北理工通信課程設計

1、 本科實驗報告實驗名稱：鎖相式數(shù)字頻率合成器的設計課程名稱：通信電路與系統(tǒng)實驗時間：3月3日-14日任課教師：實驗地點：實驗教師：實驗類型： 原理驗證 綜合設計 自主創(chuàng)新學生姓名：學號/班級：組 號：學 院：同組搭檔：專 業(yè)：成 績：鎖相頻率合成器的設計班級： 姓名： 評分：一、 設計任務和技術指標1. 工作頻率范圍：300kHz700kHz2. 電源電壓：Vcc=5V3. 通過原理圖確定電路，并畫出電路圖4. 計算元件參數(shù)選取電路元件（R1，R2，C1，R1,R2及環(huán)路濾波器的配置）5. 組裝連接電路，并測試選取元件的正確性6. 調試并測量電路相關參數(shù)（測量相關頻率點，輸出波形，頻率轉換時間

2、tc）7. 總結并撰寫實驗報告二、 設計方案鎖相頻率合成器原理鎖相環(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，產生誤差控制電壓來調整壓控振蕩器的頻率，以達到與輸入信號同頻。鎖相環(huán)路的基本組成框圖如圖1-1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。鎖相環(huán)路的基本組成框圖（1-1）將一個或幾個標準頻率，經過加、減、乘、除四則運算，變成具有同穩(wěn)定度和準確度的多個所需頻率的技術稱為頻率合成技術。鎖相式頻率合成器，其優(yōu)點是

3、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。典型的直接式頻率合成器組成框圖如圖1-2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。直接式頻率合成器（圖1-2）由圖1-2可知，晶體振蕩器的頻率經過M固定分頻后得到步進參考頻率，將信號作為鑒相器的基準與N分頻器的輸入進行比較，鑒相器的輸出Ud正比于兩路輸入信號的相位差，Ud經過環(huán)路濾波器得到一個平均電壓Uc，Uc控制壓控振蕩器（VCO）頻率的變化，使鑒相器的兩路輸入信號相位差不斷減小，直到鑒相器的輸入為零或者某一直流電平，這時

4、稱為鎖定。鎖定后的頻率為即。當預置分頻數(shù)N變化時，輸出信號頻率隨著發(fā)生變化。鎖相環(huán)中的濾波器時間常數(shù)據定了跟隨輸入信號的速度，同時也限制了鎖相環(huán)的捕捉范圍。三、 電路原理與設計1.CD4046鎖相環(huán)工作原理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1-3為CD4046的內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

5、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解調輸出之用的，此外還有一個6V左右的齊納穩(wěn)壓管。CD4046的管腳排列圖如圖1-4。1-3 CD4046的內部功能圖 1-4 CD4046引腳圖CD4046引腳功能描述: 符號引腳名稱功能Ph031輸出端（相位脈沖輸出） 相位比較器2輸出的相位差信號，為上升沿控制邏輯。環(huán)路人鎖時為高電平，環(huán)路失鎖時為低電平Ph1114相位比較器輸入端（基準信號輸入 ），相位比較器輸入

6、信號，輸入允許將0.1V左右的小信號或方波信號在內部放大并再經過整形電路后，輸出至相位比較器。PH123相位比較器輸入端（比較信號輸入） 通常PD來自VCO的參考信號。PH012PD輸出端 相位比較器1輸出的相位差信號，它采用異或門結構，即鑒相特性為 。PH0213PD輸出端 相位比較器的輸出端，它采用，上升沿控制邏輯。VC019壓控振蕩器的控制端。VC004壓控振蕩器輸出端INH5VCO禁止端，1有效 控制信號輸入，高電平時禁止，低電平時允許壓控振蕩器工作。R111 VCO外接電阻R1R212VCO外接電阻R2C16.7并接振蕩電容C1，以控制VCO的振蕩頻率。DEM010 解調信號輸出端

7、15 內部獨立的齊納穩(wěn)壓二極管負極。2.參考振蕩器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1-5所示。工作電路圖如1-6所示。1-5晶振 1-6參考晶體振蕩器電路圖從石英晶體諧振器的電抗特性可看出，在串、并聯(lián)諧振頻率之間很狹窄的工作頻帶內，它呈電感性。因而石英振蕩器可以工作于感性區(qū)和串聯(lián)諧振頻率上，但不能使用容性區(qū)。根據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

8、，稱為串聯(lián)型晶體振蕩器。3.分頻器工作原理分頻器采用預置法將兩個74HC163先反饋后級聯(lián)構成，前一級的RCO信號作為后一級的使能信號。時鐘信號采用同一輸入。分頻數(shù)通過改變ABCD的高低電平來實現(xiàn)。工作電路圖如圖1-7。1-7 分頻器電路圖所測頻率點為300kHz、500kHz、700kHz，74LS163設置如下：頻率/kHz片（1）D3D2D1D0片（2）D3D2D1D0300kHz0 0 1 01 1 1 1500kHz0 0 1 10 1 1 1700kHz0 0 1 00 1 1 1四、 測量結果及分析 實驗在面包上搭建電路，共用了1片2.5MHz晶體振蕩器、1K電阻兩枚、100K和

9、5.1K電阻各一枚、0.1f、56pf、0.1nf電容各一枚、4片74HC163、2片74HC04、1片CD4046，搭建的時候完成一個模塊測試一個模塊。調試電路設備有雙路直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字頻率計、數(shù)字示波器、萬用表、低頻信號發(fā)生器。調試采用分步逐級調試。1.晶體振蕩器輸出頻率的測量：將晶體振蕩器輸出的信號接入多功能計數(shù)器接頭上，測量晶體產生的頻率。穩(wěn)定在2.5MHz。21/M分頻器輸出頻率的測量：測量74ls163高位片15腳輸出頻率。穩(wěn)定在25KHz。3輸出頻率測量：測量CD4046第4管腳輸出頻率，應穩(wěn)定在300、500、700KHz。4.峰值時間tm和頻率轉換時間tc的特征參數(shù)：N分頻

10、器低位片3管腳接50Hz占空比為50%的方波和雙蹤示波器1路接，示波器2路測量CD4046第9管腳輸出波形，測量tc和tm。實驗結果：輸出穩(wěn)定，結果見下表輸入頻率/KHz分頻比片(1) DCBA片(2) DCBA輸出頻率/KHz250010001100110253001200101111299.9685002000110111499.9467002800100111699.927 參考測量分析（1）VCO的壓控靈敏度與線性度。前已指出，VCO的壓控靈敏度是單位電壓控制下，VCO輸出角頻率的變化量，記作，定義為理想的壓控靈敏度應是不變的，但實際中的是變化的，這樣壓控特性是非線性的，通常用線性度參

11、量來描述線性度，越接近1越好，的定義為（2）的測量與計算分頻比N改變時的波形測量結果為1.6ms，符合設計要求五、 總體電路圖（附圖1）六、 實驗心得這次試驗中，我自己完成了整個程序設計的框架，從最開始的畫電路圖， 到后來的布線，調試，改進的一系列操作中，收獲了很多。開始時布線隨意，沒有考慮到可能造成的干擾，以至后來的改進十分費力，付出了較多的時間。實驗過程中的重點應該是調試，比如說分頻器的測試，4046功能的測試，如果不按照步驟測試，排出問題基本不可能。 通過這次實驗，我對鎖相環(huán)的工作原理有了進一步的認識。基本掌握了鎖相環(huán)及頻率合成器的設計方法，在實驗中，發(fā)現(xiàn)自己對圖表的理解能力還是有些欠缺，自己的動手操作能力也有待提高，需要進一步加強。實驗中遇到了很多困難，比如連線時，正負極短接，導致電源短路，對實驗測量有一定的影響；測頻率時頻率計上的示數(shù)一直在跳動