利用锁相环生成正交参考信号

记得在几年前我还在读书时，第一次用到了锁相放大器。那时就觉得锁相放大器设计的巧妙，一直想能够自己DIY一台来玩玩。中间也有过些自己的设计想法，但总觉得不够理想，因此也就一直没有真正动手。其中如何利用输入的外部参考信号生成一对正交的内部参考信号就是其中难点之一。对此我一直都没有很好的解决方案。

最近在看远坂俊昭写的《测量电子电路设计——模拟篇》，书中刚好给出了一个利用锁相环的解决方案。仔细研究起来设计的的确巧妙。不禁手痒了起来，花了些时间对书上的电路略加改进，绘制了PCB 图找了厂家做了几块板子。

 

电路的功能框图如图1 所示。我做的改进很小，只是将鉴相器和VCO这两部分功能放在了两片74HC4046 上。这样安排的目的很简单，就是尽量减少VCO输出对鉴相器的干扰。实际上，只有当VCO输出频率较高时这样做的优势才能体现出来。

图 1 整体功能框图

波形整形电路部分的原理图如图2。设计的精彩的地方在于R5、R6、R7、VR1 的使用，这里LM311 构成了施密特触发器，目的是为了消除输入参考信号中噪声的影响。利用VR1可以精细的调整LM311输出的下降沿的位置。调整的真的是很精细，足见这几个电阻阻值的选择是花了心思的。

图 2 波形整形电路

鉴相器电路如图3所示。远坂俊昭设计的精彩之处在于滤波器的设计，尤其是这些电阻使用。这里的门道一句两句说不清楚，我准备专门找个时间写篇短文来说说这个电路。这里只想说一句，这片74HC4046 供电电压我用的是 5V，用作VCO的74HC4046 的供电电压是 6V。这样的设计保证的VCO的输入不会超过5V。因此，图4中的稳压二极管D1其实就不需要了。这点也可以算是个对原电路的小小的改进吧。

图 3 鉴相器电路

VCO 电路见图4。这部分功能相对简单，但是实际效果真的是震撼了我一下。我在实际电路中使用的是Ti 的74HC4046，按照这个芯片的典型外部电路连接，VCO 部分的输出频率范围大概只有10倍程。这里2SK30A、15K电阻 和 NE5532 构成的恒流源竟然将VCO的输出频率范围扩大到了超过100倍程！

图 4 VCO 电路

分频器与正交信号生成电路如图5所示，这一部分的设计中规中矩，属于比较常见的用法。这里就不多解释了。不明白的还是去读远坂俊昭书中给的说明吧。

图 5 分频器与正交信号生成电路

图 6 是最后做好后的照片，其中那条红线是根接地线，为了调试时方便而焊上的，调好后其实就没什么用了。外部参考信号从BNC插头处引入。共模扼流圈用的是市场上常见的小型扼流圈，电感量号称100uH，实际上有多大也没去测。不过画板子时给更大的扼流圈预留了位置。

图 6 实物照片

芯片、电阻、电容一类用的都是便宜货，总共也没花几个钱。做板子花的稍微多点，200元，也还能接受。电路调试需要万用表、双路稳压电源和示波器。前两样没几个钱，示波器还是有点贵，暂时还没舍得自己买台放家里。因此最后还是拿去单位用下班时间调试的。

 下面给几个示波器的截图。首先是4个输出通道的输出结果。因为4通道的示波器别人在用着，没办法，只能用双路示波器一个通道一个通道的来看了。不过，还是能很清晰的看出这四个信号相互之间90°的相位差。

下面这三幅图是为了展示这个电路可以在100倍程的频率范围内正常工作。VCO配套的电容我用的与书中的值有些区别，我这里用的是4.7nF（书中用的是47nF）。可以看到在300Hz到30KHz 如此之大的范围内都能够正常锁相，真的很强悍！

最后在给些我的实测结果。需要特别说明的是我用的4046是TI 的74HC4046，如果选用其他厂家的4046，结果与下面的有可能不同。

 

VCO 的配套电容 1nF，工作频率范围：600Hz — 130kHz

VCO 的配套电容 4.7nF，工作频率范围：300Hz — 30kHz

VCO 的配套电容 47nF，工作频率范围：50Hz — 3kHz

 

虽然这个电路可以在100倍程的频率范围内工作，不过靠近频率范围两端时的性能是否够好我不是很确定，所以保险起见还是应该尽量用中间的10倍程。