相位/脉宽转换式鉴相器优化

相位/脉宽鉴相器是利用数字部件构成的鉴相电路，这种电路既简单又便于使用，它可把输入端信号间的相位差转换成脉冲宽度。该脉宽既可利用低通滤波器将其变成模拟输出电压，构成模拟鉴相电路，也可直接通过数字电路将其变成数字量，组成相位/数字鉴相电路。相位/脉宽鉴相器要求输入信号和参考信号必须都是方波序列脉冲信号，若不是方波信号，则应首先采用过零检测电路或放大整形电路将它们变成方波信号。电路根据输入和参考信号过零点的时间来工作，其输出亦为脉冲信号，脉冲宽度与两个输入波形之间的过零时间差（相位差）成比例，而与波形的其他部分无关。相位/脉宽鉴相电路通常用门电路和触发器组成。

1.异或门鉴相器

异或门电路是指，当有两个输入信号时，在一个为1、另一个为0的情况下，输出为1，否则输出为0的电路，或者说，“异”者为1，“同”者为0。能完成这种功能的异或门集成电路有74LS86和CD4070B等，也可由4个与非门电路组成，如图3-30所示。

设V_R、V_i为两个同周期的对称方波信号。当瞬时相位差φ_e=0时，这两个信号之间具有π/2的初始固有相位移。这时异或门的输出电压Vφ为对称方波（占空比δ=50%），频率为输入信号的2倍。其波形如图3-31a所示，输出电压的平均值。

图3-30 异或门鉴相器

当瞬时相位差时，相当于在图3-31a的基础上，把V_i的波形向右移，使Vi与V_R波形的上升沿接近，异或门输出信号的占空比δ=50%～0，其平均值Vφ必为负，如图3-31b所示。当两个波形的上升沿对齐时，即V_i与V_R同相，瞬时相位差，δ=0，输出电压的平均值达到最大，。

当瞬时相位差时，相当于在图3-31a的基础上，把V_i的波形向左移，使V_i的上升沿与V_R波形的下降沿相接近，输出信号的占空比δ=50%～100%，其平均值Vφ为正值，如图3-31c所示。当V_i的上升沿与V_R的下降沿对齐时，瞬时相位差，占空比δ=100%，输出电压的平均值达到正的最大，即。

综上所述，异或门鉴相器的鉴相特性为三角形特性，如图3-31d所示。输出电压的平均值及线性范围分别为

图3-31 异或门鉴相器的波形及鉴相特性

式中，V_m为输出脉冲的幅值。

式（3-41）和式（3-42）表明，异或门鉴相器的线性范围较小，且要求两个输入信号的占空比δ必须为50%，即它们是等宽方波。

2.R-S触发器鉴相器

由触发器组成的鉴相器可由R-S触发器实现，也可由J-K触发器实现。图3-32为由与非门组成的R-S触发器鉴相器。

在图3-32中，由电阻R₁、R₂构成分压电路，使触发器的、端均为高电平，R₁、R₂又与电容C组成微分电路，由信号波形的下降沿产生负脉冲使电路翻转。

图3-32 R-S触发器鉴相器(www.zuozong.com)

根据R-S触发器的逻辑特性，可分别画出φ_e=0、φ_e＜0和φ_e＞0的输出信号的波形及鉴相特性，如图3-33所示。

图3-33 R-S触发器鉴相器的波形及鉴相特性

由图3-33可见，R-S触发器的鉴相特性为锯齿特性。输出电压的平均值及线性范围分别为

显然，R-S触发器鉴相器的线性范围比异或门鉴相器扩大了1倍，而且由于采用输入信号和参考信号的下降沿触发电路，故对输入信号和参考信号波形的占空比无特殊要求。但是，在这种方案中利用RC微分网络提取跳变触发信号，虽然简单，却易受干扰而产生误触发。

3.J-K触发器鉴相器

用两个J-K触发器组成的边沿触发型鉴相器如图3-34所示。

图3-34 J-K触发器鉴相器

该电路的特点是：由于F₁的输出Q₁和分别接F₂的J₂和K₂，所以F₂在CK₂端受下降沿触发后，建立的状态与F₁相同；F₂的输出Q₂和分别作为F₁的K₁和J₁的输入，所以F₁在CK₁端受下降沿触发后，建立的状态与F₂相反。根据上述特点，并考虑到F₁和F₂是下降沿触发的J-K触发器，就可分别画出当φ_e=0、φ_e＜0及φ_e＞0时Q₁和Q₂的输出波形以及经过与门后的输出脉冲波形和鉴相特性，如图3-35所示。

图3-35 J-K触发器鉴相器的波形及鉴相特性

由图3-35可见，J-K触发器鉴相器的鉴相特性亦为锯齿特性，输出电压平均值及鉴相线性范围分别为

0＜φ_e＜2π （3-46）

φ_e=0，2π，4π，…点是奇异点，其值不确定。所以J-K触发器鉴相器的有效鉴相范围为2π。它在整个相位差范围内都是线性的。由于取消了R-S触发器中的RC微分网络，所以提高了电路的抗干扰能力。