鎖相環(huán)的頻率合成器課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、-睬n-叩 泌 -卻 妝 -昵 泌目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 一、設(shè)計(jì)和制作任務(wù)3 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 二、主要技術(shù)指標(biāo) 3 HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 三、確定電路組成方案3 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document 四、設(shè)計(jì)方法4（一）、振蕩源的設(shè)計(jì)4（二）、N分頻的設(shè)計(jì)4（三）、1KHZ標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源設(shè)計(jì)（即M分頻的設(shè)計(jì)）5 HYPERLINK

2、 l bookmark63 o Current Document 五、鎖相環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)6 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 六、電路板制作7 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 七、調(diào)試步驟8 HYPERLINK l bookmark75 o Current Document 八、實(shí)驗(yàn)小結(jié)8 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document 九、心得體會(huì)9 HYPERLINK l bookmark90 o Current Document 十、參考文獻(xiàn)9附錄：各芯片

3、的管腳圖10鎖相環(huán)CD4046設(shè)計(jì)頻率合成器內(nèi)容摘要：頻率合成是以一個(gè)或少量的高準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)頻率作為參考頻率，由此導(dǎo)出多個(gè)或大量的輸出頻率，這些輸出的準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度與參考頻率是一致的。在通信、雷達(dá)、 測(cè)控、儀器表等電子系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用，頻率合成器有直接式頻率合成器、直接數(shù)字式頻率合成器及鎖相頻率合成器三種基本 模式，前兩種屬于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，因此是有頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，分辨率較高等優(yōu)點(diǎn)，而鎖相頻率合 成器是一種閉環(huán)系統(tǒng)，其頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間和分辨率均不如前兩種好，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。 并且輸出頻率的準(zhǔn)確度不遜色與前兩種，因此采用鎖相頻率合成。關(guān)鍵詞：頻率合成器CD4046一、設(shè)計(jì)和制作任務(wù)確定電

4、路形式，畫出電路圖。計(jì)算電路元件參數(shù)并選取元件。組裝焊接電路。調(diào)試并測(cè)量電路性能。寫出課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)二、主要技術(shù)指標(biāo)1 .頻率步進(jìn)1kHz頻率穩(wěn)定度 f 1KHz 電源電壓Vcc=5V三、確定電路組成方案原理框圖如下，鎖相環(huán)路對(duì)穩(wěn)定度的參考振動(dòng)器鎖定，環(huán)內(nèi)串接可編程的 分頻器，通過(guò)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。 品體振蕩器輸出的信號(hào)頻率fl， TOC o 1-5 h z 經(jīng)固定分頻后（M分頻）得到 口|也基準(zhǔn)頻率fl，輸入鎖相環(huán)的相眼-fl Llj日岫？vco I位比較器（PC）。鎖相環(huán)的VCOI1輸出信號(hào)經(jīng)可編程分頻器（N分頻） 后輸入到PC的另一端，這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行

5、相位比較，當(dāng)鎖相環(huán)路鎖定后得到:f1/M=f1=f2/N故 f2=Nf1（f1 為基準(zhǔn)頻率）當(dāng)N變化時(shí)，或者N/M變化時(shí)，就可以得到一系列的輸出頻率f2。四、設(shè)計(jì)方法（一）、振蕩源的設(shè)計(jì)用CMOS與非門和1M晶體組成1MHz振蕩器，如圖14。圖中Rf使 F1工作于線性放大區(qū)。品體的等效 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。 F1、F2、F3 使用 CD4049。、N分頻的設(shè)計(jì)方案一：用一片CD4017作分頻器組成2-9KHZ頻 率合成器。4017構(gòu)成二、三，九等分頻器，將上述 4017組成的分頻器代入圖15中的1/N分頻器， 就組成29KHZ頻率合成器。方案二

6、：?jiǎn)纹珻D4522頻率合成器構(gòu)成1-9kHz變 化。CD4522是可預(yù)置數(shù)的二一十進(jìn)制1/N減計(jì) 數(shù)器。其引腳見(jiàn)附錄。其中D1-D4是預(yù)置端， Q1-Q4是計(jì)數(shù)器輸出端，其余控制端的功能如 下：PE (3) 二1時(shí)，D1D4值置進(jìn)計(jì)數(shù)器EN (4) =0， 且CP (6)時(shí)，計(jì)數(shù)器(Q1Q4)減計(jì)數(shù)；CF (13)=1 且計(jì)數(shù)器(Q1Q4)減到 0 時(shí)，QC(12)二1Cr(10) 二1時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。單片4522分頻器，撥盤開(kāi)關(guān)為BCD碼開(kāi)關(guān)， 如當(dāng)數(shù)據(jù)窗口顯示3時(shí)則A和1，2相連；當(dāng)顯 示5時(shí)，則A和14相連，其余類推。4個(gè)100K 電阻用來(lái)保證當(dāng)撥盤開(kāi)關(guān)為某腳不和A相連，也就是懸空時(shí)，為

7、低電平。工作過(guò) 程是這樣的：設(shè)撥盤開(kāi)關(guān)撥到N，當(dāng)某時(shí)刻PE (3)=1，則N置到IC內(nèi)的計(jì)數(shù)器中，下一個(gè)CP來(lái)時(shí)， 計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)變?yōu)镹-1，一直到第N個(gè) CP來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)器為0。這時(shí)由于CF (13) =1， 所以QC (12) =1，也即PE (3) =1又恢復(fù)到開(kāi) 始狀態(tài)，開(kāi)始一個(gè)新的循環(huán)。很顯然，每來(lái)個(gè)N 個(gè)CP，QC (12)就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)高電平，也就是QC (12)應(yīng)是CP的N分頻信號(hào)。用改圖電路代替上圖中4017部分，組成1 9KHz頻率合成器 方案三：用三片4522組成1999HHZ頻率合成器如下圖，最終應(yīng)做到撥盤開(kāi)關(guān)的數(shù)值是多少，VCO輸出信號(hào)的頻率就是多少 KHz。圖31999H

8、HZ頻率合成器CMMfLEg加Ik輸出10K10k Hz1kHz fl 1kHzvDd Ten 1Cp CD4518 2CP1QENK2RVdd 1EN 2Q* 1CP CD4518IM輸入2CP】Q4瀏r咋$9|1Q T 8方案比較：雖然三個(gè)方案都能實(shí)現(xiàn)頻率合成器，方案一和方案二差不多，原理簡(jiǎn)單， 結(jié)構(gòu)清晰，但是最終頻率只能實(shí)現(xiàn)1-9kHz，而方案三雖然原理和結(jié)構(gòu)上都比較 復(fù)雜，但是可以達(dá)到1-999KHz的頻率變化，所以選擇方案三。（三）、1KHZ標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源設(shè)計(jì)（即M分頻的設(shè)計(jì)）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(gè)計(jì)數(shù)器）組

9、成一個(gè)1000 分頻器，也就是三個(gè)十分頻器， 這樣就可把1MHz的晶振信號(hào)變 成1KHz的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。如下圖所 示：通過(guò)前面的分析可以得到總體的設(shè)計(jì)電路圖如下:基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生JA9們3OPC23OP100kHz9VDDHt|2Vdd 1EN 2Q4 1Cp CD4518 2CP1Q42ENR-10k HzLH2R Vssh1kHzfi1kHz158輸入信號(hào)比較信號(hào)相位 比較器16 4夫3 I100k!13-CD#4 5k9_Vd至4鎖相環(huán)30.068MFddId輸出-I 4信號(hào)7VCDOHBEil7,0P58CD4046&5/?2100k_x4 -Vdd 即 Q4 Cp CFPEn .13CD45

10、22 DI * -R 茄3 DP2 DPI DPQ/ssVDD ENCF CD4522II *PERDP3 DP2 DPI DPORs14111316Vdd EN Cl一 夫9 夫12 _ 100k x 41LC=sa3（百位） I I撥 1（0001）1 A3A2五、鎖相環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)12110Q4CPPE CD4522I %141158DP3 DP2 DPI DPOss 2，夫13 夫16100k X 4CDCZ3SA2（ + 位）撥 7（0111）A】1削SA】(個(gè)位) 撥 5(0101)本設(shè)計(jì)中，M固定，N可變?；鶞?zhǔn)頻率f1 定為1KHz,改變N值，使N=1999,則可產(chǎn)生 f2=1KHz

11、999KHz的頻率范圍。鎖相環(huán)鎖存范圍:fmax=1M1.1MHzfmin=1001KHz則 fmax/fmin=1K11K使用相位比較器PC21）若 R28，則由 fmax/fmin=1K-11K由右圖大概確定R2/R1的值約為（1-10） K選定 R1=10K。，可得 R2= （100-500） K。選定Vdd=5-10v,參照右圖與fmin=1001kHz可求 出10Typical maxmin vs R2/R1TA = 25, C:! : JtlfMAXWHENVCOIN = VDD fMNWHENVCO|N = V$sN=AMnDUJB1葉4 IQ2 10-1 110 1ft201

12、- VCO TIMING CAPACITOR 閉C1=2*10-4uFTypical PerformanceCharacteristics2)若 R2=8,由 fo=fmax/2=500KHz，參照?qǐng)D5并選定 Vdd=510v ,可得 C1=1.5*10-42*10-4uF又 2fc=fmax+fmin=(1000.11001)kHz,2fl=fmax-fmin=(999999.9)kHz,Typical Center Frequency vs C1for R1 =10 kQ, 100 kQ and 1 MQW1O6湖IO3IO2III I Illi 用Ta = 25CVCO|N = Vdd/

13、2, R2 = 8ZW、!R1 = 10KC1 - VCD TIMING CAPACITOR 仙F)FIGURE 5.T1=R3*C2最終算出R3*C2=2n *f/(2n fc)2=0.318uF令 R3=10KQ，則 C231.8pF六、電路板制作在制作電路板之前，要先對(duì)整個(gè)電路結(jié)構(gòu)及其在萬(wàn)用板的布局進(jìn)行分析，然 后畫出實(shí)際的布線圖。在焊電路板之前，應(yīng)該要做一些準(zhǔn)備工作，把各個(gè)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(wàn)用板，這樣在焊接過(guò) 程中比較好焊，容易使錫粘到銅圈上。由于要產(chǎn)生1 KHz-999KHz的較高頻率， 所以在焊接電路時(shí)要盡量使各個(gè)器件都貼在萬(wàn)用板上，減小各

14、個(gè)器件的引腳，從 而降低對(duì)電路的影響。為了使整個(gè)電路在外觀上更加的美觀和穩(wěn)定，所以在焊接時(shí)全部用錫來(lái)作為 導(dǎo)線連接，如果稍微連錯(cuò)的話就不好改，所以在焊接時(shí)要非常的認(rèn)真。焊接結(jié)果 如下圖所示：七、調(diào)試步驟1、接上電源后，測(cè)試晶振產(chǎn)生的頻率f0和經(jīng)過(guò)各次分頻后的頻率fi。晶振產(chǎn)生的頻 率 f0 (Hz)第一次十分 頻 f1 (Hz)第二次十分頻 f2 (Hz)第三次十分頻 f3 (Hz)1.010M101.2K10.10K1.010K2、把開(kāi)關(guān)往左撥，即斷開(kāi)4046與4522的連接，測(cè)試4046本身的振動(dòng)頻率4046本身的振 動(dòng)頻率f (MHz)1.515MHz3、撥動(dòng)撥碼盤，測(cè)輸出頻率撥碼盤輸出

15、頻率f (Hz)4046 (3)腳頻 率 f (Hz)輸出波形1976Hz1.012K1010.04K1.012K100101.0K1.012K300301.2K1.012K900909.1K檢測(cè)不到9991.01M檢測(cè)不到八、實(shí)驗(yàn)小結(jié)在做實(shí)驗(yàn)過(guò)程中碰到一下幾個(gè)問(wèn)題：1、開(kāi)始時(shí)，輸出一直沒(méi)有信號(hào)首先我先檢查了振蕩源，M分頻，N分頻及鎖相環(huán)模塊，先確定是那個(gè)模塊 出了問(wèn)題。檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)振蕩源不起振，經(jīng)過(guò)認(rèn)真檢查了電路，后來(lái)發(fā)現(xiàn)原來(lái)是 自己沒(méi)有認(rèn)真閱讀芯片資料，CD4049的電源是接1腳的，而我把電源給接16腳 了。2、振蕩源起振后，輸出仍然沒(méi)有信號(hào)檢查M分頻，用示波器觀察4518各級(jí)分頻器的輸出

16、信號(hào)，輸出結(jié)果為 1KHz，顯然M分頻模塊正常工作。檢查鎖相環(huán)部分，斷開(kāi)4046的鑒相器輸入端(3)腳和4522的連線，讓 4046的(3)、(4)腳短接，即不分頻。4046的(14)腳輸入幾KHz幾百KHz 的CMOS信號(hào)，4046的(4)腳輸出信號(hào)能跟蹤(14)腳輸入信號(hào)，所以鎖相部 分也正常。檢查N分頻，用函發(fā)源直接給4522的輸入端輸入100kHZ信號(hào)，把撥碼盤 撥為100,觀察輸出信號(hào)是否為1KHz,結(jié)果發(fā)現(xiàn)沒(méi)有輸出信號(hào)，可以判斷問(wèn)題是 出在N分頻部分，然后搭成單級(jí)電路的方法檢查每片4522是否正常，再接成級(jí) 聯(lián)的，撥盤開(kāi)關(guān)置為100多，用示波器可以觀察到分頻器的輸入、輸出波形。3、

17、當(dāng)頻率到700KHz以上時(shí)，發(fā)現(xiàn)頻率偏差范圍就比較大，為了使能夠調(diào)節(jié)，我 通過(guò)一個(gè)定值電阻和電位器來(lái)作為鎖相環(huán)的R1和R2。4、為什么當(dāng)頻率為900KHz以上時(shí)，4046的3引腳頻率不能測(cè)到1 KHz？我想原因應(yīng)該有多種可能，一種是可能鎖相環(huán)的鎖定范圍不能達(dá)到900KHz， 但是4腳的輸出頻率為909.1KHz，從這個(gè)可以看出應(yīng)該還是在鎖相環(huán)的鎖定范 圍的；另一種可能就是N分頻的問(wèn)題，當(dāng)輸入為100分頻時(shí)，3腳可以測(cè)出 1.012KHz，但是占空比已經(jīng)是非常小的了，從示波器上只能看到一條線，當(dāng)輸入 為900時(shí)，3腳信號(hào)的占空比更小了，示波器可能測(cè)不出來(lái)。九、心得體會(huì)這次專業(yè)課程設(shè)計(jì)，讓我的基礎(chǔ)理論知識(shí)、動(dòng)手實(shí)踐能力經(jīng)歷了一次檢驗(yàn)， 暴露了自己的許多不扎實(shí)的方面。在兩天的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，從實(shí)驗(yàn)原理圖的識(shí)別、 理解，元件、芯片工作原理的理解，到電路板的焊接，檢查，調(diào)試。都很認(rèn)