的移相，并摘录如下实验数据。绘制成下图。

通过以上实验结果可以看出。本系统在输入电压频率在50kHz到80kHz范围的线性效果好。并且频率高的相移可调范围大。理论的情况是频率不会影响外加电压与相移的关系，图形应该是一条水平的直线。可实际结果却是如图6所示，可以看出随着频率的增加，随着电压变化量的增大相移度数也增加。可能是锁相环中某些参数和频率有关，所以在单片机程序处理时，一定要考虑频率的影响。

本系统最大的特点是通过简单原理来实现需要的结果，并且效果很令人满意。可以设想如果加入单片机部分，控制会更加方便，并且得到精准的移相信号；当然还可以用其他方式来控制输入电压VI来对输入信号移相，控制方便是目的。如果再进一步改进、完善一定可以满足很多不同场合的需要。

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