本文分享了我参与通信电子线路课程设计——锁相环的测量与应用中，一些较为关键且特别的经验。文章定位为关键心得分享，因此对较为基础的知识不再重复赘述。

任务描述

本次课设是数字电路调试难度+模拟电路连线工作量，因此课程任务本身较为容易，按部就班连线并逐级调试即可。课设成绩的关键在于调参提高频率锁定的范围后，对稳定度和精确度进行追求，并对电路进行可能的创新性改进——这也是本文的中心。

核心原理


锁相环路通过对比输入输出信号相位差来完成频率的锁定 。

优化思路

电源滤波

本电路信号频率在百千赫兹至兆赫兹数量级，因此可以使用100nF电容对模拟/数字芯片作电源滤波，以提高系统稳定性

器件选型

本电路中外部环路滤波器的阻容及CD4046充放电电容对信号系统稳定性影响较大，可以在这些关键区域选择金属膜电阻和独石电容这一类性能较好的直插器件来替换掉性能稍逊的碳膜电阻和陶瓷电容，提高系统稳定性。

巧妙的“锁定”观测方案

CD4046提供了锁定提示脚——在锁定下输出高电平,反之输出低电平。就本题需求而言，可以将该脚的输出视为PWM(脉冲宽度调制)波。

而在一个惯性系统 中，PWM的占空比变化将影响平均功率，生活中常用此原理来实现灯的亮度和电机转速等控制。

显然，我们可以通过灯来巧妙直观的观测这一锁定提示信号，但单纯通过亮度上的变化来反映PWM波的占空比仍然不太直观，因此我们可以采用如下方案：

使用一颗共阴极/共阳极三引脚双色LED灯(推荐使用颜色色差较大的)。我使用的是红蓝双色灯，其可在“锁定”时显暖红色、“失锁”时显冷蓝色，并能利用灯自身的显色惯性，在芯片介于完全锁定和失锁之间时，对芯片输出的类PWM波形进行十分方便的观测：其颜色变化自大红色到粉色、到紫色、再到蓝紫色，最后变为亮蓝色。双色灯颜色的变化直观反映了系统的锁定状态，是一种十分推荐的巧妙检测方法！ 。值得一提的是，正是这种巧妙的检测方法，使得我发现了频率计探针的接入能对锁相环路稳定性进行较大的影响(后文将提到)，并给出了针对性的有效改进。

自锁开关

由于题目需要对分频数N进行频繁的调整，来对系统进行宽频范围的测试。采用跳线的方案显然不太便利和可靠，而按键开关要求持续的按下来改变电平，同样不适合任务需求。

推荐使用自锁开关，其特点为点按一次后按下，再点按一次后弹起。配置12颗自锁开关，并同时配置12颗LED灯来表征开关状态(因为在俯视调试过程中，按键按下/弹起的视觉差异不明显，我们需要的是高效的交互，而灯与自锁开关的搭配可以十分完美的实现这个要求！)。

避免测量对系统的影响

在调试中发现，当频率计的探针接入CD4046的4脚时，原本显示为红色(表示锁定)的双色灯会变为粉色(轻微失锁)，疑似频率计中的高频ADC采样对系统造成影响所致。

为了在获取频率的同时维持系统的极高稳定性，可采用电压跟随器对系统进行隔离。

然而，要满足本课设单电源、宽带、轨至轨的要求，采用运放来实现要求过于严苛。但考虑到信号本身类数字时钟型号(对信号波形要求较低)，因此可以使用电压比较器来代替运放构成的电压跟随器电路。

本系统采用德州仪器TLV3501比较器来采集4脚，完成了数字频率计ADC和锁相环路的隔离，因此极大的提高了系统稳定性。

系统实物图

详细资料

以上仅为对课设中关键心得的分享，更为详细的课设资料均已开源，点此获取。