鎖相頻率合成器課程設(shè)計

1、湖南工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書2013 2014學(xué)年第2學(xué)期計算機與通信 學(xué)院通信工程專業(yè) 通信11XX班級課程名稱：移動通信設(shè)計題目：鎖相頻率合成器完成期限：自 2014 年5 月 11日至 2014 年5月 19 日共1 周內(nèi)容及任務(wù)一、設(shè)計的主要技術(shù)參數(shù)使用專用集成電路搭建49 MHz和46 MHz鎖相頻率合成器電路，為調(diào)頻發(fā) 射機和接收機準備好移動通信的傳輸信道頻率。每個頻點的頻帶寬度25 kHz。 頻率范圍為 49-49.475 MHz，46-46.475 MHz。二、設(shè)計任務(wù)主要內(nèi)容：利用專用集成電路TH71221外加晶振和電阻電容組成兩個鎖相頻率合成器。 可以利用移動通信實驗箱完成。

2、主要任務(wù)：完成電路設(shè)計；完成電路實際搭建和實現(xiàn)；完成鎖相頻率合成器的各項性能測試。三、設(shè)計工作量1周完成進 度 安排起止日期工作內(nèi)容5月11日分組、任務(wù)分配、課題理解5月11日-5月15日功能分析、電路設(shè)計和實現(xiàn)5月15日-5月18日實驗驗證和測試5月19日總結(jié)、書寫實驗報告參 考 資 料李建東等.移動通信.西安電子科技大學(xué)出版社.2006.7吳偉陵.移動通信原理.電子工業(yè)出版社.2005.11蔡濤等譯.無線通信原理與應(yīng)用.電子工業(yè)出版社.2001.4及燕麗等.現(xiàn)代通信系統(tǒng).電子工業(yè)出版社.2002.6.指導(dǎo)教師(簽字)：年 月日系(教研室)主任(簽字)：年 月日湖南工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計資料袋計算

3、機與通信學(xué)院（系、部）20132014 學(xué)年第 2 學(xué)期課程名稱 移動通信 指導(dǎo)教師陳衛(wèi)兵 職稱教授學(xué)生姓名 你懂得專業(yè)班級通信11xx班 學(xué)號 114082004題 目鎖相頻率合成器成 績 起止日期2014年05月日 2014年05月給日目錄清單序號材料名稱資料數(shù)量備注1課程設(shè)計任務(wù)書12課程設(shè)計說明書13課程設(shè)計圖紙張4源代碼56移動通信設(shè)計說明書鎖相頻率合成器起止日期： 2014年05月日 至 2014年05月呈史日學(xué)生姓名你懂得班級通信工程11xx學(xué)號11408200400成績指導(dǎo)教師（簽字）計算機與通信學(xué)院2014年05月19日課題名稱鎖相頻率合成器人數(shù)5人組長牛逼啊組員內(nèi)容及任務(wù)一

4、、設(shè)使 機和接 范圍為二、設(shè)主利 可以利主1.2.3.三、設(shè)1:計的主要技術(shù)參數(shù)1用專用集成電路搭建49 MHz和46 MHz鎖相頻率合成器電路，為調(diào)頻發(fā)射 :收機準備好移動通信的傳輸信道頻率。每個頻點的頻帶寬度25 kHz。頻率 49-49.475 MHz，46-46.475 MHz。:計任務(wù)要內(nèi)容：用專用集成電路TH71221外加晶振和電阻電容組成兩個鎖相頻率合成器。【用移動通信實驗箱完成。:要任務(wù)：完成電路設(shè)計；完成電路實際搭建和實現(xiàn)；完成鎖相頻率合成器的各項性能測試。:計工作量周完成進 度 安排起止日期工作內(nèi)容5月11日分組、任務(wù)分配、課題理解5月11日-5月15日功能分析、電路設(shè)計和

5、實現(xiàn)5月15日-5月18日實驗驗證和測試5月19日總結(jié)、書寫實驗報告參 考 資 料李建東等.移動通信.西安電子科技大學(xué)出版社.2006.7吳偉陵.移動通信原理.電子工業(yè)出版社.2005.11蔡濤等譯.無線通信原理與應(yīng)用.電子工業(yè)出版社.2001.4及燕麗等.現(xiàn)代通信系統(tǒng).電子工業(yè)出版社.2002.6.指導(dǎo)教師(簽字)：系(教研室)主任(簽字)：鎖相頻率合成器一、設(shè)計的內(nèi)容及任務(wù)主要內(nèi)容：利用專用集成電路TH71221外加晶振和電阻電容組成兩個鎖相頻率合成器?？梢岳靡苿油ㄐ艑嶒炏渫瓿?。主要任務(wù)：1.測量發(fā)射機鎖相頻率合成器輸出頻率與計算值比較，熟悉鎖相頻率合成原理及 輸出頻率及頻道間隔的計算。

6、測量發(fā)射機鎖相頻率合成作為鎖相調(diào)頻器的調(diào)制頻率特性，熟悉鎖相調(diào)頻原理。觀察鎖相頻率合成器頻道切換捕捉過程，了解環(huán)路捕捉過程機理。圖1系統(tǒng)框圖PD為鑒相器；LF為環(huán)路濾波器；VCO為壓控振蕩器，其振蕩頻率fv受控制電壓uc的 控制而改變，一般有fV=f0+K0uc(1-1)式1-1中，f0為VCO的固有振蕩頻率，K0為壓控靈敏度(單位Hz/V 或rad/S-V)；瀏為程 序分頻器，其分頻比由CPU程序設(shè)置可變；-R為參考分頻器，將穩(wěn)定的晶體振蕩器頻率fR 分頻得到環(huán)路的參考頻率fr (一般為5KHz、6.25KHz、12.5KHz或25KHz等)。環(huán)路鎖定時， PD的兩個輸入信號相差為0或固定值

7、，則頻差為0，即fr=ff=fv/N故fv=Nfr(1-2)由式(1-2)可見，由CPU程序改變N的取值就改變了環(huán)路的輸出頻率，且所有頻率都與 晶振頻率具有相同的準確度與穩(wěn)定度。由式(1-2)還可見，頻道間隔最小可以等于fr,其實 際值由系統(tǒng)要求決定。一般模擬調(diào)頻通信系統(tǒng)頻道間隔 f =25KHz，若鎖相頻率合成器的 fr=5KHz，則N變化步長Nt。實際鎖相頻率合成器集成電路包含了圖1-1電路框圖中除LF及VCO以外的全部電路， 有的甚至包含兩個這樣的電路，分別用于接收機及發(fā)射機，稱為雙?匚匚頻率合成器電路。鎖相環(huán)頻率合成器，其特征在于，其包括：一鑒頻鑒相器；一電荷泵，該電荷泵的輸入 端與鑒

8、頻鑒相器的輸出端相連；一低通濾波器，該低通濾波器的輸入端與電荷泵的輸出端相 連；一數(shù)?；旌闲盘柨刂普袷幤?，該數(shù)?；旌闲盘柨刂普袷幤鹘邮盏屯V波器的信號和分頻 數(shù)N信號；一 1/N分頻器，該1/N分頻器接收數(shù)?；旌闲盘柨刂普袷幤鞯男盘枺辉?/N分頻器 同時接收外部分頻數(shù)的控制信號；由以上電路組成鎖相環(huán)路，其中數(shù)?；旌闲盘柨刂普袷幤?由數(shù)字和模擬混合信號來控制，實現(xiàn)快速頻率和相位鎖定；其中數(shù)字信號直接確定數(shù)?；旌?信號控制振蕩器的頻率；模擬信號控制數(shù)模混合信號控制振蕩器的輸出頻率的精度；其中控 制1/N分頻器的分頻數(shù)N信號經(jīng)過編碼器產(chǎn)生數(shù)?；旌闲盘柨刂茢?shù)?；旌闲盘柨刂普袷幤鞯?數(shù)字控制信號，數(shù)字控

9、制信號用于控制數(shù)模混合信號控制振蕩器。二、方案 一、設(shè)計方法采用模擬電路設(shè)計采用晶振與三極管以及兩電容構(gòu)成并聯(lián)型品體振蕩器，再將輸出信號經(jīng)過施密特觸發(fā)器 整形，產(chǎn)生方波。此電路對電容的要求較高，且較為復(fù)雜麻煩，不穩(wěn)定，故舍棄之。采用74LS04芯片采用74LS04中的三個非門與電容C1、電阻R1、R2構(gòu)成晶振電路，由于電阻電容只是起 輔助作用，且產(chǎn)生的輸出波形為占空比50%的方波，電路穩(wěn)定可靠。故使用此電路作為方波 發(fā)生電路。二、1/N分頻器的選定：1.選用BCD加法計數(shù)器若采用BCD加法計數(shù)器，在預(yù)置分頻數(shù)時應(yīng)求其關(guān)于9的補碼預(yù)置，或者使用轉(zhuǎn)換電路 進行轉(zhuǎn)換，較為麻煩，故放棄使用。選用BCD

10、減法計數(shù)器若采用BCD減法計數(shù)器，在預(yù)置分配數(shù)時可直接輸入BCD碼，方便快捷，故選用減法器。三、電路設(shè)計1.晶體振蕩器石英晶體，有天然的也有人造的，是一種重要的壓電品體材料。石英品體本身并非振蕩 器，它只有借助于有源激勵和無源電抗網(wǎng)絡(luò)方可產(chǎn)生振蕩。只要在晶體振子板極上施加交變 電壓，就會使晶片產(chǎn)生機械變形振動，此現(xiàn)象即所謂逆壓電效應(yīng)。當外加電壓頻率等于晶體 諧振器的固有頻率時，就會發(fā)生壓電諧振，從而導(dǎo)致機械變形的振幅突然增大。型號traLPd54/740412ns8ns60mW54/74H046ns6. 5ns140mW5474S043ns3nsLlSinW54V4L.S049ns10nsL.

11、2mWw圖2電特性典值74LS04為六組反相器，共有54/7404、54/74H04、5474S0、5474LS04四種線路結(jié)構(gòu)形式，其主要電特性典值如圖2：PIN ARRANGEMEN1E-lY 上-刁“攻口 ?v l 1 hT圖3引腳圖如圖3本實驗使用一種TTL品體振蕩器，品體的頻率點可以在很高的范圍內(nèi)選擇，如數(shù)百 赫茲到數(shù)十兆赫茲，由于需要，選擇4.096MHz的石英品體作為振蕩品體。由于振蕩頻率較高， 門也應(yīng)選中較高速的74LS04，門的偏置電阻也將隨門的類型改變而適當?shù)恼{(diào)節(jié)，以確保最佳工作狀態(tài)。74LS04使用5V直流穩(wěn)壓供電，在U1C 口，即引腳6，將得4.096MHz的方波輸出。

12、 一.1/M分頻器1、1/M分頻器電路原理由于晶振電路輸出為頻率為4.096MHz的方波，欲獲得1KHz、2KHz、4KHz的方波，則應(yīng)進 行分頻。獲得1KHz分頻M1為4.096*10/103=4096=212；同理2幻2、4KHz的分M2M3應(yīng)當分別為 211、210。故可采用3片集成四位二進制計數(shù)器(74LS293)進行級聯(lián)構(gòu)成(如圖3-2-2)，最大 分頻正好為212。圖3-2-1為74LS04真值表，74LS293為二、八、十六進制計數(shù)器。R0(1)、R0(2)為異步清 零端，R0(1)、為高電平時，不管時鐘輸入CKA、CKB狀態(tài)如何，即可以完成清零功能。當 R0(1),R0(2)中

13、有一個為低電平時，在CKA、CKB脈沖下降沿作用下進行計數(shù)操作：將CKB與 連接，計數(shù)脈沖由輸入。圖3-2-1 74LS293真值表在QA,QB,QC,QD得到二、四、八、十六 分頻。CKA為二分頻輸入端，QA為二分頻輸出。CKB為八分頻輸入端，QB、QC、QD為八分頻 輸出端。迎1)迎2】耶駐畔)如 QC卜CEE QDQAQE國 0 朋 gCEB圖4 1/M分頻電路四、1/N可編程分頻器一、74LS192為實現(xiàn)0-9999的可編程1/N分頻器，我們使用了4片74LS192 BCD碼可逆計數(shù)器，使用其 減法功能。其電路圖如圖4-2，信號由圖中的input 口輸入，從output 口輸出，分頻數(shù)

14、M的BCD碼最高位與U4D對應(yīng)，依次往下為U4C、U4B、U4A、U3DU1A。74LS192為可預(yù)置的十 進制同步加/減法計數(shù)器。其引腳功能及真值表如圖5。MRPLCPUCPDMODE工作模式HxXxReset (Asyn.jWLLXXPreset (Asyn.)fSSLHHHNo Change保持-HA.HCount Up加計數(shù)LHHCount DowN減計數(shù)圖5 74LS192真值表CPU為加計數(shù)時鐘輸入端。CPD為減計數(shù)時鐘輸入端。LD為預(yù)置輸入控制端，異步預(yù)置。CLR為復(fù)位輸入端，高電平有效，異步清除。CO為進位輸出：1001狀態(tài)后負脈沖輸出。BO為借位輸出：0000狀態(tài)后負脈沖輸出

15、。A、B、C、D分別為預(yù)置輸入口。QA、QB、QC、QD為計數(shù)輸出口。二、1/N可編程分頻器工作原理現(xiàn)結(jié)合上例簡單介紹1/N可編程分頻器的工作原理。當電路穩(wěn)定工作后（即第一次重置 信號U4-13輸出重置脈沖重置電路），每從input 口輸入一個周期的信號，U1內(nèi)的數(shù)便減1， 當U1內(nèi)數(shù)減至0000并再次進入下一信號周期時，U1-13口輸出借位信號脈沖，U2在收到這個 脈沖信號后執(zhí)行減一操作，由于U1 DIV=10，故皿進入模為10的減法循環(huán)。以后每經(jīng)過10個 信號周期，U1再次輸出一個借位信號，U再次減1。U2內(nèi)數(shù)減少到0，并再次收到借位信號的 時候，向U3輸出借位信號，U3減1。由此往復(fù)，直

16、到U4內(nèi)的數(shù)全減為0并且U3再次傳來借位 信號時，U4輸出重置信號，將U1、U2、U3、U4內(nèi)數(shù)重置。完成一次完整循環(huán)?，F(xiàn)在輸入BCD 碼為0001001000110100，則需要經(jīng)過 1*10*10*10+2*10*10+3*10+4=1234 次信號周期才輸出一 個重置信號，完成一次完整循環(huán)，故分頻數(shù)N=1234。五、鎖相環(huán)電路原理為實現(xiàn)N倍頻，需要使用鎖相環(huán)電路。鎖相的意義是相位同步的自動控制，能夠完成兩 個電信號相位同步的自動控制閉環(huán)系統(tǒng)叫做鎖相環(huán)，簡稱PLL。它廣泛應(yīng)用于廣播通信、頻 率合成、自動控制及時鐘同步等技術(shù)領(lǐng)域。鎖相環(huán)主要由相位比較器（PC）、壓控振蕩器（VCO）。 低通濾

17、波器三部分組成。Y0圖6鎖相環(huán)電路原理如圖5,壓控振蕩器的輸出Uo接至相位比較器的一個輸入端，其輸出頻率的高低由低通 濾波器上建立起來的平均電壓Ud大小決定。施加于相位比較器另一個輸入端的外部輸入信號 Ui與來自壓控振蕩器的輸出信號Uo相比較，比較結(jié)果產(chǎn)生的誤差輸出電壓U正比于Ui和Uo 兩個信號的相位差，經(jīng)過低通濾波器濾除高頻分量后，得到一個平均值電壓Ud。這個平均值 電壓Ud朝著減小VCO輸出頻率和輸入頻率之差的方向變化，直至VCO輸出頻率和入信號頻率 獲得一致。這時兩個信號的頻率相同，兩相位差保持恒定（即同步）稱作相位鎖定。本實驗 使用CD4046鎖相環(huán)電路。六、鎖相頻率合成器的系統(tǒng)測試

18、在完成器件的選用、理論分析、等一系列工作后，開始對系統(tǒng)的性能進行測試。對系統(tǒng) 測試的性能指標主要有以下幾個方面：頻率工作范圍，主要是指頻率合成器的工作頻率范圍。頻率間隔，主要是指相隔之間的最小間隔即頻率合成器的分辨力。頻率轉(zhuǎn)換時間，是指從一個工作頻率轉(zhuǎn)換到另一個工作頻率并達到穩(wěn)定工作所需要的時 間，包括電路的延遲時間和鎖相環(huán)路的捕捉時間。頻率穩(wěn)定度和精確度，頻率穩(wěn)定度是指觀測時間內(nèi)合成器輸出頻率偏離標稱值的程度。 準確度則表示實際工作頻率與標稱值之間的偏差。頻譜純度，指輸出信號接近正弦波的程度。測試過程:測分頻器R：電源電壓加至12V,在輸入端加上信號源，輸出信號引入示波器觀察輸出波 形，調(diào)節(jié)信號源的幅度，經(jīng)過分頻器分頻輸出的信號與理論輸出信號頻率相同說明輸入信號 已經(jīng)達到最低幅度的要求。Vcc (V)Vin （正弦波）Ein （方波）55.5638Up-p4. 70 Up-p1010.7925 Lp-p8. 90 Up-p1212. 9625 Up-p10. 94 Up-p1516.2175 Lp-p13. 34 Up-p圖7測試數(shù)據(jù)測試鎖相環(huán)：測鎖相環(huán)輸出端，調(diào)節(jié)可編程分頻器CC40103，測得頻率應(yīng)與R分頻器的 輸出頻率與可編程分頻器的預(yù)置數(shù)的乘積相等說明達到要求。測電源電壓與輸入電壓的關(guān)