鎖相頻率合成電路設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 曠 海 蘭 工作單位： 題 目：鎖相頻率合成電路設(shè)計(jì)初始條件：具較扎實(shí)的電子電路的理論知識(shí)及較強(qiáng)的實(shí)踐能力；對(duì)電路器件的選型及電路形式的選擇有一定的了解；具備高頻電子電路的基本設(shè)計(jì)能力及基本調(diào)試能力；能夠正確使用實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行電路的調(diào)試與檢測(cè)。要求完成的主要任務(wù)：1. 集成電路構(gòu)成鎖相頻率合成電路；2. 額定電源電壓5.0v ，輸出頻率512khz1023 khz ；3. 通過跳線或撥碼開關(guān)設(shè)置頻率；4. 輸出頻率準(zhǔn)確度高；5. 完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告（應(yīng)包含電路圖，清單、調(diào)試及設(shè)計(jì)總結(jié)）。時(shí)間安排：12013年1月4日分班集中，布置課程設(shè)計(jì)任務(wù)、選題

2、；講解課設(shè)具體實(shí)施計(jì)劃與課程設(shè)計(jì)報(bào)告格式的要求；課設(shè)答疑事項(xiàng)。22013年1月5日 至2013年1月10日完成資料查閱、設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試；完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫。3. 2013年1月11日提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告，進(jìn)行課程設(shè)計(jì)驗(yàn)收和答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄摘 要iabstractii1、 緒言12、設(shè)計(jì)的主要基本原理22.1 鎖相環(huán)的構(gòu)成及基本原理22.1.1 鑒相器22.1.2 環(huán)路濾波器32.1.3 壓控振蕩器52.2 pll頻率合成器的原理53、總電路原理圖設(shè)計(jì)73.1 鎖相環(huán)集成電路cd404673.2 分頻計(jì)數(shù)器部分84、硬件安裝與調(diào)試105、

3、測(cè)試數(shù)據(jù)分析116、結(jié)束語137、參考文獻(xiàn)14附錄15 總原理圖15 元件清單15本科生基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練成績(jī)?cè)u(píng)定表摘 要本文介紹鎖相頻率合成器的結(jié)構(gòu)和工作原理，并用通常使用的鎖相集成電路cd4046實(shí)現(xiàn)了一種鎖相頻率合成器。其中鎖相環(huán)由鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器組成。頻率合成一個(gè)或少量的高準(zhǔn)確度高穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)頻率作為參考頻率,由此導(dǎo)出多個(gè)或大量的輸出頻率.這些輸出頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度與參考頻率是一致的,頻率合成器就是用來產(chǎn)生這些頻率的部件.此種設(shè)計(jì)方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、精度高、易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：鎖相環(huán)，cd4046, 頻率合成器，鑒相器abstractthe paper mainly

4、introduce pll frequency synthesizers structure and operating principle，and this time i applicate a pll frequency synthesizer by using cd4046 .phase-locked loop is componented by the phase detector, loop filter and vco. synthesis is that one or a small number of high-accuracy high-stability frequency

5、s standard as a reference frequency, which derived more than a large number of output frequencys. the accuracy and stability of these output frequencys is consistented with the reference frequency, the frequency synthesizer is used to generate these frequency.the frequency synthesizer has the struct

6、ure simplicity , stability regards , accuracy characteristics such as high , easy to come true.key words: phase-locked loop ，cd4046 ，frequency synthesizer ，phase detector1、 緒言頻率合成技術(shù)是現(xiàn)代通信和電子技術(shù)的重要組成部分，它是將一個(gè)高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度的基準(zhǔn)頻率經(jīng)過四則運(yùn)算，產(chǎn)生同樣穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的任意頻率。這種鎖相環(huán)頻率合成器的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度與基準(zhǔn)頻率相當(dāng)，不產(chǎn)生額外的誤差。鎖相環(huán)簡(jiǎn)稱pll，是實(shí)現(xiàn)相位自動(dòng)控制的一門技術(shù)

7、，早期是為了解決接收機(jī)的同步接收問題而開發(fā)的，后來應(yīng)用在電視機(jī)的掃描電路中。由于鎖相技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)已逐漸應(yīng)用到通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、計(jì)算機(jī)到家用電器的各個(gè)領(lǐng)域。自從20世紀(jì)70年代起，隨著集成電路的發(fā)展，開始出現(xiàn)集成的鎖相環(huán)器件、通用和專用集成單片鎖相環(huán)，使鎖相環(huán)逐漸變成一個(gè)低成本、使用簡(jiǎn)便的多功能器件。如今，pll技術(shù)主要應(yīng)用在調(diào)制解調(diào)、頻率合成、彩電色幅載波提取、雷達(dá)、fm立體聲解碼等各個(gè)領(lǐng)域。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，還出現(xiàn)了各種數(shù)字pll器件，它們?cè)跀?shù)字通信中的載波同步、位同步、相干解調(diào)等方面起著重要的作用。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛快發(fā)展，具有高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度的頻率源已經(jīng)成為科研生產(chǎn)的重要組成部

8、分。高性能的頻率源可通過頻率合成技術(shù)獲得。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，鎖相式頻率合成技術(shù)占有越來越重要的地位。由一個(gè)或幾個(gè)高穩(wěn)定度、高準(zhǔn)確度的參考頻率源通過數(shù)字鎖相頻率合成技術(shù)可獲得高品質(zhì)的離散頻率源。2、設(shè)計(jì)的主要基本原理2.1 鎖相環(huán)的構(gòu)成及基本原理鎖相環(huán)（pll）是一個(gè)相位跟蹤系統(tǒng)。圖1顯示了最基本的鎖相環(huán)方框圖。它包括三個(gè)基本部件，鑒相器（pd） 環(huán)路濾波器（lf）和壓控振蕩器（vco）。 圖1 鎖相環(huán)的基本組成框圖2.1.1 鑒相器鑒相器，顧名思義，就是能夠鑒別出輸入信號(hào)的相差的器件。是一個(gè)相位比較環(huán)節(jié)，它把輸入信號(hào)與壓控振蕩器輸出信號(hào)的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)兩信號(hào)相位差的誤差電壓。

9、是兩信號(hào)相位差鑒相器特性可以是多種多樣的，有正弦形、方波、三角形、鋸齒形特性。它的電路有各種形式，主要有兩類：1） 相乘器電路2） 序列電路：它的輸出電壓是輸入信號(hào)過零點(diǎn)與反饋電壓過零點(diǎn)之間時(shí)間差的函數(shù)。這類鑒相器的輸出只與波形的邊沿有關(guān)，適用于方波，通常用模擬乘法器構(gòu)成。設(shè)輸入信號(hào)為：vco的輸出信號(hào)：其中是vco的自由振蕩頻率，是環(huán)路的一個(gè)重要參數(shù)。以為參考的最小時(shí)相位。從鑒相角度分析：都把它們看成相位。由于與的參考相位不同，不便直接比較，故需改用統(tǒng)一的參考相位，這樣一來，可將入，出改寫為：將上面兩式相乘：環(huán)路的瞬時(shí)相位差：2.1.2 環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差電壓ud(t)中的

10、高頻成分和噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。低通濾波器的頻率特性為： 圖2 低通濾波器特性為截止頻率：即將大的頻率成分衰減；而將小的頻率成分保留。所以當(dāng)lf的有下列關(guān)系時(shí)：則乘法器的輸出信號(hào)經(jīng)過lf之后，lf的輸出信號(hào)為：這就是鑒相器濾波特性，因呈現(xiàn)正弦特性，稱為正弦鑒相特性。圖3 正弦鑒相器的鑒相特性其中，相位差為：應(yīng)包括的相位。從這一點(diǎn)（相位）看，鑒相器鑒別的是輸入、輸出信號(hào)的相位差，稱它為鑒相器。常用的環(huán)路濾波器有：rc積分濾波器、無源比例積分濾波器和有源比較積分濾波器。2.1.3 壓控振蕩器它是一個(gè)電壓頻率轉(zhuǎn)換器，由控制產(chǎn)生相應(yīng)頻率，使其頻率朝著輸入信號(hào)的頻率靠攏，由于相

11、位負(fù)反饋的作用直至消除頻差實(shí)現(xiàn)環(huán)路鎖定。一經(jīng)鎖定vco的頻率與輸入信號(hào)的頻率趨于一致。當(dāng)入與出存在頻差時(shí)，pd鑒出的相差就是消除頻差使朝著變化所需的控制電壓。其頻率（瞬時(shí)）是控制電壓的函數(shù)。電路不同，控制特性也不同，但在環(huán)路鎖定點(diǎn)附近，總可以近似為直線。即可得到如下控制方程： 是vco的控制靈敏度或增益2.2 pll頻率合成器的原理pll頻率合成器是由參考頻率源、參考分頻器、相位比較器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器、可變分頻器構(gòu)成。在鎖相環(huán)路的反饋通路中接入分頻器，便可得到鎖相倍頻電路，如圖所示。圖中i可來源于石英晶體振蕩器，其振蕩頻率為i；o為輸出電壓，其振蕩頻率為o；o經(jīng)分頻后與i進(jìn)行相位比較。

12、本環(huán)路鎖定后，鑒相器輸入的兩個(gè)信號(hào)的頻率相等，即i，所以輸出信號(hào)的頻率為oi，改變的數(shù)值，就可以得到i不同倍數(shù)的輸出頻率o。圖4 鎖相倍頻電路在鎖相環(huán)路的反饋通路中接入倍頻器，便可得到鎖相分頻電路，如圖所示。圖中i可來源于石英晶體振蕩器，其振蕩頻率為i，。為輸出電壓，其振蕩頻率為；經(jīng)分頻后與i進(jìn)行相位比較。當(dāng)環(huán)路鎖定后，鑒相器輸入兩個(gè)信號(hào)的頻率相等，即i，所以輸出信號(hào)的頻率為oi。圖5 鎖相分頻電路3、總電路原理圖設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的主要電路是由通用的cmos鎖相環(huán)集成電路cd4046及兩塊加法計(jì)數(shù)器74ls161芯片、一塊反相器74ls04芯片組成。3.1 鎖相環(huán)集成電路cd4046cd4046是

13、通用的cmos鎖相環(huán)集成電路，其特點(diǎn)是電源電壓范圍寬（為3v18v），輸入阻抗高(約100m)，動(dòng)態(tài)功耗小，在中心頻率f0為10khz下功耗僅為600w，屬微功耗器件。其內(nèi)部電路如下圖所示。圖6 cd4046內(nèi)部電路圖輸入信號(hào) ui從14腳輸入后，經(jīng)放大器a1進(jìn)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(hào)uo與輸入信號(hào)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(hào)頻率f1。vco的輸出又經(jīng)除法器再進(jìn)入相位比較

14、器，繼續(xù)與ui進(jìn)行相位比較，最后使得f2f1，兩者的相位差為一定值，實(shí)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，不再贅述。壓控振蕩器需要外接電阻r1、r2和電容c1。r1、c1是充放電元件，電阻r2起頻率補(bǔ)償作用。vco的振蕩頻率不僅和r1、r2以及c1的取值有關(guān)，還和電源電壓有關(guān)，電源電壓越高振蕩頻率越高。由cd4046的datasheet中電阻電容的阻值與輸出頻率范圍的曲線圖可大致確定其外圍參數(shù)如下：r1=10k，r2=100k，r3=5k，r5=100k，c1=100pf，c2=1nf。鎖相頻率合成器的外圍電路如下圖所示。圖7 cd4046外圍電路圖3.2 分頻

15、計(jì)數(shù)器部分對(duì)于74ls161，當(dāng)清零端cr=“0”，計(jì)數(shù)器輸出q3、q2、q1、q0立即為全“0”，這個(gè)時(shí)候?yàn)楫惒綇?fù)位功能。當(dāng)cr=“1”且ld=“0”時(shí)，在cp信號(hào)上升沿作用后，74ls161輸出端q3、q2、q1、q0的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端d3，d2，d1，d0的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。而只有當(dāng)cr=ld=ep=et=“1”、cp脈沖上升沿作用后，計(jì)數(shù)器加1。74ls161還有一個(gè)進(jìn)位輸出端co，其邏輯關(guān)系是co= q0q1q2q3cet。合理應(yīng)用計(jì)數(shù)器的清零功能和置數(shù)功能，一片74ls161可以組成16進(jìn)制以下的任意進(jìn)制分頻器。本次設(shè)計(jì)中利用該芯片與反相器構(gòu)成可變分頻器。74ls1

16、61芯片的的clk輸入端接入固定頻率的信號(hào)1mhz，進(jìn)位輸出端rco的值接入鎖相集成電路cd4046的信號(hào)輸入端。連接圖如圖 7 所示。圖8 分頻計(jì)數(shù)器本次設(shè)計(jì)是在鎖相環(huán)路的反饋通路中接入分頻器，便可得到鎖相倍頻電路，其信號(hào)來源是cd4046的信號(hào)輸出端得到的信號(hào)，將其進(jìn)位信號(hào)接入鎖相集成電路cd4046作為比較信號(hào)輸入。其反饋通路的電路如圖 所示。圖9 倍頻反饋電路4、硬件安裝與調(diào)試根據(jù)設(shè)計(jì)完成的電路原理圖，將各芯片，集成電路，貼片電阻，電容焊接好。全部完成后，再檢查是否有虛焊或者漏焊，對(duì)照電路圖仔細(xì)檢查一遍。檢查無誤之后便可接上電源和信號(hào)源，以及示波器來觀察。其中，給74ls161和74l

17、s04供電的電源為+5v，給cd4046的供電電源為+7v，接入的固定頻率信號(hào)為1mhz，示波器顯示的為cd4046的輸出。在調(diào)試的過程中需注意r1、r以及c1的選取，選取不同的r1、r2、c1并通過撥碼開關(guān)合理設(shè)置可變分頻系數(shù)n就可獲得不同頻率范圍的輸出信號(hào)，同時(shí)根據(jù)所需情況選取合適的濾波器，設(shè)置不同的參考分頻系數(shù)即可改變頻率間隔。并要通過調(diào)節(jié)可變電阻使輸出穩(wěn)定。剛開始檢查的時(shí)候發(fā)現(xiàn)輸出的頻率在一百多千赫茲到五百多千赫茲，并不是在要求的512khz到1023khz中間。就這樣，我檢查了幾次我板子的焊接問題和連線等情況，發(fā)現(xiàn)都是好的，只好再回過頭去檢查原理圖，然后在看cd4046的datash

18、eet的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，有一個(gè)電容的值和一個(gè)電阻的值選得不是很對(duì)，然后把這兩個(gè)元件換上后還是發(fā)現(xiàn)達(dá)不到一兆赫茲，這時(shí)，聽到有個(gè)同學(xué)說，應(yīng)該調(diào)一下cd4046這個(gè)集成電路的供電電壓。于是，我又把電路改了一下，由于之前的供電電壓都是5v的，現(xiàn)在得把cd4046拿出來單獨(dú)供電。果然，問題得到了實(shí)質(zhì)性的解決，當(dāng)vcc調(diào)到7v左右時(shí)，cd4046的輸出范圍便可以達(dá)到兩百多千赫茲到1.08mhz左右了。5、測(cè)試數(shù)據(jù)分析圖10 fo=279.3khz 圖11 fo=561.8khz圖12 fo=628.9khz 圖13 fo=787.4khz圖14 fo=943.4khz 圖15 fo=1.028mhz通過調(diào)節(jié)撥

19、碼開關(guān)可以得到從兩百多千赫茲到1.08mhz左右，記下的其中六個(gè)輸出狀態(tài)如上圖所示。該電路的輸出頻率f o理論值為輸入的固定頻率值f 經(jīng)過第一個(gè)74ls161分頻后的頻率f1=f / n1，其中n1為其分頻系數(shù)，最大為16分頻，與第二個(gè)74ls161的分頻系數(shù)的乘積。即f o =（f / n1）* n2 n2為反饋通道上74ls161的分頻系數(shù)。但是由于電路焊接等引起了一些誤差，結(jié)果并不是很精準(zhǔn)，經(jīng)過多次調(diào)試仍然改進(jìn)效果很微小，但是輸出的頻率范圍能實(shí)現(xiàn)要求的512khz1023khz。6、結(jié)束語經(jīng)過將近一周的焊接和調(diào)試，終于完成了此次鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)任務(wù)。第一天的時(shí)候，主要是弄清楚整個(gè)設(shè)計(jì)要涉及到的原理然后確定好基本的方案，幾經(jīng)斟酌，最后選擇了比較通用的鎖相集成電路cd4046，然后用proteus軟件進(jìn)行了原理圖的設(shè)計(jì)及仿真。雖然整個(gè)過程中遇到了一些問題，但是在同學(xué)熱心的幫助下，我基本完成了本次