基于CD4046鎖相環(huán)的頻率合成器設(shè)計說明

1、. . . . 集成電路課程設(shè)計基于鎖相環(huán)的頻率合成器的設(shè)計 學(xué)院：物理與信息工程學(xué)院 班級： 2010級信通工程2班 姓名： 文 （111000218） 同 組：汪藝彬 （111000228） 基于鎖相環(huán)的頻率合成器的設(shè)計一、 設(shè)計和制作任務(wù)1 確定電路形式，畫出電路圖。2 計算電路元件參數(shù)并選取元件。3 組裝焊接電路。4 調(diào)試并測量電路性能。5 寫出課程設(shè)計報告書二、主要技術(shù)指標(biāo)1頻率步進(jìn) 100Hz2頻率穩(wěn)定度 =100Hz3 電源電壓 Vcc=10V4. 頻率輸出圍 700.00KHz-799.90KHz三、確定電路組成方案原理框圖（圖1）如下，鎖相環(huán)路對穩(wěn)定度的參考振動器鎖定，環(huán)串接

2、可編程的分頻器，通過改變分頻器的分配比N，從而就得到N倍參考頻率的穩(wěn)定輸出。晶體振蕩器輸出的信號頻率f1，經(jīng)固定分頻后（M分頻）得到基準(zhǔn)頻率f2，輸入鎖相環(huán)的相位比較器（PC）。鎖相環(huán)的VCO輸出信號經(jīng)可編程分頻器（N分頻）后輸入到PC的另一端，這兩個信號進(jìn)行相位比較，當(dāng)鎖相環(huán)路鎖定后得到：f1/M=f2=f3/N=f4 故 f3=Nf2 (f2為基準(zhǔn)頻率)當(dāng)N變化時，或者N/M變化時，就可以得到一系列的輸出頻率f3。2M晶振（f1）M分頻(f2)相位比較器低通濾波器N分頻(f4)壓控振蕩器(f3)圖1原理框圖四、設(shè)計方法（一）、振蕩源的設(shè)計用CMOS4069六反相器的三個與非門和2M晶體組成

3、2MHz振蕩器，如圖。圖中Rf1使F1工作于線性放大區(qū)。晶體的等效電感，C1、C2構(gòu)成諧振回路。C1、C2可利用器件的分布電容不另接。（二）、100HZ標(biāo)準(zhǔn)信號源設(shè)計（即M分頻的設(shè)計） 本次課程設(shè)計采用的是2M的晶振，最終需要的是100HZ的標(biāo)準(zhǔn)信號，因此中間需要設(shè)計個20000分頻的分頻器，即M=20000.首先利用的雙D觸發(fā)器74HC74的其中一個D觸發(fā)器構(gòu)成二分頻電路，把2M的輸入進(jìn)行二分頻得到1M的輸出。根據(jù)4518的輸出波形圖，可以看出4518包含二分頻、四分頻、十分頻，用二片CD4518（共4個計數(shù)器）組成一個10000分頻器，也就是四個十分頻器，這樣就可把1MHz的晶振信號變成1

4、00Hz的標(biāo)準(zhǔn)信號。如下圖所示：（三）、N分頻的設(shè)計根據(jù)本次課程設(shè)計的要求，需設(shè)計一個N=7000-7999的分頻計。通過方案的比較采用四塊CD4522構(gòu)成。CD4522是可預(yù)置數(shù)的二一十進(jìn)制1/N減計數(shù)器。其引腳見附錄。其中D1-D4是預(yù)置端，Q1Q4是計數(shù)器輸出端，其余控制端的功能如下：PE（3）=1時，D1D4值置進(jìn)計數(shù)器EN（4）=0，且CP（6）時，計數(shù)器（Q1Q4）減計數(shù)；CF（13）=1且計數(shù)器（Q1Q4）減到0時，QC(12)=1 Cr(10) =1時，計數(shù)器清零。 信號輸出單片4522分頻器，撥盤開關(guān)為BCD碼開關(guān)，如當(dāng)數(shù)據(jù)窗口顯示3時則A和1，2相連；當(dāng)顯示5時，則A和14

5、相連，其余類推。4個100K電阻用來保證當(dāng)撥盤開關(guān)為某腳不和A相連，也就是懸空時，為低電平。工作過程是這樣的：設(shè)撥盤開關(guān)撥到N，當(dāng)某時刻PE（3）=1，則N置到IC的計數(shù)器中，下一個CP來時，計數(shù)器減計數(shù)變?yōu)镹-1，一直到第N個CP來時，計數(shù)器為0。這時由于CF（13）=1，所以QC（12）=1，也即PE（3）=1又恢復(fù)到開始狀態(tài)，開始一個新的循環(huán)。很顯然，每來個N個CP，QC（12）就會出現(xiàn)一個高電平，也就是QC（12）應(yīng)是CP的N分頻信號。這樣一塊CD4522和四位撥碼開關(guān)就可以構(gòu)成19的分頻效果。采用四塊CD4522，分別對應(yīng)千百十個位就可以通過撥盤開關(guān)的數(shù)值是多少，得到對應(yīng)數(shù)值的分頻器

6、。由于千位保持7不變，便將CD4522的14,11,5號角置高。信號輸入圖2 1999分頻器五、鎖相環(huán)參數(shù)設(shè)計本設(shè)計中，M固定，N可變?；鶞?zhǔn)頻率f2定為100Hz，改變N值，使N=70017999，則可產(chǎn)生f2=700.1KHz799.9KHz的頻率圍。鎖相環(huán)鎖存圍：fmax=800.00KHzfmin=700.00KHz則fmax/fmin=1.1 使用相位比較器PC2（1）若R2，則由fmax/fmin=1.1。由figure7大概確定R2/R1的值約為1選定R1=100K,可得R2=100K。選定Vdd=10v,參照figure6與fmin=700kHz可求出C1=2*10-4uF（2）

7、若R2=，由fo=fmax/2=400KHz,參照figure5并選定Vdd=10v，可得C1=10-4uF又 2fc=fmax+fmin=1.5MHz,2fl=fmax-fmin=100kHz, T1=R3*C2 最終算出R3*C2=2*fl/(2fc)2 =0.35uF 令R3=100，則C235pF實(shí)際實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：R3=470 C2=30PF六、電路板制作 在制作電路板之前，要先對整個電路結(jié)構(gòu)與其在萬用板的布局進(jìn)行分析，本次采用面包板進(jìn)行各個模塊功能的實(shí)驗(yàn)，待成功后然后畫出實(shí)際的布線圖進(jìn)行焊接。本次電路板的制作采用萬用版和PCB板相結(jié)合的方案，把晶振源和鎖相環(huán)做在萬用版上，N分頻的撥碼部

8、分采用PCB制作。在焊電路板之前，應(yīng)該要做一些準(zhǔn)備工作，把各個元器件和工具都準(zhǔn)備好，很重要的一點(diǎn)就是要選擇一塊比較新的萬用板，這樣在焊接過程中比較好焊，容易使錫粘到銅圈上。由于要產(chǎn)生700KHz-800KHz的較高頻率，所以在焊接電路時要盡量使各個器件都貼在萬用板上，減小各個器件的引腳，從而降低對電路的影響。為了使整個電路在外觀上更加的美觀和穩(wěn)定，所以在焊接時全部用錫來作為導(dǎo)線連接，如果稍微連錯的話就不好改，所以在焊接時要非常的認(rèn)真。PCB板的制作前期利用altium design制版軟件進(jìn)行電路原理圖的設(shè)計，進(jìn)而生成PCB圖，通過熱轉(zhuǎn)印，腐蝕，鉆孔的流程最后通過焊接完成PCB板的制作。七、實(shí)

9、驗(yàn)數(shù)據(jù)1、接上電源后，測試晶振產(chǎn)生的頻率f0和經(jīng)過各次分頻后的頻率fi。晶振產(chǎn)生的頻率f0（Hz）第一次二分頻f1（Hz）第二次十分頻f2（Hz）第三次十分頻f3（Hz）第四次十分頻f4(Hz)第五次十分頻f5(Hz)2.000M(正弦波)999.99K（方波）99.999K（方波）10.000K（方波）1.000K（方波）100.00（方波）結(jié)果分析：2M的晶振源通過74HC74進(jìn)行二分頻，產(chǎn)生1MHZ的信號。再通過兩塊的4518進(jìn)行10000分頻得到最終穩(wěn)定的100HZ2、把開關(guān)往左撥，即斷開4046與4522的連接，測試4046本身的振動頻率以與鎖定頻帶4046本身的振動頻率f（KHz）

10、415.25KHz4046鎖頻圍（HZ）350K-2.55M結(jié)果分析：通過CD4046的芯片資料進(jìn)行試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定。本次課程設(shè)計采用PCII相位比較器，進(jìn)行寬帶鎖頻，因此R2進(jìn)行開路處理。R1經(jīng)過圖表查找設(shè)為100K，C1=82pf，得到VCO的振蕩頻率為415.25KHZ,與理論值400KHZ還是有點(diǎn)誤差，主要是由于C1的值偏大導(dǎo)致中心頻隨之增大。另外低通濾波器的實(shí)際參數(shù)為R3=470K，C3=30pF3、撥動撥碼盤，測輸出頻率撥碼盤輸出頻率f（Hz）輸出波形7000700.00K方波7001700.10K方波7051705.10K方波7551755.10K方波7951795.10K方波結(jié)果

11、分析：本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分穩(wěn)定，幾乎沒有誤差。由于N分頻采用PCB版制作，因此結(jié)果很穩(wěn)定。通過四片4522的分頻產(chǎn)生對應(yīng)數(shù)值的頻率。8、 實(shí)驗(yàn)心得集成電路實(shí)驗(yàn)心得汪藝彬 集成電路這門課就是對以前學(xué)習(xí)的電路知識的綜合應(yīng)用。學(xué)好這門課最重要的東西就是學(xué)以致用。對于最后的鎖相環(huán)頻率設(shè)計的實(shí)驗(yàn)給了我很多的感觸。最重要的一點(diǎn)就是要自己去找關(guān)于實(shí)驗(yàn)的資料。我用了同學(xué)的錯誤電路圖，熬夜焊好，最后去測的時候直接被告知悍錯，只好無奈的找了個人少的地方繼續(xù)去改電路，這話了一天的時間，我們這個小組是當(dāng)天最晚完成的，只好第二天再去實(shí)驗(yàn)室。我覺得做這類設(shè)計最重要的是耐心，只要有足夠的耐心，焊好你的電路，其實(shí)調(diào)出要求的頻率其

12、實(shí)很簡單。鄙人由于不夠細(xì)心，在測數(shù)據(jù)之前檢測出了N多個錯誤。我對此付有不可推卸的責(zé)任。為此，我們花費(fèi)了很多的時間。當(dāng)然從中我也了解了鎖相環(huán)：鎖相環(huán)是一種利用外部輸入的參考信號控制環(huán)路部振蕩信號反饋控制電路。他的被控制量是相位，被控對象是壓控振蕩器。如圖1所示，如果鎖相環(huán)路中壓控振蕩器的輸出信號頻率發(fā)生變化，則輸入到相位比較器的信號相位v(t)和R(t)必然會不同，使相位比較器輸出一個與相位誤差成比例的誤差電壓Vd(t)，經(jīng)環(huán)路濾波器輸出一個緩慢變化的直流電壓Vc(t)，來控制壓控振蕩器輸出信號的相位，使輸入和輸出相位差減小，直到兩信號之間的相位差等于常數(shù)。此時，壓控振蕩器的輸出信號頻率和輸入

13、信號頻率相等，且環(huán)路處于鎖定狀態(tài)。 我同時也知道了該電路由于頻率圍和頻率間隔可根據(jù)具體需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，且輸出信號頻率具有高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，可廣泛作為離散信號源來使用，也可用于集成。通過這次實(shí)驗(yàn)設(shè)計，我又再次積累了動手的經(jīng)驗(yàn)，對于能夠?yàn)閲惙e累經(jīng)驗(yàn)，我表示選這門課真是很不錯的選擇。雖然我還是不太了解實(shí)驗(yàn)原理，但是最后能夠戰(zhàn)勝各種困難，并且最終做出來實(shí)在是太好了。我也了解了活用學(xué)過的基礎(chǔ)知識是如此的重要。通過這次實(shí)踐，我了解到只有真正的懂的應(yīng)用原理才能在檢測過程中不出現(xiàn)一絲紕漏。而且也不能剛過一絲可能導(dǎo)致電路發(fā)生短路的現(xiàn)象。當(dāng)遇到這類問題的時候也要不孜不倦的向其他的同學(xué)求助，畢竟一人計短，二人計長，

14、能夠解決問題才是關(guān)鍵。 集成電路實(shí)驗(yàn)心得文 集成電路實(shí)驗(yàn)就是對集成課本的理論知識的鞏固和應(yīng)用。這次的集成電路實(shí)驗(yàn)和以往的實(shí)驗(yàn)不同。以前的實(shí)驗(yàn)都是老師給我們一個模板或者一些實(shí)驗(yàn)原理的圖什么的，但是這次我們沒有實(shí)驗(yàn)原理圖，老師就是給我們一些指標(biāo)，只要我們做的東西可以到達(dá)那個指標(biāo)就可以。 這次實(shí)驗(yàn)由于和以往不同，給我們也帶來很大的挑戰(zhàn)，雖然我們是兩個人一組，但是我們在確定那個實(shí)驗(yàn)的過程，遇到了好多困難。這次老師給我們準(zhǔn)備的時間很充足，所以時間上市沒什么問題，在設(shè)計實(shí)驗(yàn)的時候，由于我們剛剛開始時，大家都是一竅不通，不知道從哪里入手，我們也是去問了以前的學(xué)長學(xué)姐，他們給了我們一些他們那時候的原理圖。但是

15、老師每一屆和每一屆的要求都不同，所以我們又去圖書館借閱一些相關(guān)的書籍和向一些高手請教了一些。我們在學(xué)姐學(xué)長給我們的原理圖上進(jìn)行一步步的改進(jìn)。最終我們設(shè)計出了一個不是非常理想的原理圖。 原理圖出來了，我們就是購買一些元器件，然后就是開始焊電路。焊電路的時候也遇到一個很大的問題。在焊電路的時候，由于以前上焊工課的時候沒有認(rèn)真聽課，技術(shù)沒有學(xué)好再加上平時沒有好好練習(xí)，到用的時候漏洞百出。由于電路有很多部分再加上有幾部分我們都是不很確定，所以我和我的組員分了三塊電路焊（其中一快的電路很多）。在電路板焊接的時候，我們由于注意力不夠集中，把好多部分都給焊錯了，把接到2號腳的接到第三號腳去，兩根線不用連在一起的我們又把它連接在一起，有的部分需要我們焊接的我們卻把它給忘記了。焊完電路以后，我們拿去測試，由于我們電路出現(xiàn)很多技術(shù)和理論的錯誤，我們調(diào)試了半天都沒有什么結(jié)果，無奈我們只能一步步從頭開始檢查自己的電路，從新開始一步步按照電路圖去檢查，我們最后發(fā)現(xiàn)我們有十四次的錯誤。 經(jīng)過這次的實(shí)驗(yàn)，我們的電路雖然是在別人的基礎(chǔ)上做出來的，但是我們前人的電路進(jìn)行改照的過程我們學(xué)習(xí)到了好多東西，我們懂得其中一些基本的原理。還有我們發(fā)現(xiàn)我們自己的一些缺點(diǎn)，比如自己的焊工有很大的問題，這對