FM調(diào)制解調(diào)電路的設(shè)計(jì)

1、FM調(diào)制/解調(diào)電路的設(shè)計(jì)摘要：本設(shè)計(jì)根據(jù)鎖相環(huán)原理，通過(guò)兩片CD4046搭接基本電路來(lái)實(shí)現(xiàn)FM調(diào)制/解調(diào)電路的設(shè)計(jì)，將調(diào)制電路的輸出信號(hào)作為解調(diào)電路的輸入信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制解調(diào)。原理分析，我們得到的載波信號(hào)的電壓大于3V,最大頻率偏移M”5KHz,解調(diào)電路輸出的FM調(diào)制信號(hào)的電壓大于200mV可以看出我們的具體設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。關(guān)鍵詞：鎖相環(huán)、調(diào)制、解調(diào)、濾波器一、概述FM調(diào)制電路將代表不同信息的信號(hào)頻率，搬移到頻率較高的頻段，以電磁波的方式將信息通過(guò)信道發(fā)送出去。FM解調(diào)電路將接收到的包含信息的高頻信號(hào)的頻率搬移到原信號(hào)所處的頻段。鎖相環(huán)是一種相位負(fù)反饋的自動(dòng)相位控制電路，它廣泛應(yīng)用于

2、廣播通信、頻率合成、自動(dòng)控制及時(shí)鐘同步等技術(shù)領(lǐng)域它是通過(guò)比較輸入信號(hào)的相位和壓控振蕩器輸出信號(hào)的相位，取出與這兩個(gè)信號(hào)的相位差成正比的電壓，并將該電壓該電壓作為壓控振蕩器的控制電壓來(lái)控制振蕩頻率，以達(dá)到輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)的頻率相等的目的。鎖相環(huán)主要由相位比較器、壓控振蕩器和低通濾波器三部分組成。調(diào)制電路還需要另設(shè)計(jì)一個(gè)高頻信號(hào)放大器和加法器。解調(diào)電路需要設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器，來(lái)取出解調(diào)信號(hào)。技術(shù)指標(biāo):1. 載波頻率fc=46.5KHz,載波信號(hào)的電壓Vp-p>3V：2. FM調(diào)頻信號(hào)的電壓Vp-p>6V,最大頻率偏移fm>5KHz；3. 解調(diào)電路輸出的FM調(diào)制信號(hào)的電壓V

3、p-p>200mVo二、方案設(shè)計(jì)與分析調(diào)頻是用調(diào)制信號(hào)直接線性地改變載波振蕩的瞬時(shí)頻率，即使載波振蕩頻率隨調(diào)制信號(hào)的失真變化而變化。其逆過(guò)程為頻率解調(diào)（也稱頻率檢波或鑒頻）。本實(shí)驗(yàn)是用CD4046數(shù)字集成鎖相環(huán)（PLL）來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻/解調(diào)（鑒頻）的。1. FM調(diào)頻電路原理圖（如圖1所示）將調(diào)制信號(hào)加到壓控振蕩器（VCO）的控制端，使壓控振蕩器得輸出頻率（在自FM調(diào)制/解調(diào)電路的設(shè)計(jì)振頻率（中心頻率）介上下）隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化，于是生成了調(diào)頻波。當(dāng)載波頻率與自由振蕩頻率相近時(shí)，載波頻率與壓控振蕩器的振蕩頻率鎖定。低通濾波器只保證壓控振蕩中心振蕩頻率與載波頻率鎖定時(shí)所產(chǎn)生的相位誤差電壓通過(guò)

4、，該電壓與調(diào)制信號(hào)同經(jīng)加法器，用以控制壓控振蕩器的頻率，從而獲得與載波頻率具有同樣頻率穩(wěn)定度的調(diào)頻波。圖1FM調(diào)頻電路原理框圖2. FM解調(diào)電路的原理圖（如圖2所示）調(diào)頻波（經(jīng)過(guò)放大器放大后）與壓控振蕩器的輸出被送入鑒相器，經(jīng)鑒相獲得變化的相位誤差電壓，該誤差電壓通過(guò)低通濾波器被濾掉其高頻成份，繼而獲得隨調(diào)制信號(hào)頻率變化而變化的信號(hào)，經(jīng)跟隨器得到解調(diào)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了解調(diào)（鑒頻）過(guò)程。解調(diào)輸出圖2FM解調(diào)電路原理框圖3鎖相環(huán)CD4046工作原理本次課設(shè)要求我們學(xué)握鎖相環(huán)調(diào)制/解調(diào)的原理，用2片數(shù)字鎖相環(huán)CD4046設(shè)計(jì)FM調(diào)制/解調(diào)電路。完成課題的核心器件是CD4046集成鎖相環(huán)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖

5、3所示。第10頁(yè)圖3鎖相壞(4016)內(nèi)部電原理框圖CD4046工作原理：輸入信號(hào)U1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I、I【的輸入端，圖3開關(guān)K撥至2腳，則比較器1將從3腳輸入的比較信號(hào)Uo與輸入信號(hào)U1作相位比較，從相位比較器輸出的誤差電壓UT則反映出兩者的相位差。UW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floVCO的輸出乂經(jīng)除法器再進(jìn)入相位比較器I,繼續(xù)與U1進(jìn)行相位比較，最后使得f2=fl,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II工作，過(guò)程

6、與上述相同，不再贅述PCPoutVdd116PClout215ZENERCOMPin314SIGN"VCOom4CD404613pciioutINH512R2C1A611R1C1B710SFoutVss89VCOin圖4CD4046引腳功能圖圖4是CD4046的引腳排列，采用16腳雙列直插式，各管腳功能：1腳相位輸出端，環(huán)路人鎖時(shí)為高電平，環(huán)路失鎖時(shí)為低電平。2腳相位比較器I的輸出端。3腳比較信號(hào)輸入端。4腳壓控振蕩器輸出端。5腳禁止端，高電平時(shí)禁止，低電平時(shí)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(fù)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)。

7、11、12腳外接振蕩電阻。13腳相位比較器II的輸出端。14腳信號(hào)輸入端。15腳內(nèi)部獨(dú)立的齊納穩(wěn)壓管負(fù)極4. 測(cè)量CD4046鎖相環(huán)的捕捉帶和同步帶方法測(cè)量CD4046鎖相環(huán)的捕捉帶和同步帶，其示意圖如圖5所示。測(cè)量方法：(1) 改變14腳輸入信號(hào)的頻率，使頻率逐漸降低，直至4腳輸出方波剛好出現(xiàn)不穩(wěn)定時(shí)，環(huán)路進(jìn)入失鎖狀態(tài)，該點(diǎn)定義為同步帶的下限頻率(2) 改變14腳輸入信號(hào)的頻率，由人開始頻率逐漸增加，直至4腳輸出方波剛好再次穩(wěn)定時(shí)，環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)，該點(diǎn)定義為捕捉帶的下限頻率“厶”。(3) 改變14腳輸入信號(hào)的頻率，由人開始頻率逐漸增加，直至4腳輸出方波剛好出現(xiàn)不穩(wěn)定時(shí)，環(huán)路進(jìn)入失鎖狀態(tài)，該

8、點(diǎn)定義為同步帶的上限頻率“厶”。(4) 改變14腳輸入信號(hào)的頻率，由厶開始頻率逐漸降低，直至4腳輸出方波剛好再次穩(wěn)定時(shí)，環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)，該點(diǎn)定義為捕捉帶的上限頻率“厶。同步帶寬為：h捕捉帶寬為去1鎖相環(huán)中的鑒相器工作原理鎖相環(huán)中的鑒相器通常由模擬乘法器組成，利用模擬乘法器組成的鑒相器電路如圖6所不。鑒相器的工作原理是：設(shè)外界輸入的信號(hào)電壓和壓控振蕩器輸出的信號(hào)電圧分別為:Ui(t)=Umsmwit+B(/)Uo(t)=Uomsinwot+&o(/)式中的恥為壓控振蕩器在輸入控制電壓為零或?yàn)橹绷麟妷簳r(shí)的振蕩角頻率，稱為電路的固有振蕩角頻率。則模擬乘法器的輸出電壓U。為：Ud=KUmUo

9、msinwit+(f)cosnW+(f)=1/IKUmUomSillW/+8(f)+Wot+仇(/)+1/2KUmUomSinwit+8(f)_wH+&(/)用低通濾波器LF將上式中的和頻分量濾掉，剩下的差頻分量作為壓控振蕩器的輸入控制電壓Uc(r)o即Uc(/)為：Uc(t)=1/IKUmUomsillWit+0(t)-Wot+(/)=UJ/nSill(VVf-Wo)t+8(f)-&(/)式中的Wi為輸入信號(hào)的瞬時(shí)振蕩角頻率，班f)和&(f)分別為輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的瞬時(shí)位相。2.CD4046構(gòu)成頻率調(diào)制與解調(diào)電路的工作原理當(dāng)從9腳輸入載波信號(hào)時(shí)，從4端可輸出受輸入信

10、號(hào)調(diào)制的調(diào)頻信號(hào)。如圖7所示,由于調(diào)頻時(shí)要求VCO有一定的頻率范圍(頻偏)，所以不用R2收縮頻帶，即R2為無(wú)窮大(12腳空置)僅用R1和CI確定VCO的中心頻率fo即可。設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，只需由fo查圖9（電源電壓VCO為9V時(shí)的曲線，橫坐標(biāo)為C1取值）求出C1與R1即可圖7CD4046構(gòu)成的頻率調(diào)制電路當(dāng)從14腳輸入一被信號(hào)調(diào)制的（中心頻率與CD4046的VCO的中心頻率相同）調(diào)頻信號(hào)，則相位比較器輸出端將輸出一個(gè)與信號(hào)具有相同變化頻率的包絡(luò)信號(hào)，經(jīng)低通濾波器濾去載波后，即剩下調(diào)頻信號(hào)解調(diào)后的信號(hào)了。一般使用PCI,這時(shí)僅由R1和Cl確定VCO的中心頻率6而不用R2來(lái)收縮頻率范圍（其為無(wú)窮大）。同

11、樣，由圖9查圖求R1與C1。無(wú)調(diào)頻信號(hào)輸入時(shí)，VCO工作在fo上。解調(diào)電路如圖8所示。圖8CD4046構(gòu)成的頻率解調(diào)電路1061OS=汐VIO210l10°toploopwoopo.oiuo.1p圖9CD4046在不同外部元件參數(shù)下的特性曲線綜上所述設(shè)計(jì)FM調(diào)制/解調(diào)電路如圖10所示aRIO圖10實(shí)驗(yàn)電路圖四、電路性能指標(biāo)的測(cè)試（1）調(diào)頻部分的測(cè)試 鎖相環(huán)自振頻率f。的測(cè)量將INI、IN2分別對(duì)地短路，調(diào)節(jié)微調(diào)電位器PR1至適中位置，測(cè)量D端（即IC3的VC（k腳，也就是CD4046的9腳）直流電壓（約為5.3V,近似電源電壓的1/2）,用示波器觀察鎖相環(huán)輸出0UT1端的波形。記錄波

12、形特性、頻率、幅度，填入下表。0UT1端波形特性頻率(KHz)幅度(Vp-p)鎖相環(huán)自振波形1一十46.513.6V觀察相位比較器（鑒相器）B端（IC3的2腳）的波形，將測(cè)量結(jié)果填入下表。B端相位比較器的輸出波形波形特性頻率（KHz）幅度(Vp-p)1nnnr46.513.4V觀察鑒相器輸出C端的預(yù)積分波形，將測(cè)量結(jié)果填入下表。c端鑒相器輸出預(yù)積分波形波形特性頻率（KHz）幅度(Vp-p)46.5250mV觀察壓控振蕩器輸入VCO端（即加法器IC2的輸出D端）的波形，將測(cè)量結(jié)果填入下表。D端鑒相器輸出積分波形波形特性頻率(KHz)幅度(Vp-p)146.5612mV 鎖定的判斷將信號(hào)發(fā)生器輸出

13、的方波信號(hào)（幅度為3.5Vp-p,頻率為自振頻率仇）加到載波輸入IN1端，用雙蹤示波器同時(shí)觀測(cè)鎖相環(huán)OUT1端和A端的波形（即鎖相環(huán)的4腳和14腳）。如波形穩(wěn)定表示頻率被鎖定。改變信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)頻率，可發(fā)現(xiàn)在較大范圍內(nèi)鎖相環(huán)均能鎖定。kV/v-1pt0£=46.5KHz圖12A端波形 測(cè)量同步帶寬（鎖定范圍）和捕捉帶寬（捕捉范圍）調(diào)節(jié)載波信號(hào)頻率（輸入IN1）,由自振頻率扎開始逐漸緩慢降低，直至（VCOg端）波形抖動(dòng)（即：失鎖），記錄此時(shí)的載波輸入信號(hào)頻率E（下限失鎖頻點(diǎn)）。測(cè)得結(jié)果fi=10.92KHz調(diào)節(jié)載波信號(hào)頻率，由自振頻率仇開始逐漸緩慢增加，直至（VCO°x

14、端）波形抖動(dòng)（即：失鎖），記錄此時(shí)的載波輸入信號(hào)頻率E（上限失鎖頻點(diǎn)）。測(cè)得結(jié)果f：=82.580KHz所以求得同步帶寬（鎖定范圍）66KHz調(diào)節(jié)載波信號(hào)頻率，由仇開始逐漸緩慢增加，直至（VCO,端）波形不抖動(dòng)（即：鎖定），記錄此時(shí)的載波輸入信號(hào)頻率鳥（下限鎖定頻點(diǎn)）。測(cè)得結(jié)果f3=25.320KHz調(diào)節(jié)載波信號(hào)頻率，由鳥開始逐漸緩慢降低，直至（VCOg端）波形不抖動(dòng)（即：鎖定），記錄此時(shí)的載波輸入信號(hào)頻率仇（上限鎖定頻點(diǎn)）。測(cè)得結(jié)果f訐56.980KHz所以求得捕捉帶寬（捕捉范圍）Vv=f廠f3=41.760KHz（2）解調(diào)部分的測(cè)試鎖相環(huán)自振頻率的測(cè)量（由IC4組成）調(diào)節(jié)微調(diào)電位器PR2至

15、適中位置，測(cè)量G端（即IC4的VCO,腳，也就是CD4046的9腳）直流電壓，用示波器觀察鎖相環(huán)輸出E端的波形。記錄波形特性、頻率、幅度，填入下表。E端鎖相環(huán)自振波形波形特性頻率(KHz)幅度（Vp-p）ik46.512.7V觀察相位比較器（鑒相器）F端（IC4的2腳）的波形，將測(cè)量結(jié)果填入下表。F端相位比較器的輸出波形波形特性頻率（KHz）幅度（Vp-p）4k46.512.6V觀察壓控振蕩器輸入VCO,n端（即IC4的輸出G端）的波形，將測(cè)量結(jié)果填入下表。G端波形特性頻率(KHz)幅度(Vp-p)鑒相器輸出積分波形46.512.5V（3）觀測(cè)系統(tǒng)的調(diào)頻情況IN1端輸入幅值為3.5%，頻率與自

16、振頻率相同方波信號(hào)（定義為載波）。IN2端輸入幅值為0.血小、頻率lKHz的正弦波（定義為調(diào)制波）。用雙蹤示波器仔細(xì)觀測(cè)OUT1和IN2,為了可清楚地觀看到調(diào)頻波的疏密變化，可微調(diào)調(diào)制信號(hào)的頻率。圖14OUT1端波形（4）觀測(cè)系統(tǒng)的解調(diào)（鑒頻）情況保持第一部（第3步）的狀態(tài)，聯(lián)結(jié)0UT1端與IN3端（即將調(diào)頻波接入解調(diào)電路），用示波器觀測(cè)咽3和OUT2,可清楚地觀察到頻率為lKHz的正弦波（即解調(diào)出的波形，可同時(shí)與IN2的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行比較，其相位和頻率相同。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)：載波信號(hào)的頻率/t=46.5KHz,載波信號(hào)的電壓VP_P=3.5V,FM調(diào)頻信號(hào)的電壓V=13.0卩,最大頻率

17、偏移fni=71.660KHZ懈調(diào)電路輸出的FM調(diào)FM調(diào)制/解調(diào)電路的設(shè)計(jì)制信號(hào)的電壓=580wV課設(shè)技術(shù)指標(biāo)為：1. 載波信號(hào)的頻率Z=46.5KHz,載波信號(hào)的電壓Vp_p>3V：2. FM調(diào)頻信號(hào)的電壓Vp_p>6V,最大頻率偏移Afni>5KHz：3. 解調(diào)電路輸出的FM調(diào)制信號(hào)的電壓匕>200mvo綜上，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足技術(shù)指標(biāo)。六、課設(shè)體會(huì)及合理化建議五天的課程設(shè)計(jì)，讓我收獲頗豐。我學(xué)習(xí)到以前一點(diǎn)也沒有接觸到的知識(shí)一一鎖相技術(shù)。在這兒天中我加深對(duì)模擬電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)的了解和掌握。我通過(guò)親自設(shè)計(jì)電路、動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，把所學(xué)到的理論知識(shí)運(yùn)用到了實(shí)踐中。這次課程設(shè)計(jì)，我先用Mulrisim軟件來(lái)設(shè)計(jì)FM調(diào)制/解調(diào)電路，但是器件庫(kù)沒有鎖相環(huán)CD4046等器件，而不能完成電路的設(shè)計(jì)。后來(lái)，老師告訴我Hotel軟件來(lái)設(shè)計(jì)電路，我就去學(xué)習(xí)Piotel軟件的使用。經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)Hotel軟件，在制作原理圖的階段我顯得得心應(yīng)手，順利地完成電路的設(shè)計(jì)。這次設(shè)計(jì)也使我對(duì)Hotel軟件環(huán)境更加的熟悉了，通過(guò)電路設(shè)計(jì)和硬件實(shí)驗(yàn)，才知道電路設(shè)計(jì)時(shí)很少有用Multisim的，因?yàn)槟抢锏暮芏喾抡娑紵o(wú)法實(shí)現(xiàn),相比較而言還是Piotel更加強(qiáng)大。通過(guò)此次訓(xùn)練我了解到了基礎(chǔ)知識(shí)的重要性，如果沒有牢固的基礎(chǔ)知識(shí)是不能設(shè)計(jì)電路、做實(shí)驗(yàn)，所以只有把基