數(shù)字頻率合成器的設計

1、第第4章章 數(shù)字頻率合成器的設計數(shù)字頻率合成器的設計本章內(nèi)容本章內(nèi)容 4.1 數(shù)字頻率合成器的設計任務 4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理 4.3 數(shù)字頻率合成器的設計 4.4 電子產(chǎn)品設計報告的撰寫4.1 數(shù)字頻率合成器的設計任務數(shù)字頻率合成器的設計任務 利用鎖相環(huán)和中小規(guī)模集成電路設計并制作一個數(shù)字頻率合成器，設計要求如下：1、設計指標：（1）要求頻率合成器輸出的頻率范圍 ；（2）頻率間隔為 ；（3）基準頻率采用晶體振蕩頻率，要求用數(shù)字電路設計，頻率穩(wěn)定度應優(yōu)于 ；（4）數(shù)字顯示輸出頻率；（5）頻率調(diào)節(jié)采用計數(shù)方式，電路設計中要求有消抖動設計。kHzkHzfo991kHzf14104.

2、1 數(shù)字頻率合成器的設計任務數(shù)字頻率合成器的設計任務2、設計要求：（1）要求設計出數(shù)字鎖相式頻率合成器的電路。 （2）數(shù)字鎖相式頻率合成器的各部分參數(shù)計算和器件選擇。（3）數(shù)字鎖相式頻率合成器的仿真與調(diào)試。3、制作要求： 自行裝配和調(diào)試，并能發(fā)現(xiàn)問題解決問題。測試主要參數(shù)：包括晶體振蕩器輸出頻率；1/M分頻器輸出頻率；1/N可編程分頻器的測試；鎖相環(huán)的捕捉帶和同步帶測試。4、設計報告的撰寫 寫出設計與制作的全過程，具體要求詳見4.4電子產(chǎn)品設計報告的撰寫。4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理 頻率合成器是現(xiàn)代通信設備的重要組成部分，頻率合成技術是將一個高穩(wěn)定度和

3、高準確度的基準頻率經(jīng)過四則運算，產(chǎn)生同樣穩(wěn)定度和準確度的任意頻率。鎖相式頻率合成器，其優(yōu)點是可以實現(xiàn)任意頻率和帶寬的頻率合成，具有極低的相位噪聲和雜散。是目前應用最為廣泛的一種頻率合成方法。4.2.1 數(shù)字頻率合成器的組成數(shù)字頻率合成器的組成 數(shù)字鎖相式頻率合成器根據(jù)信道間隔和工作頻率可分為直接式頻率合成器和吞脈沖式頻率合成器。4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理直接式頻率合成器 典型的直接式頻率合成器組成框圖如圖4-1所示。它由參考振蕩器、參考分頻器、鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）、壓控振蕩器（VCO）和可編程分頻器等部分組成。NfffoNRRNoNfNf

4、f4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理4.2.2 鎖相環(huán)路的工作原理鎖相環(huán)路的工作原理 鎖相環(huán)（PLL）是一個相位誤差控制系統(tǒng)，利用反饋控制原理實現(xiàn)頻率及相位的同步技術。鎖相環(huán)通過比較輸入信號和壓控振蕩器輸出頻率之間的相位差，產(chǎn)生誤差控制電壓來調(diào)整壓控振蕩器的頻率，以達到與輸入信號同頻。1、鎖相環(huán)路的組成 鎖相環(huán)路的基本組成框圖如圖4-3所示。它由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）三部分組成。其中，PD和LF構成反饋控制器，而VCO就是它的控制對象。4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理（1）鑒相器（PD） 鑒

5、相器的組成框圖如圖4-4所示，它是一個相位比較裝置。它把輸入信號和壓控振蕩器的輸出信號的相位進行比較，產(chǎn)生對應于兩信號相位差的誤差電壓。eddKuVRe4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理（2）環(huán)路濾波器（LF） 在鎖相環(huán)路中，環(huán)路濾波器實際上就是一個低通濾波器，其作用是濾出除鑒相器輸出的誤差電壓 中的高頻分量和干擾分量，得到控制電壓 ，常用的環(huán)路濾波器有RC低通濾波器、無源比例積分濾波器及有源比例積分濾波器等。4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理（3）壓控振蕩器（VCO） 壓控振蕩器是振蕩頻率 受控制電壓 控制的振蕩器。實際上是

6、一種電壓-頻率變換器。可以通過改變控制電壓 來改變壓控振蕩器的頻率。壓控振蕩器頻率 隨控制電壓 變化的曲線稱為壓控特性曲線。壓控特性曲線一般為非線性，如圖4-9所示。4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理2、鎖相環(huán)路的基本特性（1）捕捉與鎖定特性 若鎖相環(huán)路原本處于失鎖狀態(tài)，由于環(huán)路的調(diào)節(jié)作用，最終進入鎖定狀態(tài)，這一過程，稱環(huán)路捕捉過程。在沒有干擾的情況下，環(huán)路一經(jīng)鎖定，其輸出信號頻率等于輸入信號頻率。（2）自動跟蹤特性 若環(huán)路原本處于鎖定狀態(tài)，由于溫度或電源電壓的變化，使VCO輸出頻率變化，或者輸入信號頻率變化，通過環(huán)路自動相位控制作用，使VCO相位（頻率）不斷

7、跟蹤輸入信號的相位（頻率），這個過程稱跟蹤過程，或同步過程。4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理（3）鎖相環(huán)路的捕捉帶與同步帶環(huán)路能捕捉的最大起始頻差范圍稱捕捉帶或捕捉范圍，記作fP。環(huán)路所能跟蹤的最大頻率范圍稱同步帶，記作fH。當f0fP時，環(huán)路將不能鎖定。當f0fH時，環(huán)路將不能跟蹤。一般有fHfP。 4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理3、常用集成鎖相環(huán)路CD4046簡介 CD4046是通用的CMOS鎖相環(huán)集成電路，其特點是電源電壓范圍寬（為3V18V），輸入阻抗高(約100M)，動態(tài)功耗小，在中心頻率f0為10kHz下功耗

8、僅為600W，屬微功耗器件。 CD4046是帶有RC型VCO的鎖相環(huán)路，屬于低頻鎖相環(huán)路。采用 16 腳雙列直插式，圖4-11為CD4046的內(nèi)部功能框圖和構成鎖相頻率合成器時的外圍元件連接圖。從圖中可以看出，CD4046主要由相位比較、壓控振蕩器（VCO）、線性放大器、源跟隨器、整形電路等部分構成。芯片內(nèi)含有一個低功耗、高線性VCO，兩個工作方式不同的鑒相器PDI和PDII，A1為PDI和PDII的公用輸入基準信號放大器，源跟隨器A2與VCO輸入端相連是專門作FM解調(diào)輸出之用的，此外還有一個6V左右的齊納穩(wěn)壓管。4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理CD4046

9、的內(nèi)部功能框圖4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理 各引腳功能如下： 1腳相位輸出端，環(huán)路入鎖時為高電平，環(huán)路失鎖時為低電平。2腳相位比較器的輸出端。3腳比較信號輸入端。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。6、7腳外接振蕩電容。8、16腳電源的負端和正端。9腳壓控振蕩器的控制端。10腳解調(diào)輸出端，用于FM解調(diào)。11、12腳外接振蕩電阻。13腳相位比較器的輸出端。14腳信號輸入端。15腳內(nèi)部獨立的齊納穩(wěn)壓管負極。4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理（1）鑒相器PDI和PDII CD4046芯片

10、內(nèi)的鑒相器PDI是一個數(shù)字邏輯異或門，由于CMOS門輸出電平在0VDD之間變化。所以只要用簡單的積分電路就可以取出平均電平，因而使鎖項環(huán)路的捕捉范圍加大。該鑒相器主要應用在調(diào)頻波的解調(diào)電路中。PDII是一個由邊沿控制的數(shù)字比相器和互補CMOS輸出結構組成的三態(tài)輸出式鑒相器。由于數(shù)字比相器僅在ui和uv的上跳邊沿起作用，因而該鑒相器能接收任意占空比的輸入脈沖，即非常窄的脈沖。4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理 PDII的工作過程可用圖4-12所示波形圖來表示。14腳ui信號出現(xiàn)上跳變時，13腳也上跳輸出高電平，3腳uv信號出現(xiàn)上跳變時，13腳下跳輸出低電平；ui

11、、uv同時觸發(fā)時，13腳呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。因此，PDII可以使uv和ui嚴格同步，它常被應用在鎖相頻率合成器中。采用PDII的鎖項環(huán)其鎖定范圍等于捕捉范圍，與環(huán)路濾波器關系不大。4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理（2）壓控振蕩器VCO CD4046內(nèi)部的VCO是一個電流控制型振蕩器，其振蕩頻率與控制電壓Ud之間的關系可以用下式表示： 式中VGS為耗盡型NMOS三極管的源柵間導通壓降，約0.5左右，VDS為耗盡型PMOS管的漏源飽和壓降，約為1V左右。式中的第二項為常數(shù)項，也就是VCO的最低振蕩頻率fomin。當R4的增大到12腳開路時，fomin減小至零。式中第一

12、項為Ud的函數(shù)，當R310k時。f0與Ud基本呈直線性關系。t4DSDDt3GSdo828CRUVCRUUf4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理 VCO的fomin與Ct及R4的關系可用圖4-13所示曲線表示。由圖中可知，若已知fomin、VDD，且確定R4以后，就可以從圖中曲線查得所需Ct值。4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理 當Ud =VDD時，VCO維持在最高振蕩頻率fomax 已知fomin、fomax和Ct以后，就可以由上式中求得R3值。實踐中，為微調(diào)f0的范圍，R3往往采用一只固定電阻和一只可調(diào)電阻相串聯(lián)。omint

13、3GSDDomax8fCRUVf4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理4.2.3 參考振蕩器的工作原理參考振蕩器的工作原理 參考振蕩器可采用門電路（74LS系列或CD系列）與標稱石英晶體構成振蕩器。石英晶體振振器的電路符號、等效電路、電抗曲線如圖4-14所示。4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理 從石英晶體諧振器的電抗特性可以看出，在串、并聯(lián)諧振頻率之間很狹窄的工作頻帶內(nèi)，它呈電感性。因而石英振蕩器可以工作于感性區(qū)，也可以工作于串聯(lián)諧振頻率上，但不能使用容性區(qū)。4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理 根

14、據(jù)晶體在振蕩電路中的不同作用，振蕩電路可分為兩類：一類是石英晶體在電路中作為等效電感元件使用，這類振蕩器稱為并聯(lián)型晶體振蕩器；另一類是把石英晶體作為串聯(lián)諧振元件使用，使它工作于串聯(lián)諧振頻率上，稱為串聯(lián)型晶體振蕩器。4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理4.2.4 參考分頻器的工作原理參考分頻器的工作原理1、二-五-十進制計數(shù)器74390邏輯符合和邏輯功能 圖4-17中的計數(shù)器為二五十進制異步計數(shù)器，在一片74LS390集成芯片中封裝了2個二五十進制的異步計數(shù)器。所謂二五十進制異步計數(shù)器是由一個二進制計數(shù)器和一個五進制計數(shù)器組合而成的，每個二五十進制分別有各自的清零

15、端CLR。4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理 如需實現(xiàn)十進制計數(shù)器功能應將Q0與CP1相連或?qū)3與CP0相連。這兩種連接方式是構成的十進制計數(shù)器計數(shù)的結果相同，但其編碼結果不同，如圖4-18。4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理2、由兩片74390計數(shù)器構成4000分頻器電路，產(chǎn)生1KHz基準參考信號。 電路接線圖如圖4-19所示。圖中輸入信號為4MHz方波信號，輸出為1KHz方波信號。4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理4.2.5 可變分頻器和分頻比控制器的工作原理可變分頻器和分頻比控制器的工

16、作原理1、可逆計數(shù)器CD4510 CD4510是4位加/減法的十進制計數(shù)器，計數(shù)器的方向由控制輸入端U/D控制。當U/D為高電平時，則為加法計數(shù)器，當U/D為低電平時，則為減法計數(shù)器。4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理CD4510各管腳功能見表4-1。4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理2、用CD4510設計99分頻器4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理3、199分頻比控制器電路的設計4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)字頻率

17、合成器的組成及工作原理4.2.6 消抖動電路的工作原理消抖動電路的工作原理 基本RS觸發(fā)器雖然電路簡單，但具有廣泛的用途。圖4-24（a）是在時序電路中廣泛應用的消抖動開關電路的原理電路。4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理4.2.7 數(shù)碼顯示電路的工作原理數(shù)碼顯示電路的工作原理 數(shù)碼顯示電路如圖4-25所示。由共陰極七段數(shù)碼器LC5011和顯示譯碼器CD4511構成。4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理 圖4-26為LC5011的管腳圖和邏輯符號。4-27為CD4511的管腳圖和邏輯符號。4.2 數(shù)字頻率合成器的組成及工作原理數(shù)

18、字頻率合成器的組成及工作原理CD4511的功能真值表如表4-2所示。LT BL LE D C B A a b c d e f g 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0

19、 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 * 4.3 數(shù)字頻率合成器的設計數(shù)字頻率合成器的設計1、首先，根據(jù)課題給定的設計指標要求，確定系統(tǒng)設計框圖。由于系統(tǒng)工作頻率較低，因此可以選擇直接式頻率合成方案。根據(jù)系統(tǒng)指標要求，選擇數(shù)字頻率合成器系統(tǒng)設計框圖如圖4-28所示。4.3 數(shù)字頻率合成器的設計數(shù)字頻率合成器的設計2、然后，根據(jù)系統(tǒng)框圖，確定各個單元電路的結構，并進行元器件選擇和參數(shù)計算。（1）集成鎖相環(huán)路PLL及外接振蕩元器件 根據(jù)設計指標要求，集成鎖相環(huán)路可選為

20、CD4046，它包含PD和VCO，最高工作頻率為1.4MHz，滿足設計要求。 CD4046的內(nèi)部組成框圖及外接元件電路如圖4-11所示。作為頻率合成器時，3、4端之間應插入可變分頻器N。 根據(jù)設計要求，有fomax=99kHz，fomin=1kHz。CD4046內(nèi)部的VCO是一個電流控制型振蕩器，查資料，其振蕩頻率與控制電壓Ud的關系t4DSDDt3GSdo828CRUVCRUUf4.3 數(shù)字頻率合成器的設計數(shù)字頻率合成器的設計 式中VGS為耗盡型NMOS三極管的源柵間導通壓降，約0.5V左右，VDS為耗盡型PMOS管的漏源飽和壓降，約為1V左右。式中的第二項為常數(shù)項，也就是VCO的最低振蕩頻

21、率fomin。 取電源電壓VDD=5V。取Ct=100pF，如f=1KHz，則R4=3.3M，但VCO頻率范圍應小于1KHz，取取R4=22M。 當Ud =VDD時，VCO維持在最高振蕩頻率fomaxt4DSDDt3GSdo828CRUVCRUUftDSDDoCRUVf4min82omint3GSDDomax8fCRUVf4.3 數(shù)字頻率合成器的設計數(shù)字頻率合成器的設計因此可得：)(8ominomaxtGSDD3ffCUVR)k(5810) 199(1010085 . 053124.3 數(shù)字頻率合成器的設計數(shù)字頻率合成器的設計（4）參考分頻器 現(xiàn)在要將4MHz的參考振蕩頻率分頻為1kHz，因此

22、分頻比R=4000（=1010104），即用3個十進制計數(shù)器和1個四進制計數(shù)器級聯(lián)來實現(xiàn)。 通常實現(xiàn)分頻器的電路是計數(shù)器電路，因此可以選74LS390為參考分頻器。（5）可變分頻器 由于最大可變分頻比N=99，且輸出方式為十進制方式，因此，可變分頻器N應選初始值可預置的十進制計數(shù)器。需要兩級這樣的計數(shù)器可選2片CD4510作為可變分頻器。4.3 數(shù)字頻率合成器的設計數(shù)字頻率合成器的設計（2）參考頻率和環(huán)路濾波器 設環(huán)路濾波器的上限截止頻率為fH，從濾波的角度考慮，應有fR =(510) fH。 若選簡單RC低通濾波器，則有： 取fR=1103=10 fH=10/(2RC)，則RC=1/(200

23、 )1.6（ms）。若取C=0.033 F，則R48.48（k ）。最終取R1=51k 。這里選這里選RC比例積比例積分濾波器作環(huán)路濾波器，分濾波器作環(huán)路濾波器，R2 R1，則取，則取C=0.033 F，R1=51k ，R2=5.1k 。RCf21H4.3 數(shù)字頻率合成器的設計數(shù)字頻率合成器的設計（3）參考振蕩器 振蕩器電路選用晶體振蕩電路，不使電路具有更高的Q值，以提高頻率的穩(wěn)定性。又由于CMOS電路輸入阻抗極高，選用CMOS與非門構成參考振蕩器。為適應低電壓工作條件，采用74HC系列。電路如圖4-29所示。4.3 數(shù)字頻率合成器的設計數(shù)字頻率合成器的設計 Rf為反饋電阻，它的作用是保證在靜

24、態(tài)時，非門U1能工作在其電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)線性放大區(qū)，構成使反相器成為具有很強放大能力的放大電路，Rf常取10-100 M ，較高的反饋電阻有處于提高振蕩頻率的穩(wěn)定性，選Rf=22M 。晶體、C1、C2構成型選頻反饋網(wǎng)絡，電路只能在晶體諧振頻率處產(chǎn)生振蕩，反饋系數(shù)由C1、C2之比決定。根據(jù)晶體外接電容的要求，可選C1=C2=24pF。晶體XTAL的頻率選40MHz（該頻率點附近的頻率穩(wěn)定度較高）。即 U1與Rf 、晶體、C1、C2構成電容三點式振蕩電路，產(chǎn)生一個近似正弦波的波形。U2是整形緩沖用反相器，經(jīng)U2整形后，輸出變?yōu)榫匦尾?，同時U2可以隔離負載對振蕩電路的影響。4.3 數(shù)字頻率合成器

25、的設計數(shù)字頻率合成器的設計 CD4510是初始值可預置BCD碼加減法計數(shù)器，要實現(xiàn)f從1-99KHz，分頻比N為1-99，采用預置端和清零端來做N進制計數(shù)器。預置數(shù)就采用分頻比控制計數(shù)器個位和十位輸出的數(shù)據(jù)。 如果采用加法，如預置數(shù)為6099復位置數(shù)，這時N=99-60+1=40進制，不符合設計要求，顯示頻率就與鎖相環(huán)路實際輸出的信號頻率不同。 由于初始值輸入端數(shù)據(jù)同時也作為VCO輸出結果譯碼顯示的輸入數(shù)據(jù)，考慮到二者的一致性，計數(shù)器應選減法計數(shù)器。這樣數(shù)碼管顯示的值就是輸出信號的頻率。4.3 數(shù)字頻率合成器的設計數(shù)字頻率合成器的設計（6）分頻比控制計數(shù)器及消抖動電路 分頻比控制計數(shù)器是用來產(chǎn)生可變分頻器所需要的分頻比N。選用1片74L390（含兩級十進制計數(shù)器）構成頻率調(diào)節(jié)電路，另用一開關電路來控制計數(shù)脈沖的通斷。 另外，通常使用的開關是由機械觸點實現(xiàn)開關的閉合和斷開，由于機械觸點存在彈性，閉合后會產(chǎn)生反彈，為了得到穩(wěn)定的信號，增加消抖動電路。消抖動電路可以用RS觸發(fā)器或者門電路（如74LS00）構成。4.3 數(shù)字頻率合