畢業(yè)論文基于鎖相環(huán)路的調(diào)頻鑒頻器.doc

電蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院2005年05月30日畢業(yè)設(shè)計（論文） 2005 屆課題名稱： 基于鎖相環(huán)路的調(diào)頻鑒頻器 專業(yè)名稱： 工業(yè)電子 姓 名： 周培培 學(xué) 號： 200200100 班 級： 電子02305 指導(dǎo)教師： 李紅益 蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書系部： 電子工程系 設(shè)計（論文）題目：基于鎖相環(huán)路的調(diào)頻鑒頻器指導(dǎo)教師：李紅益職稱：工程師類別：畢業(yè)設(shè)計學(xué) 生：周培培專業(yè)：工業(yè)電子班級：電子023051、設(shè)計（論文）的主要任務(wù)及目標(biāo)介紹鎖相環(huán)路、CD4046的工作原理和調(diào)頻鑒頻電路；完成一篇5000字左右的設(shè)計報告。2、設(shè)計（論文）的主要內(nèi)容（1）、鎖相環(huán)路、調(diào)頻、鑒頻的工作原理。（2）、鎖相環(huán)路、調(diào)頻、鑒頻的電路圖。（3）、CD4046的功能引腳、內(nèi)部電原理框圖。3、主要參考文獻【1】陳邦媛：射頻通信電路，科學(xué)出版社【2】高吉祥：高頻電子線路，電子工業(yè)出版社【3】申功邁 鈕文良：高頻電子線路，西安電子科技大學(xué)出版社4、進度安排設(shè)計（論文）各階段任務(wù)起止日期1資料收集、課題選擇 3.15以前2方案設(shè)計、模塊規(guī)劃3.154.103原理圖設(shè)計、PCB制作4.104.304論文書寫、修改5.016.015思路總結(jié)、答辯準(zhǔn)備 6.016.10- 2 -蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）摘要 鎖相環(huán)路是一個閉環(huán)的自動相位控制系統(tǒng)。它在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。這次畢業(yè)設(shè)計我介紹了調(diào)頻、鑒頻電路，鎖相環(huán)電路，常用的4046芯片。 在這篇文章中我主要分析了鎖相調(diào)頻電路和鎖相鑒頻電路，這兩個電路都用了4046這個芯片，文章中我也仔細(xì)的介紹了4046的引腳和內(nèi)部原理框圖。關(guān)鍵詞：鎖相環(huán) 調(diào)頻 鑒頻 CD4046蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）目錄一、引言1二、調(diào)頻、鑒頻的原理 1（一）調(diào)頻原理 1（二）鑒頻原理 2三、鎖相環(huán)電路 2 （一）鎖相環(huán)路主要特點2 （二）鎖相環(huán)路的跟蹤特性3 （三）鎖相環(huán)路的工作原理 3 （四）鎖相環(huán)路的基本特性 3四、CD4046的工作原理 3 （一）引腳功能 3 （二）CD4046內(nèi)部電原理框圖 4五、鎖相調(diào)頻、鑒頻電路 6（一）鎖相調(diào)頻電路 6（二）鎖相鑒頻電路 7結(jié)束語 8參考文獻 9蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）一、引言鎖相環(huán)路（PLL）和AGC、AFC電路一樣，也是一種反饋控制電路。它是一種相位誤差控制系統(tǒng)，是將考信號與輸出信號之間是相位進行比較，產(chǎn)生相位誤差電壓來調(diào)整輸出信號的相位，以達到同頻的狀態(tài)下。兩個信號之間的穩(wěn)定相差亦可做得很小。鎖相環(huán)路早期應(yīng)用于電視接收機的同步系統(tǒng)，使電視圖象的同步性能得到了很大的改善。20世紀(jì)50年代后期，隨著空間技術(shù)的發(fā)展，鎖相技術(shù)用于接收來自空間的微弱信號，顯示了很大的優(yōu)越性，它能把深埋在噪聲中的信號（噪聲比約-10-30dB）提取出來。因此，鎖相環(huán)路技術(shù)得到迅速發(fā)展。到了60年代中、后期，隨著微電字技術(shù)的發(fā)展，集成鎖相環(huán)路也應(yīng)運而生，因此，其應(yīng)用范圍越來越寬，在雷達、制導(dǎo)、導(dǎo)航、遙控、遙測、通信、儀器、測量、計算機乃至一般工業(yè)都有不同程度的應(yīng)用，遍及整個電子技術(shù)領(lǐng)域，而且正朝著多用途，集成化，系列化，高性能的方向進一步發(fā)展。鎖相環(huán)路可分為模擬鎖相環(huán)與數(shù)字鎖相環(huán)。模擬鎖相環(huán)的顯著特征里相位比較器（鑒相器）輸出的誤差信號是連續(xù)的，對環(huán)路輸出信號的相位調(diào)節(jié)是連續(xù)的，而不是離散的。二、調(diào)頻、鑒頻的原理（一）調(diào)頻原理 調(diào)頻的實現(xiàn)有兩種方法：直接調(diào)頻和間接調(diào)頻。直接調(diào)頻是用調(diào)制信號直接控制主振蕩回路元件的參考量L或C，使主振蕩頻率受到控制，并接調(diào)制信號的規(guī)律變化，直接調(diào)頻電路簡單，頻偏較大，但中心頻率不易穩(wěn)定。間接調(diào)頻是先將調(diào)制信號積分，然后對載波進行調(diào)相，從而得到調(diào)頻信號。間接調(diào)頻電路的核心是調(diào)相，因此，在調(diào)制時可以部長主振蕩電路中進行，易于保持中心頻率的穩(wěn)定，但不易獲得大的頻偏。調(diào)頻電路的主要要求如下：1、調(diào)制特性為線性調(diào)頻撥的頻率偏移與調(diào)制電壓的關(guān)系稱為調(diào)制特性。在一定的調(diào)制電壓范圍內(nèi)，盡量提高調(diào)頻電路調(diào)制特性線性度。這樣才能保證不失真地傳輸信息。2、調(diào)制靈敏度要高單位調(diào)制電壓變化所產(chǎn)生的頻率偏移為調(diào)制靈敏度。提高靈敏度可提高調(diào)制信號的控制作用。但過高的靈敏度會對調(diào)頻電路性能帶來不利影響。3、中心頻率的穩(wěn)定度要高調(diào)頻波的中心頻率就是載波頻率。為了保證接收機能正常接收調(diào)頻信號。要求調(diào)頻電路中心頻率要有足夠的穩(wěn)定度。4、最大頻偏在正常調(diào)制電壓作用下，所能達到的最大頻率偏移稱為最大頻偏fm，這是根據(jù)對調(diào)頻指數(shù)mf的要求確定的要求其數(shù)值在整個調(diào)制信號所占有的頻帶內(nèi)保持恒定。不同的調(diào)頻系統(tǒng)要求有不同的最大頻偏值fm。 調(diào)頻的優(yōu)點是容易得到較大頻偏，缺點是頻率穩(wěn)定度不高，易產(chǎn)生調(diào)頻失真。間接調(diào)頻的優(yōu)點是產(chǎn)生振蕩過程與調(diào)制過程分開，可利用中心頻率高度穩(wěn)定的晶振，調(diào)制失真較小，間接調(diào)頻的主要問題是如何實現(xiàn)調(diào)相。（二）鑒頻原理調(diào)頻波的解調(diào)稱為鑒頻。在調(diào)頻波中，調(diào)制信息包含在已調(diào)信息瞬時頻率的變化中。因此，鑒頻就是把已調(diào)信號瞬時頻率的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化。鑒頻特性曲線描述輸出電壓U0與輸入信號頻率f之間的關(guān)系。鑒頻電路的主要性能指標(biāo)：1、鑒頻靈敏度SD：指在調(diào)頻波的中心頻率fc附近，單位頻偏所產(chǎn)生是輸出電壓的大小，即SD=u0/f。2、線性范圍（帶寬）：指鑒頻特性近似為直線的范圍，它表明鑒頻器不失真解調(diào)時所允許的最大頻率變化范圍。3、非線性失真：在線性范圍內(nèi)鑒頻特性只是近似線性，實際上仍存在著非線性失真。希望非線性失真盡量小。三、鎖相環(huán)電路鎖相環(huán)路也是一種可以實現(xiàn)頻率跟蹤的自動控制電路，是通過對相位的控制來實現(xiàn)對頻率的控制，可以實現(xiàn)無誤差的頻率跟蹤。鎖相技術(shù)是一種相位負(fù)反饋控制技術(shù)，鎖相環(huán)電路具有極其優(yōu)良的性能。（一）鎖相環(huán)路主要特點1、鎖定時無剩余頻差。2、具有良好的窄帶載波跟蹤性能。3、具有良好的寬帶調(diào)制跟蹤性能。鎖相技術(shù)是一種相位負(fù)反饋技術(shù)，它是通過比較輸入信號和壓控震蕩器的輸出信號的相位，取出與這兩個信號的相位差成正比的電壓作為誤差電壓來控制振蕩器的頻率，達到使其與輸入信號頻率相等的目的。鎖相的意義是相位同步的自動控制，能夠完成兩個電信號相位同步的自動控制閉環(huán)系統(tǒng)叫做鎖相環(huán)，簡稱PLL。它廣泛應(yīng)用于廣播通信、頻率合成、自動控制及時鐘同步等技術(shù)領(lǐng)域。鎖相環(huán)主要由相位比較器（PC）、壓控振蕩器（VCO）、低通濾波器三部分組成，見圖3.1。圖3.1 鎖相環(huán)電路框圖（二）鎖相環(huán)路的跟蹤特性當(dāng)環(huán)路鎖定后，如果輸入信號頻率W，或VCO振蕩頻率W0跟蹤W0跟蹤W1而變化，維持W0=W1的鎖定狀態(tài)，這個過程稱為跟蹤過程或同步過程。相對的，能夠維持環(huán)路鎖定所允許的最大固有頻差|W1|；稱為鎖相環(huán)路的同步帶或跟蹤帶，用WH表示。由于環(huán)路鎖定后，W1或W0的變化也同樣引起鑒相器的兩個輸入信號相位差的變化，因此，跟蹤的基本原理與捕捉是類似的。但是，在環(huán)路鎖定的情況下，緩慢的增大最大固有頻差|W1|（例如改變Wi），會使鑒相器輸出的誤差電壓Ud（t）產(chǎn)生緩慢變化，這時，環(huán)路濾波器對Ud（t）的衰減很小，加到VCO的控制電壓Uc（t）幾乎等于Ud（t），從而使跟蹤過程中環(huán)路的控制能力增強。因為在捕捉過程中的控制能力較差。因此，由于環(huán)路濾波器的存在，使鎖相環(huán)路的捕捉帶小于同步帶。不難理解，Ad和AO越大，環(huán)路濾波器直流增益就越大（或通頻帶越寬），環(huán)路的同步帶WH也就越大。同樣的，同步帶還與VCO的頻率控制范圍有關(guān)，只有當(dāng)VCO的頻率控制范圍較大時，這時WH的影響才可忽略，否則將WH減小。（三）鎖相環(huán)路的工作原理由于鎖相環(huán)路能夠自動控制相位，即利用輸入信號與壓控震蕩器的輸出信號的相位誤差來減少相位的誤差，最后達到相位縮定的目的。當(dāng)相位鎖定，即兩個信號間的相位差為固定值時，必有兩者間的頻率相等。所以，鎖相環(huán)只存在剩余相差，沒有剩余頻差。（四）鎖相環(huán)路的基本特性（1）鎖定后沒有頻差：在沒有干擾和輸入信號頻率不變的情況下，環(huán)路一經(jīng)鎖定，環(huán)路的輸出信號頻率與輸入信號頻率相等，沒有剩余頻差，只有不大的固定相差。（2）有自動跟蹤特性：鎖相環(huán)路在鎖定時，輸出信號頻率能在一定范圍內(nèi)跟蹤輸入信號頻率。（3）有良好的窄帶特性：鎖相環(huán)路相當(dāng)于一個高頻窄帶濾波器，他不但能夠濾除噪聲和干擾，而且能跟蹤輸入信號的載頻變化，從受噪聲污染的未調(diào)和已調(diào)的輸入信號中提取純凈的載波。四、CD4046的工作原理CD4046為CMOS單片集成鎖相環(huán)的電路。它內(nèi)部由線性壓控振蕩器（VCO）、相位比較器及其他輔助電路組成?？捎糜陬l率合成器、鑒頻器、FM或FSK調(diào)制與解調(diào)器、數(shù)據(jù)傳輸位同不會法語載波提取及電壓頻率變換等設(shè)備。（一）引腳功能1腳相位輸出端，環(huán)路人鎖時為高電平，環(huán)路失鎖時為低電平。PD03-相位比較器2輸出的相位差信號，也為上升沿控制邏輯。2腳相位比較器的輸出端。PD01-相位比較器1輸出的相位差信號，它采用異或門結(jié)構(gòu)，即鑒相特性為PD01=PDI1+PDI2。3腳比較信號輸入端。PDI2-兩個相位比較器輸入信號，通常PDI2為來自VCO的參考信號。4腳壓控振蕩器輸出端。5腳禁止端，高電平時禁止，低電平時允許壓控振蕩器工作。INH-控制信號輸入，若INT=L，允許VCO工作和源極跟隨器輸出；若INH=H，則相反，電路處于微功耗狀態(tài)。6、7腳外接振蕩電容。C1-接于67端的電容，控制VCO的振蕩頻率。8、16腳電源的負(fù)端和正端。Vcc-正電源，通常選5V或10V、15V。9腳壓控振蕩器的控制端。在鎖相環(huán)電路中，通常VCO1來自相位差低通濾波輸出，以平均電壓控制VCO的振蕩頻率。其輸出直接（或經(jīng)分頻）作為參考信號加到相位比較器。10腳解調(diào)輸出端，用于FM解調(diào)。SF0源極跟隨器輸出。11、12腳外接振蕩電阻。R1、R2-外接電阻至地，分別控制VCO的最高和最低振蕩頻率13腳相位比較器的輸出端。PD02-相位比較器2輸出的三態(tài)相位差信號，它采用PDI1，PDI2上升沿控制邏輯。14腳信號輸入端。PDI1輸入允許將0.1V左右的小信號或方波經(jīng)內(nèi)部放大整形電路，送至相位比較器。15腳內(nèi)部獨立的齊納穩(wěn)壓管負(fù)極。其穩(wěn)壓值V=58V，若與TTL電路匹配時，可作輔助電源。（二）CD4046內(nèi)部電原理框圖下圖4.1是CD4046內(nèi)部電原理框圖，主要由相位比較、壓控振蕩器（VCO）、線性放大器、源跟隨器、整形電路等部分構(gòu)成。比較器采用異或門結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩個輸人端信號Ui、Uo的電平狀態(tài)相異時（即一個高電平，一個為低電平），輸出端信號U為高電平；反之，Ui、Uo電平狀態(tài)相同時（即兩個均為高，或均為低電平），U輸出為低電平。當(dāng)Ui、Uo的相位差在0-180范圍內(nèi)變化時，U的脈沖寬度m亦隨之改變，即占空比亦在改變。從比較器的輸入和輸出信號的波形（如圖4.2所示）可知，其輸出信號的頻率等于輸入信號頻率的兩倍，并且與兩個輸入信號之間的中心頻率保持90相移。從圖中還可知，fout不一定是對稱波形。對相位比較器，它要求Ui、Uo的占空比均為50（即方波），這樣才能使鎖定范圍為最大。相位比較器是一個由信號的上升沿控制的數(shù)字存儲網(wǎng)絡(luò)。它對輸入信號占空比的要求不高，允許輸入非對稱波形，它具有很寬的捕捉頻率范圍，而且不會鎖定在輸入信號的諧波。它提供數(shù)字誤差信號和鎖定信號（相位脈沖）兩種輸出，當(dāng)達到鎖定時，在相位比較器的兩個輸人信號之間保持0相移。 對相位比較器而言，當(dāng)14腳的輸入信號比3腳的比較信號頻率低時，輸出為邏輯“0”；反之則輸出邏輯“1”。如果兩信號的頻率相同而相位不同，當(dāng)輸人信號的相位滯后于比較信號時，相位比較器輸出的為正脈沖，當(dāng)相位超前時則輸出為負(fù)脈沖。在這兩種情況下，從1腳都有與上述正、負(fù)脈沖寬度相同的負(fù)脈沖產(chǎn)生。從相位比較器輸出的正、負(fù)脈沖的寬度均等于兩個輸入脈沖上升沿之間的相位差。而當(dāng)兩個輸入脈沖的頻率和相位均相同時，相位比較器的輸出為高阻態(tài)，則1腳輸出高電平。上述波形如圖4.3所示。由此可見，從1腳輸出信號是負(fù)脈沖還是固定高電平就可以判斷兩個輸入信號的情況了。圖4.1 CD4046內(nèi)部電原理框圖圖4.2 圖4.3 CD4046工作原理如下：輸入信號 Ui從14腳輸入后，經(jīng)放大器A1進行放大、整形后加到相位比較器、的輸入端，圖3開關(guān)K撥至2腳，則比較器將從3腳輸入的比較信號Uo與輸入信號Ui作相位比較，從相位比較器輸出的誤差電壓U則反映出兩者的相位差。U經(jīng)R3、R4及C2濾波后得到一控制電壓Ud加至壓控振蕩器VCO的輸入端9腳，調(diào)整VCO的振蕩頻率f2，使f2迅速逼近信號頻率f1。VCO的輸出又經(jīng)除法器再進入相位比較器，繼續(xù)與Ui進行相位比較，最后使得f2f1，兩者的相位差為一定值，實現(xiàn)了相位鎖定。若開關(guān)K撥至13腳，則相位比較器工作，過程與上述相同。 五、鎖相調(diào)頻、鑒頻電路（一）鎖相調(diào)頻電路鎖相調(diào)頻電路能夠得到中心頻率穩(wěn)定度很高的調(diào)頻信號，其原理圖如圖5.1所示。實現(xiàn)鎖相調(diào)頻的條件是，調(diào)制信號的頻譜要處于通濾波器通帶之外，并且調(diào)制指數(shù)不能太大。這樣，調(diào)制信號不能通過低通濾波器，因而，在環(huán)路內(nèi)不能形成交流反饋，調(diào)制頻率對環(huán)路無影響，鎖相環(huán)路只對VCO平均中心頻率不穩(wěn)定所引起的分量（處于低通濾波器通帶之內(nèi)）起作用，使中心頻率鎖定在晶振頻率上。因此，輸出調(diào)頻波的中心頻率穩(wěn)定度很高，這樣，鎖相調(diào)頻能克服直接調(diào)頻中心頻率穩(wěn)定度不高的缺點，這種鎖相環(huán)路叫載波跟蹤型PLL。 調(diào)制信號晶體振蕩器鑒相器環(huán)路濾波器壓控振蕩器圖5.1 鎖相調(diào)頻原理框架圖在普通的直接調(diào)頻電路中，振蕩器的中心頻率穩(wěn)定度較差，而鎖相調(diào)頻電路能夠得到中心頻率穩(wěn)定度很高的調(diào)頻信號，實際應(yīng)用電路如圖5.2所示。圖5.2 鎖相調(diào)頻電路晶振接至CC4046的14腳，調(diào)制信號從9腳加入，調(diào)頻波中心頻率鎖定在晶振頻率上，在3與4腳的連接端得到調(diào)頻信號輸出。VCO的頻率可用100K 多圈電位器調(diào)節(jié)。(二)鎖相鑒頻電路調(diào)頻波鎖相解調(diào)電路可以與調(diào)頻負(fù)反饋解調(diào)電路媲美。它的門限電平比普通鑒頻器低，其電路組成如圖5.3所示。當(dāng)輸入為調(diào)頻波時，如果將環(huán)路濾波器的帶寬設(shè)計得足夠?qū)?，能使鑒相器的輸出電壓順利通過，則VCO就能跟蹤輸入調(diào)頻波中反映調(diào)制規(guī)律變化的瞬時頻率，即VCO的輸出是一個具有相同調(diào)制規(guī)律的調(diào)頻波，顯然這時環(huán)路濾波器輸出的控制電壓就是所需的調(diào)頻波解調(diào)電壓，這種電路就是調(diào)制跟蹤型鎖相環(huán)。 輸出解調(diào)信號壓控振蕩器環(huán)路濾波器鑒相器調(diào)頻波輸入圖5.3 鎖相鑒頻原理