基于压控振荡器和锁相环技术的隔离放大器设计

摘 要

锁相技术理论诞生于上世纪30年代初，历经几年时间的发展，才开始在电视机中应用。该技术全称为Phase-Locked Loop，简称PLL，其作用在于对相位自动控制的负反馈系统，能够让频率和相位始终和输入信号保持一致。众所周知，压控振荡器是无线信号接收机中最为重要的一部分，一般用在锁相环（PLL）中，给系统提供性能良好的本地振荡信号。而 PLL 作为频率合成器，可以为无线通信收发机提供性能优良的载波信号、恢复时钟信号以及调制与解调信号等。信号放大处理往往应用在工业生产中的信号输入电路中，为了有效规避不同信号之间出现相互干扰的风险，提升测试设备的安全性和稳定性，显著提升共模仰制比，隔离放大做法经常在多个工业生产领域中出现。隔离放大器主要针对输出和输出电路间隔的电气隔离层进行放大，通常通过光耦合作用实现信号的传输。目前该技术在信号测量、医学诊断、核工业控制等领域得到广泛应用。隔离放大器的底层逻辑、运行原理、调试方式等方面研究如今成为学术领域重点关注的方向，本课题针对信号采集中的电器隔离问题提出，采用频率调制解调、变压器隔离传输的方式实现隔离放大。包括前端差动输入、频率调制、隔离变压器制作、解调、增益调整等环节。制作完成后，可提供一种低成本、高隔离度的放大器。从而推动相关科研项目的发展，以更好地将其应用于社会生产生活当中。

关键词：4046锁相环；压控振荡器；隔离放大器；

第1章 引言

1.1 课题研究背景和意义

隔离放大器作为一种具有特殊性质的测量电路，通常设置在输入与输入电路中。不过其并不会对两种电路造成直接耦合作用，也可以理解为信号在传输时无法与接地端形成连接状态，其通常以自动化控制的方式达到信号的传输、放大、隔离等操作，通常与当前工业生产中的传感器组合使用，为用户远程监视和采集信号提供多元化的需求。隔离放大器广泛应用于铁路交通、机械、电气、电信、电力、石油、化工、钢铁、污水处理、楼宇建筑等领域的数据采集、信号传输转换、PLC、DCS等工业测控系统，作用在于优化和补强插件功能，提升系统的适配性以及适应环境的能力。如，在某次测试电力系统过程中，被测目标电流和电压过大，在采取分流、分压之后如果径直输入计算机进行测量，依然会造成测量设备不同程度的损害，基于此，必须要有效调整和降低信号采集精度所引发的影响，隔离措施在此时发挥重要作用，其能对信号进行隔离，有效规避其与高压系统形成连接状态。隔离可以理解为电气层面的隔离，使信号只能通过设定好的渠道传输，有效规避直接传输带来的影响，隔离放大的先决条件是确保信号稳定性和真实性，同时具备较为合理且稳定的隔离电压。目前应用范围较广的方法有电容耦合、变压器耦合等。锁相环技术是基于信息传输领域发展起来的针对相位之间关系的学科技术，其可达到相位独立且自动化控制的目的，同时可利用相位自动化调节作为保持不同相位之间的运行同步性，这一步骤通常通过锁相环反馈系统完成。由于它的环路结构简单，性能良好，在许多新型电子设备，特别是在通信系统中，得到广泛的应用。锁相其含义为自动相位控制（APC），锁相环就是能够完成自动相位控制的负反馈环。锁相环技术近些年在通信、航天等领域得到广泛应用，其可以实现信号提取过程的质量保证，并实现跟踪和同步，成为电子设备的常用部件之一。压控振荡器是许多可调通信、无线电、雷达、传感和测量系统的关键元件。VCO本质上是由输入电压（通常为模拟电压）控制的振荡器。因此，在整个可调范围内调整调谐电压可以按比例地改变压控振荡器的输出射频信号。压控振荡器作为无线通信系统应用中的核心器件之一，在锁相环、函数发生器、频率合成器、雷达和本振系统中都有大量的使用。同时，它也是变频发电机测试和测量设备的关键部件。不过不同的压控振荡器其性能范围也有所不同。有些VCO的输出射频频率在几兆赫兹以内，有些VCO的带宽在几千兆赫兹以内，但它们在毫米波频谱中工作。

随着科学技术的发展和生产工艺的提升，高性能的隔离放大器研究也就成为了迫切的需要。因此有了这篇关于隔离放大器设计的文章，该电路简单实用，成本低，稳定性好，实用性高，值得推广。制作完成后，可提供一种低成本、高隔离度的放大器。其研究将促进新型隔离放大器的研制和发展，使隔离放大器为信号调制和解调领域做出贡献，并促进相关科学技术项目的进一步发展。

1.2可行性分析及拟解决的关键问题和难点

1.2.1可行性分析

调频指的是通过线性模式对载波信号的瞬时频率进行调节，此时如果载波频率根据信号出现，同时也可以将逆过程视为频率解调。通常情况下，采用CD4046数字集成锁相环达到调频的效果。FM调频电路的原理可以理解为针对压控振荡器对信号进行控制，根据实际使用需求使VCO输出频率随着调制信号产生不同程度的改变。由此诞生调频波。如果载波频率和自由振荡频率极度相似时，载波频率将与其的频率形成锁定状态。在此过程中，低通滤波器只需确保压控振中心频率和滤波频率之间处在一定误差电压即可，通过该电压和调制信号经过加法器，其主要对压控振荡器的频率进行控制，由此得到和载波频率相匹配的调频波。FM解调电路的原理可以理解为，将压控振荡器的输出与调频波共同传入鉴相器，从中得到相位误差电压，在此基础上误差电压被低通滤波器将高频部分直接过滤，最终得到复合袋调制信号频率的信号，达到鉴定频率的效果。

CD4046类可以归属为CMOS锁相环集成电路，其有别于其他集成电路的特点是电压范围相对较宽，且输入阻抗高，在运行时损耗较小。在10kHz产生的功率仅为600μW，是一种性价比较高的微功率器件。CD4046有成熟的应用电路，该课题具有可行性。

1.2.2关键问题和难点

隔离放大作为本次研究的关键点，也是研究中需要攻克的难题。隔离放大电路输入和输出电路并不会直接传输进行耦合，在传输过程中两者不存在实质性的接地端。信号与电源在电路中的传递都是以变压器耦合或光电耦合的方式进行。隔离放大电路通常在中小型测量仪和测控监控中应用，其优势在于能够在外部环境嘈杂的环境下依然保持较高性能的信号传输。传统放大电路与测量放大电路，即便存在一定程度的抗共模干扰，但原则上共模干扰电压高于电源。隔离放大器的优势在于具备的绝佳的共模干扰能力之余，能够与上千伏的共模电压共存。因此一个系统要实现隔离放大，就需要使用变压器隔离传输的方式来进行。使用变压器的关键是匹配前后级的阻抗。电源滤波在振荡器中使用尤为重要，滤波不好抖动厉害，做好DCDC电源滤波是任务关键。

1.3 国内外研究现状及发展趋势

信号隔离如今已在各个生产领域广泛应用，从诞生至今，信号隔离器历经数十年的发展和完善，根据耦合方式的不同，可以分为变压器（磁性）耦合，光电耦合和电容耦合。变压器耦合隔离是最早的人们想出来的方法。根据法拉第电磁感应定律，通过变压器进行电气上的隔离。比如说日本的M-SYSTEM和X的MOORE 等。它们具有承载能力强、隔离强度高、性能稳定、使用寿命长等优点（一些信号隔离器的使用寿命可达70年，在生产领域发挥重要作用。不过其缺陷同样明显，和其他电路相比，信号隔离设备的内部电路复杂程度较高，对制造工艺要求较高。随着近年来电子技术的持续发展和成熟，光电式隔离器产生的光耦合器，整体电路相对简单，且具有极高性价比，在干扰能力上同样有不错的表现，不过此类隔离器使用寿命相对较短。隔离放大器还可通过容性耦合实现隔离，运用发射器驱动器传输电容至另外一侧，对其中的信号进行调制，并保持与低压侧的时钟处于同步水平，输出为差分信号。X模拟器件（ADI）公司的AD系列和BURR-BROWM公司的ISO212，3656等变压器隔离放大器；电容隔离放大器有XBURR-BROWM公司的ISOxxx系列。

第2章 基础理论知识

2.1 隔离放大的几种方法

隔离放大器的作用是将电路分隔成两个部分，并且可以放大低功耗信号。它们提供从源端到负载端的隔离，使得两者之间没有直接连接。这样就保证了电源一侧使用者的正常使用。通过这种隔离，创造了高电流通过两侧的可能性。由于这种高电流被隔离给用户，我们可以说输入和输出之间电信号的欧姆连续性存在中断，可看作电阻是无穷大的。（由于开路的电阻为无穷大，短路为零。）因此，隔离放大器提供无限电阻。那么如何实现隔离呢？运算放大器具有非常高的输入阻抗，该输入阻抗可用于实现隔离。当电路具有高输入阻抗时，则从电路中获取非常小的电流。根据欧姆定律：V=IR。因此，电阻越大，从电源吸收的电流越低。由于高阻抗，运算放大器不会从电源吸收任何大电流。因此，电流非常缓慢。从电路的前半部分传递到第二部分的电流非常少。通过这种方式，运算放大器可以充当电路两个部分之间的隔离器件。隔离器的功能主要以不间断的信号或逻辑电平进行区分，通常可划分为数字信号和模拟信号两种隔离器。前文提到的隔离放大器即是模拟信号隔离器。模拟信号隔离器工作原理：首先对电流和电压等信号进行模拟处理，在此过程中势必涉及到半导体器件的使用，并采用磁感器件对信号采取隔离处理，并通过解调的方式转换信号，同时针对隔离之后的信号电源隔离，确保经过解调和变换之后的信号和电源保持独立运行状态。根据耦合方式的不同，分为光电隔离电磁隔离和电容隔离三种类型。每类有自己的优缺点。

2.1.1光电隔离

光电隔离放大器又称为光电耦合器，这种器件是一种将发光元件与受光元件相对设置并封装在同一外壳中的复合元件。其输入输出之间用光进行联系，而电气完全绝缘，它是一种具有独特性质和功能的固体元件。从功能上讲，光电耦合器的作用与继电器或脉冲变压器一样，可看作是信号耦合装置。一般情况下，光耦合器可划分为三个部分，分别为信号放大、反射、接收。当信号经过驱动发光二极管输入后，能够有效调整其波长，从而达到被光探测器接收的标准，在此基础上将信号方法之后输出。达到电信号向光信号的转换效果，进而达到信号输入和隔离的作用。，光耦合器在此过程中发挥隔离的作用，电信号传输本身只能以单向传播为主，最大限度起到抗干扰的效果。同时由于光耦合器输入端通常以低阻元件构成，所以具备较强的共模抑制效果。

2.1.2电容隔离

电容隔离放大电路由两部分组成，一是电压转换为电荷的变换电路，二是电荷感测器电路。电压-电荷变换器通过电容器的耦合，把输入的差分电压转换为成比例的束缚电荷对。再经过具有特高输入电阻的电荷感测器电路放大，得到有一定负载能力的输出电压。这样便实现了一种廉价的，具有深度电隔离与频率响应宽等特点的电容耦合的隔离放大器。在这种类型的放大器中，输入电压的数字编码是完成的。它还允许频率调制。输入电压在电容器中转换为成比例的电荷。该器件具有调制器和解调器电路。电路的信号穿过差分电容势垒。电容耦合隔离放大器采用数字调制方案来跨越隔离屏障传输差分信号。电容耦合隔离放大器中使用的调制方案是占空比调制或电压-频率调制，这取决于产品。两种调制方案基本上都是电压对时间的调制。内部振荡器用来将模拟输入信号调制成数字信号，数字信号通过隔离屏障传输。大多数电容耦合放大器(IS0103、IS0107、IS0113、IS0120、IS0121、IS0122)，将模拟信号调制为占空比编码信号;其余的隔离放大器(IS0102和IS0106)将模拟电压调制到某个频率。

　　2.1.3 变压器隔离

一．变压器的发展

电磁感应定律也叫法拉第电磁感应定律，190多年前由英国物理学家、化学家法拉第发明感应线圈。真正有实用价值的变压器是1850年德国技师鲁姆科尔夫制成，变压器经过一百多年的发展与不断改进，现已相当成熟。从感应线圈→低频变压器→高频变压器，高频变压器的频率越做越高，外形越来越小，近几年更是趋向平面式和贴片式发展。传统低频变压器趋向于小型化、节能化发展。

二．变压器的基本原理

图2-7变压器

图2-7作为并不复杂的电路原理图，在正弦交流电压处于线圈两侧时，此时导向存在一定交流电流，由此产生交流电和直流电的磁通作用，其通常会根据贴心穿越磁路，并在次级线圈中的出现一定程度的互感电势。在此过程中，线圈产生的磁通通常流动于铁心附近，由于其本身属于导体的一种，处于垂直过程时便产生感应电势，并通过铁心的断面形成闭合回路的效果，由此产生相应的电流，如同水面旋涡中的涡流，在此过程中涡流会造成变压器出现一定程度的损耗，同时快速提升铁心的温度，因此可以将涡流中产生各类损耗单视为铁损。另外绕制变压器所用的导线，一般是用漆包铜线（也有用铝线），导线有一定的电阻作用，电流经过时无疑会造成一定功率的消耗，并消耗一定热量，此处可称为铜耗。所以变压器温升大体由两方面构成：铁损和铜耗。变压器的输出功率等于输入功率减去损耗，效率与P1、P2之关系为η=P2/P1。

变压器隔离，也称为磁隔离。很早以前人们就发现互感原理，即一个线圈通电产生磁场，另一线圈靠近此线圈时会产生感应电流。第一个线圈中的电流变化的速率决定了第二只线圈中感应电流和感应电压的大小。变压器隔离技术就是基于该原理的。变压器隔离技术同样使用了线圈，该线圈由任何物理信号都无法传输的绝缘层分离开来。变压器隔离技术特点是性能稳定，寿命长，带负载能力强，但电路结构复杂，对制作工艺的要求高。以脉冲变压器隔离为例，其一次和二次绕组分别缠绕在铁氧磁体的两侧，而且分布电容只有几pF，因此可以作为隔离器件使用。变压器隔离电路隔离性能强，不受各种强干扰的影响。与光电耦合电路相比其突出的优点有：

无源传输脉冲变压器隔离电路具有防爆功能，因为变压器隔离输入电源没有电流流过电路，它是无源的。脉冲变压器隔离电路的结构已经固化，性能相对稳定，使用寿命长。脉冲变压器电路的功耗低于光电耦合电路。因为在输入电路中，光电耦合隔离输入电路有电流流入且处于激活状态。高压高频电源的隔离往往会影响高压高频电力变压器的性能。利用变压器的漏感和分布电容参数设计了高压调频电源。高频变压器出现漏感活动电容分布的现象，极易对电源或相应的组件造成一定程度的影响，主要对其负载的电路品质造成严重影响，无形中对输出电压波形造成影响。以下通过研究得出各类绕组方式的计算方式，根据计算公式，探讨了绕组方式和绕组结构对漏感和分布电容的影响。

三．变压器设计与分布参数分析

变压器绕组的每层线圈由很多匝金属线圈组成。绕组一般划分为饼式和层式。在此过程中，线匝根据轴体运动的方向依次排序进行环绕，这种形式统称为层式绕组。通常情况下，层式绕组与筒状相似，因此通过存在差异的两层构成双层圆筒式；多层圆筒式主要指的是多层构成的。绕组中不同层之间的正面面对的区域可以视为等效的同轴电容器，由于不同的层组设定正面面对面积不同，无形中增加了线匝。不同匝之间的电容由于串联的影响导致电容变小，所以在后期计算时，可无需将各匝之间的电容纳入考量范围。

电压器绕组的绕制方法通常分为分段式绕法、U型绕法、Z型绕法，接下来对上述三种方法与变压器分布电容之间的关系展开多维度、深层次的分析，探究它们对变压器分布电容产生何种影响。

（1）变压器绕组的U型绕法

采用u形绕组法对变压器绕组进行缠绕。在磁芯周围缠绕一层后，下一层线圈沿着刚缠绕到该层开始的那一层的末端缠绕，然后根据该规律重复缠绕，直到缠绕完成。图中显示了u形绕组法变压器的绕组结构和绕组电压分布图。其中，设变压器绕组两端的电压值为U，变压器绕组的高度为w，变压器绕组的层数为q，变压器绕组的平均匝长为ls，d为相邻绕组层与层之间的间距，ε为层与层之间的起到绝缘作用的相关介质的介电常数。

图：U绕法的绕组结构及电压分布

此法电场强度为：

由电容储能计算公式

得到采用此法分布电容Cs近似值为

（2）变压器绕组的Z型绕法

变压器绕组采用Z绕组法绕制。在磁芯周围缠绕一层后，将变压器绕组拉回到刚刚缠绕的层的起始端，然后将下一层线圈缠绕到该层的起始端，然后按照此规律反复缠绕，直到缠绕完成。图中显示了Z绕组法变压器的绕组结构和绕组电压分布图。

图：Z绕法的绕组结构及电压分布

通常设置各层之间的绕组两段电位差为U/q。Z型绕法的变压器不同层的电压和绕组之间的层数并没有之间关系，从物理基础理论中得知，Z型绕法过程中的变压器绕组过程中的各层间的电压应当设定为

采用此法层与层间的电压为电场强度为

采用Z型绕法的变压器的绕组储存的能量为

采用Z型绕法的变压器绕组分布电容Cs的近似值为

与之相比可得出，通过Z型绕法得到的分布电容仅为U型绕法产生电容的3/4。

（3）变压器绕组的分段式绕法

通过分段式绕组的方式可以理解为将绕组进行串联成多段绕制在相同的变压器凹槽的骨架中国，当一个凹槽的绕组完成后，再进行下一个凹槽的绕制，以此类推直至绕制完成。

采用上述三种绕制方法得到的分布电容公式进行推导，分布电容受到绕制方式的差异而有所不同。

高频变压器产生的漏感主要由非磁性物资出现相交而产生的，因此可以通过漏感计算出变压器的漏感。通常情况下，电源变压器绕组匝数的数量和热量成正比关系，有意E型的磁芯窗口的面积较大，便于分散热量，因此多采用E型或U型磁芯。为了便于本章节的分析和研究，设定电源保持不变，选择U型绕制方法。

通过变压器漏感的计算发现，采用分段式绕组的方式产生的漏感与U型绕制的变压器相同。通过品质因数公式不难发现，变压器分布电容和品质因素成正比。在相同的条件下，分段式绕制方法产生的分布电容相对较小，产生分布电容最大的是U型绕制方法。根据上述对绕制方法分布电容的分析，在使用分段式绕制过程中，电源与相应的负载组件承受的电路品质因数最小，从而保证电压输出和输入过程中的特性最稳定，在其他条件保持不变的情况下，输入电压的幅值最小；如果采用U型绕制方法，得到的电源和负载组件最大，也会造成相对陡峭的幅频特征曲线，在其他条件保持不变的情况下幅值最大。

图？不同变压器绕法的输出电压的幅频特性曲线

由品质通过因数的计算发现，当受到介质影响放电时的负载等效电容不及变压器电容，此时可认为电路品质因数和分布电容之间成正比关系，基于上述情况，当变压器匝数保持不变的情况下，不管何种绕制法，出于获得等效的电路谐振输出电压幅值的目的，都必须增加变压器的初级输入电压。在选择绕制法过程中，可根据实际情况适当提升变压器次级匝数以及绕组高度，能够在输入电压保持不变的情况下获得与U型绕制法相同的幅值输出电压。此外，通过变压器绕组的优化和调整后，选择分段式绕制法或Z型绕制法产生的输出电压幅频特征曲线依然能够保持平坦。从Z型绕制或分段式绕制法的角度出发，根据实际情况可适当增加变压器的匝数和次级侧绕组高度，在确保电路谐振输出电压稳定的基础上，能够让高压调频电源的输出电压幅频曲线更为平坦。通常情况下，高压调频电源产生的最大电压和附近区域的输出电压存在一定相似度，有时可设置为相同数值。因此，在条件允许的情况下，可选择Z型绕法或分段式绕制法高频变压器，同时根据实际情况增加一定变压器匝数和绕组高度，能够有效确保输出最大电压时电压时的稳定状态，从而确保高压调频电源的输出电压曲线更为平坦，可有效降低谐振频率附近区域的电源运行过程中输出电压幅值。

综合对比上述三种绕法，在条件保持不变的情况下，分段式绕制法的变压器能够有效控制品质因素，在输出电压过程中可使幅频特性曲线保持平缓状态，此外这种方法的流程和工艺相对简单，因此本次研究主要选择分段式绕制法，并根据实际情况增加相应的变压器匝数以及高度。

2.2锁相环

2.2.1 锁相环发展简介

锁相环是自动频率控制以及自动相位控制技术的集成。关于PLL的研究从上世纪30年代开始，在此期间，关于PLL的数学理论原理开始诞生。在此之后，同步控制理论开始出现。上世纪30年代初，法国科学家bellescize在研究中首次发表关于锁相环同步检测理论的学说，通过数学原理的方式描述锁相环技术。锁相环技术第一次应用在同步接收领域，其作用在于为输入信号载波频率提供与之相同的本地信号，以此作为检测的基础。同步检测能够在信噪比相对较低的环境下，确保大信号检测的精度。正因如此，该技术逐渐受到研究领域的关注，不过此类电路组复杂程度过高，且成本难以控制，无法短时间得到大面积推广和普及。直到上世纪40年代初，锁相环技术第一次在电视机接受的同步电路中应用，其能有效排除和抑制外部噪声的干扰，最大限度规避噪声干扰造成的画面抖动，有效保证屏幕图像的稳定性和清晰性。在此之后，其在彩色电视机中持续发挥作用。锁相环技术开始进入全面发展阶段。上世纪50年代初，空间技术得到进一步发展，Jaffe和rechtin首次在研究中研制出锁相环导弹跟踪滤波器。他们首次发表了具有噪声效应的锁相环线性理论分析，解决了锁相环的优化设计问题。空间技术的持续发展为锁相环理论提供充足的发展空间，也从不同维度推动锁相技术发展的深度和广度。20世纪60年代以后，锁相技术已广泛应用于通信、雷达、导航、仪器、计算机、激光、原子能、电视、立体声、工业、地质等技术部门。到了20世纪70年代，随着集成电路技术的发展，集成锁相环元件、通用单片集成锁相环和各种专用集成锁相环逐渐出现。锁相环技术在多个领域广泛应用，其低廉的成本和极强的功能性受到众多领域的认可和关注，极大推动了这项技术的发展。该技术目前主要应用于频率合成、调制解调、调频立体声解码等。在数字技术不断发展的大背景下，各类数字锁相环层出不穷，在位同步、相关解调等领域发挥极为关键的作用和价值。

锁相环简称PLL，其核心是压控振荡器。锁相环在数据恢复、频率合成、频率控制等领域发挥作用。它用于降低抖动衰减器抖动中的噪声。它是相位的多功能应用，用于通信系统、网络和网络的锁环，以及时钟信号所携带的相位变化。PLL电路是提高电路速度所必需的。使用锁相环提供时钟恢复电路：例如，在数字传输系统中，时钟信号用于处理数据的定时信号。数据信号是带有二进制的串行二进制信号。0和1分别由无电压和正电压组成，并以数据信号的比特率生成时钟信号。当前的创新涉及PLL，更具体地说，涉及PLL的频率稳定性。现在，锁相环在所有现代技术的许多应用中都存在。它被广泛应用于所有电子领域和不同的通信领域。不少电子设备的运行离不开锁相环技术，大部分电子设备需要同步振荡信号，而锁相环路的作用在此得到充分发挥。

2.2.2 锁相环路工作原理

锁相环指的是一种模块或电路，其主要用于处理接收的信号，同时在信号中提取特定时钟相位位置，也可以理解为根据特定的信号仿制时钟信号，确保两种信号保持同步的(或者说，相干的)，这就是锁相环名称的由来。

锁相环包含三个主要的部分，其组成原理框图如图2-1所示：

⑴鉴相环(PD):是完成相位比较大单元，以此作为对比不同信号间的相位。通常情况下，其输出电压正比于两种信号相位的差值。

⑵低通滤波器(LPF):作为一种可确保关键频率信号的正常通过，并对无用信号产生抑制作用的设备，通常应用于数据传输、干扰抑制、信号处理等方面。

⑶压控振荡器（VCO）：振荡频率在一般情况下会受到振荡器的电压控制，相对而言，控制电压和振荡频率间保持稳定的线性关系。从PLL角度出发，可将压控振荡器视为能够转换控制电压为相位的模块。

图2-1

如图2-1所示，输入信号通过锁相环外部传和压控振荡器的输出信号同步输入鉴相器中，此时鉴相器开始充分对比和分析两种信号，通常情况下，鉴相器的输出电压范围是固定的，并保持与两种信号的相位差成正比关系。当经过鉴相器的输出电压被滤波器过滤之后，生成能够用作压控振荡器的平均电压。此时平均电压会与压控振荡器产生作用。在此过程中，可将鉴相器的输入信号设定在特定范围中，并保持与压控振荡器信号呈线性关系。此时平均电压的方向开始出现变化，直到其与外部输入信号以及压控振荡器的信号频率保持一致，此种状态可理解为锁定状态。在信号输入锁相环过程中，锁相环的VCO能够在特定频率中实现对输入信号的进一步锁定，一旦在初始阶段输入信号和输出信号的频率无法锁定，如果此时锁相环外部收入信号出现变动，而输出信号频率可以有效锁定有用信号，在此过程中就能保证锁相环外部输入信号对内部变化的记录和检测，可实现灵活调整信号的作用。一旦输入信号和振荡器的输出信号都被锁定后，如果外部输入信号在特定频率范围出现改变，可以保证输入信号和输出信号在锁定状态下达到特定频率范围的最大值。如果初始化锁定输入信号出现的变化量过大，将会造成锁相环无法保持锁定状态。

锁相环内部的鉴相器一般是由多种模拟乘法器构成，利用模拟乘法器构成的电路如下图2-2所示。

图2-2模拟乘法器组成的鉴相器

鉴相器主要的运行流程为：设定从外部输入的信号电压和压控振荡器输出信号电压为：

式中的ω0为压控振荡器输入电压过程中的数值为0，或根据实际情况设定直流电压震荡角频率，称为电路的固有振荡角频率。则模拟乘法器的输出电压ud为：

滤波器可以滤除无用波段留下有用波段，具有被称作频率选择性。它允许一定频率范围内的信号通过，而对不需要的信号频率实现有效的抑制。滤波器在通讯电信测控仪器等领域应用广泛。锁相环中的低通滤波器常用的有三种形式，如图2-3所示。

图2-3环路低通滤波器的三种形式

采用低通滤波器过滤频分量，将剩余的差频分量设定为输入控制电压。即uC（t）为：

式中的ωi为输入信号的震荡角频率，φi(t)和φo(t)分别为输入信号和输出信号的瞬时位相，根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为：

则，瞬时相位差φd为

对两边求微分，可得频差的关系式为

设定上式为0，由此反映锁相环处于锁定状态，设定输入信号和输出信号频率保持不变，且相位相同的情况下，将uc直流分量设定为稳定不变的数值。如果上式为其他数值，则说明此时锁相环相位处于未锁定状态，无法保证输出信号与输入信号频率保持一致，此阶段的直流分量根据外部环境和时间的推移出现变化。由于压控振荡器特征属于线性状态，由此反映VCO振荡频率的中心为ω0(t)以固有频率，其会根据输入信号电压的变化而出现不同程度的改变，其特性可用以下公式表示

Ao——压控振荡器增益（灵敏度），上式提到在直流电压处于时刻变动的环境下，VCO输出振荡频率同样会根据实际情况产生变化，此时的锁相环处于频率牵引状态，也可以理解为根据设定的比例自动捕捉输入信号的频率，从而保证锁相环变成锁定状态，在此过程中ω0(t)=ωi(t)始终保持不变。

图2-4

压控振荡器的压控特性如图2-4所示，随输入信号电压uc（t）的变化而变化。

2.2.3 CD4046简介

CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为3V－18V），输入阻抗高(约100MΩ)，动态功耗小，在中心频率f0为10kHz下功耗仅为600μW，属微功耗器件。图2是cd4046的引脚示意图，采用16脚双列直插式，各引脚功能简介如下：1脚相位输出端，环路入锁时为高电平，环路失锁时为低电平。2脚相位比较器I的输出端。3脚比较信号输入端。4脚压控振荡器输出端。5脚禁止端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作。6，7脚外接振荡电容。8，16脚电源的负端和正端。9脚压控振荡器的控制端。10脚解调输出端，用于FM解调。11，12脚外接振荡电阻。13脚相位比较器II的输出端。14脚信号输入端。15脚内部独立的齐纳稳压管负极。

图3为CD4046的内部构造，通常由相位比较器Ⅰ、相位比较器Ⅱ、压控振荡器、线性放大器、源跟随器、整形电路等部分构成。和相位比较器相比，在两个输入信号电平状态不相同时，可设定输出信号为高电平。通过图3发现，fout并非每次都处于对称性的波形状态，必须确保其Ui、Uo的占空比例超过一半，才能得到锁定范围中的峰值。

通常相位比较器Ⅱ和信号上升沿保持紧密关联性，并受到信号上升沿的控制。它对输入信号的占空比不做严格的限制，能感知到的频率范围相对较宽，同时不受手电输入信号谐波的影响。其能够根据实际情况提供误差信号和锁定信号，在锁定状态下，始终保持在相位比较器Ⅱ中的信号间保持不变。如果14脚的输入信号低于3脚信号频率的时候，可设定其输出逻辑为零；反之可以设定其输出逻辑为1。当两个信号相位不一致且频率保持一致时，一旦输入信号相位出现一定程度的滞后，此时的相位比较器Ⅱ可设定为正脉冲，如果出现超前输入时，可设定为负脉冲。上述两种情况，1脚都和上述两种脉冲宽度存在一定程度的融合。当相位比较器Ⅱ两种脉冲宽度分析来看，它们之前存在一定相位差。如果此时两个脉冲不存在任何相位差，且始终保持相等状态，可设定相位比较器Ⅱ为高阻态。通过图5发现，两个输入信号具体是什么情况我们可以通过观察1脚输出来判断。（是负脉冲还是个固定高电平）

CD4046锁相环装载了RC压控振荡器，因此需要通过外部电容和外部电阻作为充电和放电的元件。如果PLL需要特定的输入信号频率宽带时，必须增加外接电阻。VCO作为电流控制振荡器，大部分时候的电容充电电流和9脚输入电压成正比关系，唯有如此，才能确保VCO振荡频率和控制电压保持正比关系。如果此时VCO的控制电压设定为0，输出频率处于最低值；如果电源电压VDD和输入控制电压相等时，此阶段的输入频率将会呈现输出频率的最大值。VCO的频率通常取决于定容和电阻。此时所有的充放电均采用相同的电容，因此设定其输出波形为对称方波。整体来看，该锁相环的最高频率为1.2MHz(VDD=15V），一旦控制电压低于15V，fmax也会随之下降。

CD4046锁相环中还涵盖整形电路和线性放大器，它们的作用在于将微弱的输入信号转换为脉冲信号，在此基础上传输至两相位比较器中。在此过程中，源跟踪器增益设定为1。VCO的输出电压经源跟踪器至10脚作FM解调用。齐纳二极管可单独使用，其稳压值为5V，如果和TTL电路能够匹配，在特定条件下可当做辅助电源。

综上所述，CD4046的具体工作原理为，当14脚输入Ui后，内部的放大器开始发挥作用，其主要功能在于对输入电压进行放大和整形，在此基础上输入不同的相位比较器端口，将开关调整至2脚，在此过程中，相位比较器I主要针对输入信号Uo和Ui进行全面对比和分析，通过对比得到输出信号的误差电压，其能够客观呈现两种输入信号的相位差。当UΨ被多种滤波过滤之后，可得到控制电压Ud，并将其加至压控振荡器VCO的输入端9脚，调整VCO的振荡频率f2，使f2迅速逼近信号频率f1。VCO的输出又经除法器再进入相位比较器Ⅰ，继续与Ui进行相位比较，最终必须确保到f2和f1始终处于相等的状态，设定相位差值，从而达到相位锁定的状态。一旦将K调整到13脚，此时开始启动相位比较器Ⅱ，其工作流程与上述一致。

2.3调制解调电路

为了确保远距离传输的稳定性和时效性，在传输时一般通过调制方法调制输入信号，而接收端在接受传输信号后，同样需要经过解调之后才能确保信号的可用性。调制指的是针对存在基带信号转换为与传输端口相适应的信号。换言之，采用基带信号作为控制载波信号中的若干参数关系，确保信息载荷符合信号传输的形式。通常情况下，调制的反馈过程可以视为解调，其主要方法为针对已经调制完成的信号参数进行恢复，使其成为基带信号，同时在信号接收端口将其再次调制为基带信号。所谓调制指的是将基带信号频谱转移至特定的频段的流程，在此过程中需要将信道中的频带信号调制基带信号的过程。

由于需要控制的信号参量存在差异，可将调制方法分为调频、调相、调幅。调频主要让载波损失频率根据调制信号的变化而改变。调幅主要让载波的幅度根据调制信号变化而改变。调相指的是，利用原始信号控制载波信号的相位。

2.3.1 两种信号调制类型

调相信号与本文关系不大，这里不做介绍。在此简单介绍一下调幅信号和调频信号，并做些许对比。

调幅波和调频波的示意图如图2-4所示。

图2-4

上图的（a）是输入信号，又称为调制信号；图（b）是载波信号，图（c）是已调信号。解调是调制的逆过程，它可将调制波Uo还原成原信号Ui。

调幅信号(AM)

调幅主要让载波的幅度根据调制信号变化而改变。其数学表达式可以写为：

图3-1电路系统框图

VCO（压控振荡器）是一种正弦波发生器，其频率由外部电源施加的电压决定，可作为低成本的集成电路（IC）使用，其性能显著。压控振荡器集成电路的输出波形通常是一个矩形波，然有一些集成电路可将其转换为正弦波。这些振荡器的平均频率是由RC电路决定。VCO的可控部分是它的频率，它可以通过外部控制电压来改变其频率,使其围绕一个平均值变化，此种变化是线性的。在平均频率的很大百分比范围内，频率的变化是非常线性的。这就表明，它是理想的通信用调频发生器。可事实情况并非如此，这些压控振荡器的中心频率相对不稳定，使得它们不能被用于现代通信目的。接收机可以被用来跟踪漂移的载波,中心频率的不确定性不会在接收机上产生问题。问题是频谱管理机构坚持，并有充分的理由，要求通信发射器将其（平均）载波频率保持在接近的范围内。可以用自动频率控制电路来稳定振荡器的频率，使其相近于一些固定的基准。但在VCO被频率调制的情况下就会出现冲突，其结果是控制电路很复杂，也很昂贵。对于不强制要求紧密频率控制的应用，VCO的使用效果很好。

锁相环（PLL）可用于创建复杂但高性能的FM解调电路。PLL可以“锁定”输入波形的频率。它通过将相位检测器、低通滤波器（又称“环路滤波器”）和压控振荡器（VCO）组合到负反馈系统中来实现此目的。PLL锁定后，它可以创建一个输出正弦波，该正弦波跟随输入正弦网中的频率变化。该输出波形取自VCO的输出。可是情况在FM解调器中有所不同，在这里和输入信号具有一致频率输出正弦波不被需要。相反解调信号却用环路滤波器的输出。鉴相器产生的信号与输入波形与VCO输出之间的相位差成正比。环路滤波器平滑该信号，然后成为VCO的控制信号。因此，如果输入信号的频率不断增加和减少，VCO控制信号必须相应地增加和减少，以确保VCO输出频率保持等于输入频率。也就是说，环路滤波器的输出是一个信号，其幅度变化对应于输入频率变化。这就是PLL完成频率解调的方式。虽然不需要对锁相环进行基本的改变就能解调调频，但通常要从调谐线上提供一个缓冲放大器，以防止调谐线被接收器的其他部分加载。因其输出阻抗较低，可防止环路被音频放大器的负载以任何方式扰乱。

2.4电路的接地

电路接地系统的作用体现在三个方面：一是最大限度控制并降低超过一个电路的情况下电流经过公共阻抗时出现的噪声电压，可以理解为降低公共阻抗耦合噪音；二是合理降低信号传输过程中的感应面积比例；三是排除地电位差产生的消极影响。

基于信号检测角度出发，对接地方式的选择和设计过程中，需要考虑合理规避不同电路中多个部分间检测角度差异造成的影响，通常情况下，一些电路信号往往会成为其他电路的噪音，可结合多种手段进行调制和优化，选择功率损耗较低的器件、最大限度降低流经地线的电流；同时必要时使用电源滤波电容，其在高噪声电路中的合理使用，能有效确保流经地线的电流的平滑程度；选择较大面积的横截面地线，能够有效降低阻抗，其中关键之处在于应当根据不同的电路特征和实际要求选择合理的接地方式。

工程上常用的接地方式有两类：1.一点接地2.多点接地。在低频情况下，一般采用一点接地方式。在高频情况下，一般借助大面积地线采用多点接地的方式。

2.4.1一点接地

任何一根导线都具有一定的阻抗，包括阻抗和电抗。当频率较低时，仅考虑电阻而忽略电抗。由于地线上存在各种信号的流动，因此，两个分开的接地点很难做到真正的等电位。在微信号检测系统中，这种电压的上下浮动会造成严重的干扰。必须尽量减小或避免。

在低频区一点接地常采用串联接地和并联接地两种方式，如图2-8所示。图中分别为各电路的地线等效电阻；分别为各电路的地电流。因此各接地点1、2……N的点位都不为零。

(a)一点串联接地(b)一点并联接地方式

图2-8一点接地方式

（1）一点串联接地方式

（2）一点并联接地方式

式（7）表明：一点串联接地方式中，各电路的地电流相互存在干扰，这样的接地方式，对消信号是不合适的：当个电路之间的电平相差很大时，高电平电路的地电流将会严重干扰低电平电路。由于这种接地方式简单，设计电路板时比较方便，因此在信号电平较高但各电路电平相差不大时仍常采用。值得注意的是应把最低电平点放在距离接地点最近的地方。

式（8）表明：并联接地方式中各电路之间的地电流相互不影响，其地电位只与各自本身电路的地电流、地线阻抗有关。由于并联接地方式地线多而长，而长的地线会增大电感，多的地线又会造成各个地线间的感性和容性寄生耦合，因此这种方式仅适用于1MHz以下的低频小信号电路，而不适合于高频电路。

2.4.2多点接地

多点接地方式多应用于高频场合，随着工作频率的升高，地线的感抗分量将线性增加，信号电流的趋肤效应增强，因而对信号而言，细长的地线使损耗明显增加，产生严重的地线干扰，所以要想办法减小地线阻抗。因此在高频工作区，常常会限制地线长度，扩大底线面积。

多级放大电路中，接地点的安排十分重要，若不合适，则会造成干扰。如在同一电子设备中的放大电路由前置差分放大级和功率级所组成，功率级的输出电流是比较大的，此电流通过导线产生的压降，与电源电压一起，作用于前置级，引起骚动，甚至产生振荡。还因负载电流流回电源时，造成机壳（地）与电源负载之间电压波动，而当前置放大电路的输入端接到这个不稳定的“地”上，会引起更为严重的干扰。如将各级的共同端都直接接到直流电源负的共地点，则可克服上述弊端。在特定应用场景下，也可以通过RC去耦电路，如图所示，其具备较强的放大信号，能够在特定电路环境下与信号较弱的放大交流电路形成隔绝状态，有效发挥抗干扰的作用。尤其在对外部环境要求严苛的条件下，也常采用精密稳压电源对弱信号放大级单独供电。

由于本电路所检测的信号频率为低频，综上所述可知，选择一点并联接地方式是最恰当的方式。

2．5噪声及抗干扰

2.5.1 噪声

最广泛的意义层面，可将噪声理解为对有用信号造成不同程度干扰的因素。噪声很大程度受到检测电平的影响，基于此，需要加强对噪声控制的问题。

干扰是外界因素对放大电路中各部分的影响所造成的。通常情况下，干扰通常来源于外部电磁场，由于接电线设置缺乏合理性以及电源存在一定程度的交流纹波等情况导致，也可以视为当放大电路输入端信号压力为0的时候，交流干扰电压极有可能出现。

2.5.2 抗干扰

目前应用比较广泛的抗干扰技术大致分为三种类型，一是对噪声源进行抑制，二是消除或切断干扰噪声的耦合途径，三是对敏感的检测电路采取抗干扰措施。此外，在放大电路中除了抑制外部干扰源的影响外，还要考虑放大电路本身布线不合理产生的干扰，甚至产生自激振荡。一般用频率补偿技术来消除自激荡。

第3章 电路仿真及PCB板的设计

使用软件进行仿真在电子电路设计中是不可或缺的一步，对实际功能进行仿真，这对我们最后的实物有先一步参考，改正的作用。本课题使用了如下软件进行设计、仿真等一系列工作：Altium Designer、Proteus、Multisim.

3.1 系统框图及原理总图

锁相环的显著特征为锁定频率、调制频率、载波跟踪等，特别是集成锁相环技术的诞生，极大推动该技术的应用范围。将锁相环加入调频发射系统中能够有效解决当前存在的信号同步问题，此外，通过锁相环设计不会对相位突变造成过大影响，能够确保信号的同步性，从而保证信号输出的稳定性。该系统搭载了锁相环74HC4046，该锁相环由飞利浦研发，其中的芯片是目前广泛使用的CMOS锁相环集成电路，其整体功率损耗较小，当电源达到4.5V时，就能够实现上限频率为17赫兹。通常情况下，锁相环往往只能达到1赫兹，由此对比不难发现其优势较为明显。本次研究选择锁相环74HC4046锁相环设计展开研究。

锁相环调频发射接收系统框图如图3-1，3-2所示。

原理图如图3-3所示，使用Altium Designer20进行绘制。前后的调整电路主要是：放大器和加法器，采用LM324。前面调制电路用压控振荡器接法，后面的解调电路用锁相环接法。4046的具体接法，通过查阅电路手册得知。

图3-3 原理总图

3.2各部分电路设计

3.2.1 输入电路设计

当输入信号为10赫兹时，其差分信号相对不强，此时需要通过放大才能实现调制的要求。本次设计选择LM324信号放大器进行输入电路，如图3-4所示。差分取样电压通过运放电路直流偏置电压将双极性差分信号转换为单极性零伏电压以上信号，运放为单电源5V供电，必须使用直流偏置进行匹配。反相放大器需要根据实际情况和电路设计要求设定倍数，输出信号通过电容耦合传导至锁相环路。

图3-4 前级输入

3.2.2 调制解调电路设计

锁相环路中的压控振荡器在收入信号中除了需要经过低通滤波器外，还存在不少叠加信号，此时可设定压控振荡器输出信号频率的中心为0，并根据调制信号幅度的不同而产生不同的变化的调频波信号，从中不难发现，调频电路能够通过锁相环技术达成。锁相环输出信号频率能够实现高效精准的输入信号频率的变化，环路锁定之后，此时的可设定输入信号和输出信号的稳态相位差在规定的范围中，此时输出信号频率会根据输入信号频率的不同而产生改变，这种现象通常称为跟踪特性。本次研究也选择锁相环跟踪技术进行输入信号的解调。

当输入一被10KHz信号调制的（中心频率与4046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输入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10KHz信号了。这时仅由R和C确定VCO的中心频率。无调频信号输入时，VCO工作在10KHz上。

3.2.3 变压器电路设计

通过变压器隔离的方式滤除大部分干扰噪声，通过设置匹配电阻实现信号最优化传输，前级后级电路GND完全隔离，且使用各自的GND网络。且使用现成的隔离电源。

图3-7变压器隔离电路图

3.2.4 输出电路设计

输出采用二阶SK低通滤波电路加可变增益电路。如图3-8所示。可变增益电路通过调节电位器调节电路输出电压。

图3-8

3.3 局部关键电路仿真

3.3.1 前级运放仿真

设置差分信号源相位差为180度，幅度为200mVPP。经过差分放大器放大后，理论计算为400mVPP，仿真结果为VMAX=201mVPP，VMIN=-197mVPP，当后级电路加入直流偏置2V，仿真结果为VMAX=2200，VMIN=1800，

理论上VMAX=2000+201=2201mVPP，VMIN=2000-197=1803mVPP，与仿真一致。

图3-9 输入差分信号波形

图3-10 直流偏置电压

第一级差分电压为黄色波形所示，第二级加入直流偏置电路后的放大波形为蓝色。见图3-11

图3-11

3.3.2 后级输出仿真

低通滤波电路截止频率设置为20kHz，仿真结果为-3.016dB，与理论-3dB一致，误差较小。截止频率计算公式为

低通滤波器波特图如下图3-12所示。后面又添加了一个电位器调节放大量。低通滤波电路输出波形图为黄色，可变增益电路波形图为蓝色。如图3-13所示。

图3-12

图3-13

3.4 电路PCB板设计

绘制的此隔离放大电路的PCB板如图3-14所示。是用AD20所绘制的原理图生成的。其中遇到了丝印和硬件错位的问题，解决的办法是把所有的芯片换上正确的封装。

图3-14

第四章展望

课题针对信号采集中的电器隔离问题提出，采用频率调制解调、变压器隔离传输的方式实现隔离放大。包括前端差动输入、频率调制、隔离变压器制作、解调、增益调整等环节。制作完成后，可提供一种低成本

、高隔离度的放大器。它的研究将推动隔离放大器的研究发展，使隔离放大器在信号调制解调领域做出贡献，也是促进相关研究全面发展的关键推动力，希望为这方面的研究贡献微薄之力。

基于压控振荡器和锁相环技术的隔离放大器设计

价格 ¥9.90 发布时间 2022年11月3日

下载查看全文内容

已付费？登录 或 刷新