cd4046簡(jiǎn)介
cD4046是通用的CMOS鎖相環(huán)集成電路，其特點(diǎn)是電源電壓范圍寬（為3V－18V），輸入阻抗高（約100MΩ），動(dòng)態(tài)功耗小，在中心頻率f0為10kHz下功耗僅為600μW，屬微功耗器件。
CD4046鎖相的意義是相位同步的自動(dòng)控制，功能是完成兩個(gè)電信號(hào)相位同步的自動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)叫做鎖相環(huán)，簡(jiǎn)稱PLL。它廣泛應(yīng)用于廣播通信、頻率合成、自動(dòng)控制及時(shí)鐘同步等技術(shù)領(lǐng)域。鎖相環(huán)主要由相位比較器（PC）、壓控振蕩器（VCO）。低通濾波器三部分組成，如下所示。
cd4046引腳圖及功能
CD4046的引腳排列，采用16腳雙列直插式，各管腳功能：
1腳相位輸出端，環(huán)路入鎖時(shí)為高電平，環(huán)路失鎖時(shí)為低電平。
2腳相位比較器Ⅰ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。
13腳相位比較器Ⅱ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。
CD4046內(nèi)部電原理框圖
上圖是CD4046內(nèi)部電原理框圖，主要由相位比較Ⅰ、Ⅱ、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Ⅰ采用異或門結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩個(gè)輸入端信號(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)UΨ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），UΨ輸出為低電平。當(dāng)Ui、Uo的相位差Δφ在0°-180°范圍內(nèi)變化時(shí)，UΨ的脈沖寬度m亦隨之改變，即占空比亦在改變。從比較器Ⅰ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，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Ⅰ，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。
圖四
相位比較器Ⅱ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Ⅱ的兩個(gè)輸人信號(hào)之間保持0°相移。
對(duì)相位比較器Ⅱ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)輸入信號(hào)的相位滯后于比較信號(hào)時(shí)，相位比較器Ⅱ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Ⅱ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Ⅱ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，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。
CD4046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)電壓控制振蕩器，對(duì)定時(shí)電容C1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工作原理
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Ⅰ、Ⅱ的輸入端，圖3開關(guān)K撥至2腳，則比較器Ⅰ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UΨ則反映出兩者的相位差。UΨ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Ⅰ，繼續(xù)與Ui進(jìn)行相位比較，最后使得f2=f1，兩者的相位差為一定值，實(shí)現(xiàn)了相位鎖定。若開關(guān)K撥至13腳，則相位比較器Ⅱ工作，過程與上述相同。
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cd4046電氣特性
直流電氣特性：
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交流電氣特性：
CD4046典型應(yīng)用電路
應(yīng)用電路一：
圖中是用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。
應(yīng)用電路二：
圖是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Ⅰ，因?yàn)樾枰i相環(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10kΩ，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。
應(yīng)用電路三：
圖中用CD4046與BCD加法計(jì)數(shù)器CD4518構(gòu)成的100倍頻電路。剛開機(jī)時(shí)，f2可能不等于f1，假定f2《f1，此時(shí)相位比較器Ⅱ輸U(kuò)Ψ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Ⅱ輸出UΨ為低電平。UΨ經(jīng)濾波后得到的Ud信號(hào)開始下降，這就迫使VCO對(duì)f2進(jìn)行微調(diào)，最后達(dá)到f2/N=f1，并且f2與f1的相位差Δφ=0°。，進(jìn)入鎖定狀態(tài)。如果此后f1又發(fā)生變化，鎖相環(huán)能再次捕獲f1，使f2與f1相位鎖定。
應(yīng)用電路四：
頻率計(jì)用表針指示被測(cè)頻率的高低。R1由47k 固定電阻與51k 的電位器串聯(lián)而成， R4、R5和C4構(gòu)成低通濾波器， R3與表頭M 串聯(lián)后作為源跟隨器的負(fù)載， R3還用于調(diào)節(jié)表的滿刻度電流。表頭上并有100LF 的大電容， 用于消除低頻時(shí)表針的抖動(dòng)現(xiàn)象， 該頻率計(jì)的測(cè)量范圍是20Hz～ 1kHz。在用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)頻率計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)， 需調(diào)整51k 電位器， 該頻率計(jì)具有良好的線性。
應(yīng)用電路五：
只使用鎖相環(huán)中的壓控振蕩器就可構(gòu)成電壓頻率轉(zhuǎn)換器。電路的特點(diǎn)是將12腳懸空，使R2趨向無窮大，則輸出的最小頻率為0Hz，取R1=100k，C1=100pF，VDD=10V時(shí)，輸出的最高頻率為20kHz。改變電位器RP1的位置，使VCO的控制電壓從0V連續(xù)升到VDD，從第4腳就可以得到0Hz～20kHz的輸出信號(hào)。VMOS管V20AT作功率輸出級(jí)，監(jiān)聽揚(yáng)聲器BL與RP2組成漏極負(fù)載，RP2兼作音量控制。將RP1的頻率刻度盤用標(biāo)準(zhǔn)頻率計(jì)校準(zhǔn)后，即可作為音頻信號(hào)發(fā)生器使用。該電路如果去掉RP1，改用敏感元件和電壓比較電路構(gòu)成輸入級(jí)，即為多用途越限報(bào)警器。
應(yīng)用電路六：
VT與C1、C2、探頭L一起組成振蕩器，其頻率約為300kHz。探頭采用直徑為440毫米的線圈。當(dāng)探頭接近埋在地下的金屬時(shí)，金屬物體相當(dāng)于短路環(huán)，使L的電感量減小，振蕩頻率隨之升高，表針偏轉(zhuǎn)角度改變。表頭易采用零位指示器，零點(diǎn)位于刻度盤中央，此電路仍屬于頻率電壓轉(zhuǎn)換電路。
