PLL課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 PLL課程設(shè)計(jì)報(bào)告 頻率合成器的設(shè)計(jì)與制作系別： 班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 時(shí)間： 目錄一、設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求 2 二、設(shè)計(jì)思路 2 三、方案論證與比較 2 1壓控振蕩器的設(shè)計(jì)方案論證與選擇 22頻率合成器的設(shè)計(jì)方案論證與選擇 33控制模塊的設(shè)計(jì)方案論證與選擇 34. 功率放大電路方案選擇與論證 35. 電源方案選擇與論證 3四、系統(tǒng)組成 3 五、模塊電路設(shè)計(jì)分工 4 六、單元電路設(shè)計(jì) 4 1壓控振蕩器與調(diào)頻電路設(shè)計(jì) 4 2PLL頻率合成電路設(shè)計(jì) 4 3環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì) 5 七、總體電路設(shè)計(jì) 8 八、電路調(diào)試及注意事項(xiàng) 8 九、心得體會(huì) 8十、致謝 8十一、參考文獻(xiàn) 9附

2、錄一 10 鎖相式數(shù)字頻率合成器的設(shè)計(jì)與制作一、設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求1、設(shè)計(jì)內(nèi)容根據(jù)鎖相技術(shù)介紹的原理和方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的儀器和設(shè)備，基于可編程的鎖相環(huán)集成電路MC-2設(shè)計(jì)一個(gè)頻率合成器。2、設(shè)計(jì)要求一個(gè)基于鎖相環(huán)的正弦波發(fā)生器，要求通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)控制使在5MHZ-108MHZ間可穩(wěn)定輸出間隔頻率。二、設(shè)計(jì)思路鎖相環(huán)路工作原理框圖如下圖1-1 鑒相器將輸入相位Ø1與輸出相位Ø2進(jìn)行比較，得到誤差相位,并得到誤差電壓Ud，誤差電壓經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器得到控制電壓Uc，控制點(diǎn)壓加到壓控振蕩器上使之產(chǎn)生頻率，來(lái)跟蹤輸入信號(hào)頻率。若輸入為固定頻率，再Uc的作用下，輸出頻率向輸入頻率靠攏，一旦

3、達(dá)到兩者相等時(shí)，若滿(mǎn)足一定條件就能穩(wěn)定下來(lái)，達(dá)到鎖定。鎖定之后，被控的壓控振蕩器頻率與輸入信號(hào)頻率相同，兩者之間為一定的穩(wěn)態(tài)和相位差。設(shè)計(jì)一個(gè)頻率合成器，使其輸出5MHz到108MHz的頻率信號(hào)，頻點(diǎn)數(shù)為200個(gè)，頻率間隔為25KHz。該設(shè)計(jì)的核心是數(shù)字頻率合成技術(shù)，利用鎖相環(huán)的原理，使VCO的頻率鎖定在參考頻率的穩(wěn)定度上，并使用前置分頻器分頻?？刂撇糠植捎脫艽a開(kāi)關(guān)來(lái)完成，并附帶電源電路。本實(shí)驗(yàn)分兩步，第一步制作30MHz以下的頻率合成器，此時(shí)可不用前置分頻器分頻。第二步制作30MHz以上的頻率合成器。三、方案論證與比較1壓控振蕩器的設(shè)計(jì)方案論證與選擇方案一：采用分立元件構(gòu)成。利用低噪聲場(chǎng)效應(yīng)

4、管J310作振蕩管，用兩對(duì)變?nèi)荻O管直接接入振蕩回路作為壓控器件，電路屬于電感三點(diǎn)式振蕩器。該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是調(diào)試?yán)щy，而且輸出頻率不易靈活控制。方案二：采用壓控振蕩芯片MC1648和變?nèi)荻O管，外接一個(gè)LC諧振回路構(gòu)成變?nèi)荻O管壓控振蕩器。選取適當(dāng)?shù)碾姼?，便可改變MC1648的輸出頻率。另外，MC1648內(nèi)部有放大電路和自動(dòng)增益控制，可以實(shí)現(xiàn)輸出頻率穩(wěn)幅，射極跟隨器有隔離作用，可減小負(fù)載對(duì)振蕩器工作狀態(tài)的影響。由于采用了集成芯片，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)可靠性高，并且利用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)可以使輸出頻率穩(wěn)定度進(jìn)一步提高。綜上，擬定方案二利用壓控振蕩芯片MC1648和變?nèi)荻O管，外加一個(gè)LC并聯(lián)諧

5、振回路來(lái)設(shè)計(jì)壓控振蕩器。 2頻率合成器的設(shè)計(jì)方案論證與選擇頻率合成是整機(jī)的核心，為了得到高度穩(wěn)定的頻率輸出，并且輸出頻率可調(diào)，可以采用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)，輸出頻率穩(wěn)定度與晶振的穩(wěn)定度相當(dāng)，達(dá)到10-5，頻率步進(jìn)可以為任意值。方案一：模擬鎖相環(huán)路法，通過(guò)環(huán)式的減法降頻，將VCO的頻率降低，與參考頻率進(jìn)行鑒相。優(yōu)點(diǎn)是：可以得到任意小的頻率間隔；鑒相器的工作頻率不高，頻率變化范圍不大，比較好做，帶內(nèi)帶外噪聲和鎖定時(shí)間易于處理。不需要昂貴的晶體濾波器。頻率穩(wěn)定度與參考晶振的頻率穩(wěn)定度相同。缺點(diǎn)是分辨率的提高要通過(guò)增加循環(huán)次數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，電路超小型化和集成化比較困難。方案二：數(shù)字鎖相環(huán)路法，通過(guò)數(shù)字邏輯電路

6、把VCO（壓控振蕩）的頻率降低到鑒相器的參考頻率上，采用的是除法降頻。除具有方案一的優(yōu)點(diǎn)外，克服了方案一的缺點(diǎn)，還能與靈活方便的數(shù)字電路結(jié)合，做成數(shù)控可變分頻，得到任意的頻率，并且便于集成化，大大簡(jiǎn)化電路連線(xiàn)，縮短電路制作時(shí)間，降低整機(jī)體積。綜合考慮，本設(shè)計(jì)采用方案二。3控制模塊的設(shè)計(jì)方案論證與選擇方案一：采用位撥碼開(kāi)關(guān)控制。方案二：采用單片機(jī)控制?？紤]到目前使用單片機(jī)控制成本較高電路較為復(fù)雜，作為實(shí)驗(yàn)，選用方案一更合適。4. 功率放大電路方案選擇與論證方案一：采用電子管作為高頻功放的電子器件。就高頻大功率而言，電子管在輸出功率和最高工作頻率方面仍占優(yōu)勢(shì)。方案二：采用晶體管作為高頻功放的電子器

7、件。晶體管具有體積小、重量輕、耗電省、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但其內(nèi)部物理過(guò)程比電子管復(fù)雜得多，且其高頻功放工作狀態(tài)的計(jì)算十分困難，通常只進(jìn)行定性的分析與估算，再依靠實(shí)驗(yàn)調(diào)整到預(yù)期的狀態(tài)。方案三：也可以采用LM358芯片作為放大器和濾波器使用，其特點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)、易于調(diào)試，以及電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。結(jié)合本設(shè)計(jì)實(shí)際需要考慮，決定采用方案三。5. 電源方案選擇與論證由于本次實(shí)驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室的12V電源供電，而我們需要的是12V和5V的電源，故最后用三端穩(wěn)壓管 7805和7809進(jìn)行穩(wěn)壓，可得到5V和+2V。四、系統(tǒng)組成經(jīng)過(guò)一系列的方案比較與論證，最終確定的系統(tǒng)組成框圖如圖1-2所示。由MC、MC1648系列集成電

8、路組成數(shù)字鎖相頻率合成器；采用變?nèi)荻O管調(diào)頻。用戶(hù)可使用簡(jiǎn)易撥碼開(kāi)關(guān)控制發(fā)射頻率，同時(shí)通過(guò)示波器監(jiān)測(cè)發(fā)射頻率向用戶(hù)反饋信息。注：該系統(tǒng)組成框圖中未包含前置分頻器。圖1-2系統(tǒng)組成框圖五、模塊電路設(shè)計(jì)分工 由系統(tǒng)組成框圖，我們將其分為三個(gè)設(shè)計(jì)模塊，具體劃分和分工如下：第一設(shè)計(jì)模塊：PLL頻率合成及前置分頻器和電源電路設(shè)計(jì) 汪彥俊第二設(shè)計(jì)模塊：壓控振蕩器電路設(shè)計(jì)盧娜 第三設(shè)計(jì)模塊：環(huán)路濾波器設(shè)計(jì) 曾倩文六、模塊電路設(shè)計(jì)1.壓控振蕩器與調(diào)頻電路設(shè)計(jì)壓控振蕩器是頻率合成電路的關(guān)鍵部分，采用集成的VCO芯片MC1648，其工作電壓5V，輸出頻率最高可達(dá)225MHz，輸出頻譜純度高。MC1648內(nèi)部含有放

9、大電路和自動(dòng)增益控制電路，可以穩(wěn)定輸出頻率的幅度。該電路外圍元器件少，調(diào)試方便。其內(nèi)部電路如圖1-3所示。                          圖1-3   MC1648內(nèi)部電路圖MC1648的第10腳輸出一個(gè)約1.5V的穩(wěn)定電壓，可作為變?nèi)荻O管的一個(gè)偏壓。諧振槽路從10腳和12腳接入，與內(nèi)部的Q7，Q4，Q5，

10、D1，Q8組成一個(gè)移相720°的正反饋正弦振蕩電路，Q6的基極連接Q7的集電極，也形成正反饋。另外，MC1648內(nèi)部有放大電路和自動(dòng)增益控制電路（D1，Q8，Q6，Q7），可以穩(wěn)定輸出頻率的幅度，輸出信號(hào)經(jīng)AGC電路采樣后從5腳接入。當(dāng)振蕩幅度增大時(shí)，Q8的基極電壓增大，集電極電流增大，Q7的Ube減小從而放大倍數(shù)減小，輸出幅度將減?。环粗?，如果振蕩幅度減小，則恒流源Q8的電流減小，Q6、Q7的放大倍數(shù)將增大，輸出幅度也因此增大。Q3，Q2和射極跟隨器Q1為輸出緩沖級(jí)，有隔離作用，可減小負(fù)載對(duì)振蕩器工作狀態(tài)的影響。從變?nèi)荻O管的特性知道，其容量是其偏壓的函數(shù)，并且在一定范圍內(nèi)近似線(xiàn)性

11、，因此該槽路還可作調(diào)頻調(diào)制用，即將調(diào)制信號(hào)疊加到變?nèi)荻O管的偏置端上，調(diào)制信號(hào)的變化必然引起變?nèi)荻O管容量的變化，從而必將引起振蕩頻率的變化，即實(shí)現(xiàn)了調(diào)頻。為了使產(chǎn)品的穩(wěn)定性更佳，在此多加一對(duì)變?nèi)荻O管專(zhuān)門(mén)作為調(diào)頻用。以下為MC1648不同接法對(duì)應(yīng)的頻率-電壓曲線(xiàn)圖1-4 圖1-5圖1-6由于要求輸出頻率在5MHZ-108MHZ之間故選擇圖1-6的接法。2PLL頻率合成電路設(shè)計(jì) 鎖相環(huán)路主要由晶振、參考分頻器、壓控振蕩器（VCO）、鑒頻/鑒相器（FD/PD）、低通濾波器（LPF）、可編程分頻器組成。它是應(yīng)用數(shù)字邏輯電路將VCO頻率一次或多次降低至鑒相器頻率上，再與參考頻率在鑒相電路中進(jìn)行比較，

12、通過(guò)低通濾波器取出誤差信號(hào)來(lái)控制VCO的頻率，使之鎖定在參考頻率的穩(wěn)定度上。由于采用了大規(guī)模集成電路塊MC，將圖中的晶振、參考分頻器、鑒頻鑒相器、可編程分頻器都集成在一個(gè)芯片中，不需要再單獨(dú)設(shè)計(jì)。同時(shí)利用撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)控制MC，確定分頻系數(shù)A、N和發(fā)射頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖1-7 鎖相環(huán)基本原理框圖圖1-8 MC-2內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖參考分頻器是為了得到所需的頻率間隔而設(shè)定的。頻率合成器的輸出頻譜是不連續(xù)的，兩個(gè)相鄰頻率之間的最小間隔就是頻率間隔。在MC-2中，外部穩(wěn)定參考源由OSCin輸入，經(jīng)14位分頻將輸入頻率÷R，然后送入FD/PD中。R值由RA0、RA1、RA2設(shè)定，如下表所示。例如，當(dāng)RA

13、0RA1RA2101時(shí)，R2048，即對(duì)晶振頻率進(jìn)行2048分頻。MC參考分頻器分頻系數(shù)選擇表 RA200001111RA100110011RA001010101R81282565121024204824108192表1-1鑒相器的作用實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)模擬乘法器。鑒相器將參考分頻器出來(lái)的很穩(wěn)定的步長(zhǎng)信號(hào)和壓控振蕩器產(chǎn)生的頻率經(jīng)可編程分頻之后得到的不穩(wěn)定的頻率信號(hào)進(jìn)行比較，輸出為兩者之間的相位差。低通濾波器將其中的高頻分量濾掉。圖1-9 MC-2典型電路3 環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器的作用是取出鑒相器輸出的誤差信號(hào)中的直流成分，以用于調(diào)節(jié)壓控振蕩器的輸出頻率。同時(shí)，壓控振蕩器還有調(diào)頻的作用，調(diào)頻

14、使得輸出頻率隨調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生偏移。因此，鎖相和調(diào)頻是相互矛盾的：鎖相的目的是使輸出頻率穩(wěn)定，而調(diào)頻則要求輸出頻率隨著調(diào)制信號(hào)的變化而變化。環(huán)路濾波器正是解決這一矛盾的關(guān)鍵。由于振蕩器中心頻率不穩(wěn)主要由溫度、濕度、直流電源等外界因素引起，其變化是緩慢的；而音頻調(diào)制信號(hào)幅度的變化相對(duì)來(lái)說(shuō)是一種快變化。因此，將環(huán)路濾波器的通帶上限頻率限制在幾Hz內(nèi)，只有慢變化因素引起的誤差信號(hào)可以通過(guò)，而調(diào)制信號(hào)引起頻偏時(shí)，它產(chǎn)生的誤差信號(hào)被濾除，不作用于鎖相環(huán)，這樣就既可以保證中心頻率的穩(wěn)定度，又不影響調(diào)頻。在環(huán)路濾波器后加以級(jí)放大器可調(diào)節(jié)輸入壓控振蕩器的電壓在何時(shí)范圍內(nèi)。圖1-10 環(huán)路濾波器及放大器設(shè)計(jì)電路七、

15、總體電路設(shè)計(jì)晶振選用2.048MHz的溫度補(bǔ)償晶體，它的頻率穩(wěn)定度可達(dá)10-8,選擇鑒相器A或鑒相器B均可。這里選用鑒相器A，PDout輸出接一個(gè)二階低通濾波器濾波器。MC-2的LD用來(lái)指示回路鎖定，外接一個(gè)LED，出現(xiàn)失鎖時(shí)該LED將閃爍。振蕩器部分采用了MC-2的片上振蕩形式，兩個(gè)電容均為20P。MC-2的固定分頻器分頻系數(shù)選擇為2048，2.048M信號(hào)經(jīng)分頻后是1000Hz，將該信號(hào)作為基準(zhǔn)頻率輸入鑒相器。MC-2的鑒相輸出經(jīng)過(guò)濾波后的直流電平為+2V至+3V之間，可以控制MC1648，但是電壓變化范圍太小，能控的頻點(diǎn)有限，因此必須加放大器。而且，直接用濾波輸出電壓控制MC1648將很

16、難調(diào)整到MC-2能鎖定的幾個(gè)頻點(diǎn)。圖1-3中U1部分為一20HZ的低通濾波器，U2部分為放大器。MC的頻率設(shè)置,實(shí)際工作頻率/參考頻率*1000再轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù).對(duì)應(yīng)腳:2322252420191817161514131211 這是在沒(méi)有外加分頻時(shí)的調(diào)整如工作頻率是z，參考頻率是25KHz，100/25*1000=4000在轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制就是100參考頻率。故2322252420191817161514131211分別為000時(shí)對(duì)應(yīng)頻率12MHZ，100時(shí)對(duì)應(yīng)頻率14.5MHZ?？傮wProtel電路圖見(jiàn)附錄。八、電路調(diào)試及注意事項(xiàng) 1.本次設(shè)計(jì)的目的是要掌握VCO 壓控振蕩器的基本工作原理并熟悉

17、MC-2數(shù)字頻率合成器的電路組成與工作原理。加深對(duì)基本鎖相環(huán)工作原理的理解，從中培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立從事電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研制及分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能 。2.鎖相環(huán)電路調(diào)試比較麻煩，很容易失鎖，在實(shí)現(xiàn)本電路的過(guò)程中應(yīng)注意以下問(wèn)題：1）. MC-2中的除R分頻器在片內(nèi)已內(nèi)接了上拉電阻，所以RA0RA1置“1”時(shí)只需懸空，不可接高電平。 2）. MC-2的鑒相輸出經(jīng)過(guò)濾波后的直流電平為+2V至+3V之間，可以控制MC1648，但是電壓變化范圍太小，能控的頻點(diǎn)有限，因此必須加放大器。而且，直接用濾波輸出電壓控制MC1648將很難調(diào)整到MC-2能鎖定的幾個(gè)頻點(diǎn)。圖3中U2是放大器，直接把濾波后的電壓接入放大器，可

18、能由于輸入阻抗不夠大，電壓將跌為零,放大器沒(méi)有輸出。這時(shí)需要加一級(jí)跟隨器進(jìn)行阻抗匹配。 3）. 放大器U2放大倍數(shù)的選擇。由于濾波輸出電壓已落在控制范圍內(nèi)，只是變化范圍比較小，放大倍數(shù)選得太大將會(huì)超出MC1648的最高控制電平，從而造成MC-2失鎖；但是太小的話(huà)，變化范圍又不夠，與直接用濾波電壓沒(méi)什么區(qū)別。圖中所選3K和5K的電位器可略微放大。 九、心得體會(huì)在為期兩周的鎖相環(huán)課程設(shè)計(jì)中，我們遇到了很多以前在課堂上沒(méi)有遇到，也沒(méi)有想到的問(wèn)題，雖然通過(guò)大家的努力最終解決了遇到的問(wèn)題，但這也暴露了我們?cè)诶碚撀?lián)系實(shí)際方面的薄弱。因此今后我們應(yīng)該多動(dòng)手，勤于練習(xí)，多把課堂上的知識(shí)用在實(shí)際操作中，從而發(fā)現(xiàn)

19、新的問(wèn)題，加深對(duì)于課堂知識(shí)的領(lǐng)悟與理解，融會(huì)貫通，深層次的學(xué)習(xí)課程。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)讓我對(duì)鎖相環(huán)技術(shù)的應(yīng)用有了一個(gè)比較省刻的認(rèn)識(shí)，特別是其組成部分以及工作原理，鎖相環(huán)的制作涉及到電感的制作，而電感幾乎成了所有同學(xué)的難題，其他的電路檢查了好多次都是正確的，就是看不到輸出正確的波形，此時(shí)我們通過(guò)手捏電感卻能得到意想不到的效果，所以在此建議在本課程設(shè)計(jì)中使用受外界干擾較小的，且比較精密的電感，也從另一個(gè)方面說(shuō)明了鎖相環(huán)路是一個(gè)高精度的電路，它的鎖定條件比較苛刻，所以在以后的制作中一定要注意壓控振蕩器啟振電感的影響。也深刻的體會(huì)到學(xué)習(xí)及實(shí)際操作中要特別細(xì)心，不能有一絲一毫的馬虎，我們學(xué)習(xí)的課程知識(shí)都是很?chē)?yán)密的，不能有一點(diǎn)差錯(cuò)。如果不仔細(xì)就會(huì)出錯(cuò)，這一點(diǎn)也體現(xiàn)在我們的課程設(shè)計(jì)中，這次課程設(shè)計(jì)中所反映出來(lái)的問(wèn)題教育我們，要培養(yǎng)認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究態(tài)度，在科學(xué)事業(yè)上要嚴(yán)肅的對(duì)待每一個(gè)問(wèn)題，對(duì)任何事物都要認(rèn)真不能覺(jué)得簡(jiǎn)單就不認(rèn)真對(duì)待它。這次課程設(shè)計(jì)中所體現(xiàn)出來(lái)的問(wèn)題，使我們意識(shí)到了自己的不足，我們應(yīng)該一方