学习与制作锁相环电路

fdywa

楼主之前发过一个150MHz螺旋滤波器的制作，学习制作了一个螺旋滤波器。 http://www.crystalradio.cn/forum ... ead&tid=1969663 主要是为了完成下图这个频谱仪电路：

0-100MHz频谱仪电路

为了做完这个频谱仪，开始制作其中的VCO，150-250MHz第一本振。然而根据上图搭建起来的电路发现怎么调都调不到要求的范围，基本是150-230MHz，而且波形不够纯净，无法形成100MHz的调节范围。最后采用vackar电路作为振荡源，变容二极管调节范围为-15V至+15V。

vackar VCO

        上述vackar振荡器经过多次修改，最终使调节范围达到130MHz~280MHz，完全满足要求。但调试过程中发现电路漂移严重，严重时候1~2MHz/分钟，作为频率源并不好用。

        于是想通过锁相环电路稳定频率。搜索网络资料，对于锁相环基本都停留在原理介绍与公式推导，而且不够全面，实际制作与展示寥寥无几，这种情况作为初学者潜意识会认为锁相环电路比较高深，较难实现。在搜索与学习了一段时间后，我从张肃文的《高频电子线路》与《锁相环(PLL)电路设计与应用》这两本书中获得了完整的锁相环电路原理推导与电路搭建。

        下图是我最终搭建的锁相环电路。主要用了四个芯片：预分频器MC12026，分频器74HC4040，鉴相器MC4044，环路滤波器放大器NE5532。

锁相环控制电路

        MC12026将VCO射频先进行16分频，然后74HC4040再进行128分频后形成方波。分频后的方波与参考方波信号在MC4044中进行鉴相，鉴相输出的D和U直接送入由NE5532构成的有源差分滤波器中，其输出电压返回VCO控制电压。由于我的VCO调节电源为-15V~+15V，所以必须使用差分放大滤波，否则调节电压量程不够。

        锁相环最重要的是环路滤波器参数的计算。我这里采用的是MC4044规格书中所述方法进行，并将其做成excel方便计算。VCO的电源-频率关系通过手动调节和记录，如下图所示。红色曲线是多项式拟合结果，便于在excel中插值计算。

VCO电源-频率曲线

        环路滤波器的计算过程可参考MC4044技术规格书。我在excel中的计算过程如下，重点是R2、C、Cc值的计算，R1需首先自行设定。

        由于MC4044规格书中鉴相器+电荷泵的增益是以（2.25V-0.75V）/4pi计算的，这个是用于单端输出的，没法用在我的电路，下图是鉴相器经过电荷泵后PD和PU两个针脚的波形。

MC4044电荷泵输出波形

当不使用它的电荷泵时，我采用（5V-0V）/4pi计算鉴相器增益。

环路滤波器RC参数计算

        最终电路如下图所示。

左边VCO，右边锁相环

        左边为VCO，右边是锁相环控制电路。该电路首次上电就锁定成功。通过改变参考频率，VCO在140MHz-280MHz之间稳定锁定，并且长时运行无漂移。锁相环动态响应也还可以。由于现在阳了 ，处于隔离，没有更多的图可以展示。

        其他的改进并没有多少，VCO的相位噪声比自由振荡时候要好一点，但我也没有详细测试。

        后面对VCO的频率控制肯定不能通过改变参考信号的方式进行，而是通过将74HC4040替换为可编程分频器，弄个STM32之类的控制下，做成步进式的频率调节。
        
           总的来说，尝试做了一个以往不敢想象的电路，虽然仍有各种问题，但还是学到了很多。

李友明

老师这个可以控制高频头不？

starxi

恭喜！终于有人做这个电路了，加上这个电路配合示波器即成带跟踪源的频谱仪

ywmxyz

国内很少有人自已制作 频谱仪 , 这个需要一定的理论基础

starxi

频谱仪就是一台扫频式接收机，覆盖范围内的信号强度以频谱线高低形式显示出来，这个电路算是基本的模拟式频谱仪框架，0-100MHz信号输入信号与150-250MHz混频得到150MHz中频，放大解调后输出rssi信号强度指示送入示波器垂直接口，锯齿波振荡器输出送到示波器水平接口，这样随着扫宽设定电位器即可显示0-100MHz某一点频谱。在这个基础上，增加一个150M固定振荡器，150-250输出放大分出一路跟150M平衡混频后放大、匹配阻抗、通过可变衰减器，校准强度，即得0-100M跟踪源，可以用于测量0-100M四端网络的幅频特性。

JHXC

支持楼主采用早期的芯片实现锁相稳频，作为学习是很重要的。

现在一块芯片就能实现，对频率的控制也不是手动，在软件的帮助下，可实现高稳定度、高精度、高分辨率的频率控制。使用者只要会编程，就能实现精确的扫频，这类芯片太多了！常见的ADF4351、HMC830、MAX2471、SI4432........。许多无线收发芯片内部就集成了锁相环电路作为内部的振荡器。如果要制作频谱仪的话，没有必要停留在老的电路方案上，直接用无线收发器，就能弄出性能优良的产品来。

频谱仪的原理不复杂，就是一个多级变频、末级中频带宽可变、频率覆盖超宽的接收机。其中需要频率稳定、覆盖宽阔的振荡器；再就是混频器、滤波器、.....。早期的频谱仪基本上采用YIG振荡器，这种振荡器的控制线性好、频谱纯净、稳定性较好，但是频率较高，一般都在微波波段，虽然有许多优点，但是随着频率分辨率的要求增高，这种振荡器也无法满足，最后还得依赖锁相技术来稳频。以后一些廉价的频谱仪，采用了压控振荡器，如果不进行锁相稳频，指标无法超过YIG振荡器。到今天频率合成技术的发展，现代的仪器都采用了频率合成电路，频率的稳定或精确控制才得以实现，一般的频谱仪要分辨1个HZ很普遍。

国外的爱好者，充分利用成熟的无线收发器芯片，用非常简单的电路就能实现。比方说淘宝正在流行的tinySA频谱仪，比起楼主题头的电路要简单，指标高的多！所以，如果楼主要进行此类实践，不妨参考一下。这个方案振荡器是片内的、中频滤波器采用的声表面滤波器（这类滤波器是现成的，插损小、体积小，）比起腔体滤波器、微带滤波器、LC滤波器要方便的多，DSP滤波器......

fdywa

感谢各位大佬指导！ 楼主是以学习模电最基础的技术的角度出发，想通过一个完整功能电路的制作进行学习，所以尽量不用集成解决方案，能用最原始的元件搭建最好。

这个过程中我对原电路的模块均进行了复现，并根据结果加上自己理解，对原电路进行改进。 期间也是大量翻阅资料和计算，算是提高自己对模拟电路的理解。当然现在模拟电路用的地方也很局限。

后面要做的就是VCO射频均幅和滤波，由于VCO在频率范围内信号强度并不相同，这就使得被测信号测不准。我将MAR-6射频放大芯片换成由三极管组成的带AGC放大模块。 还有这个VCO谐波分量很大，再串入一个低通滤波器。

SA605D的第二本振139MHz LC振荡器，我改成140MHz有源晶振，第三本振采用10MHz的多级晶振窄带滤波。