《電子測量》課程設(shè)計報告鎖相信號發(fā)生器設(shè)計

1、 電子測量課程設(shè)計報告課題： 鎖相信號發(fā)生器設(shè)計 班級 電子3072 學(xué)號 3072107223 學(xué)生姓名 專業(yè) 電子信息工程 系別 電子信息工程系 指導(dǎo)教師 電子測量課程設(shè)計指導(dǎo)小組 淮陰工學(xué)院電子信息工程系2010年6月1 設(shè)計目的 a) 培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的正確設(shè)計思想，訓(xùn)練綜合運用已經(jīng)學(xué)過的理論和生 產(chǎn)實際知識去分析和解決工程實際問題的能力。b) 學(xué)習(xí)較復(fù)雜的電子系統(tǒng)設(shè)計的一般方法，了解和掌握模擬、數(shù)字電路等 知識解決電子信息方面常見實際問題的能力，由學(xué)生自行設(shè)計、自行制 作和自行調(diào)試。 c) 進行基本技術(shù)技能訓(xùn)練，如基本儀器儀表的使用，常用元器件的識別、 測量、熟練運用的能力，掌握設(shè)計

2、資料、手冊、標準和規(guī)范以及使用仿 真軟件、實驗設(shè)備進行調(diào)試和數(shù)據(jù)處理等。d) 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。2 設(shè)計要求 1.說明電路的工作原理； 2.主要單元電路和元器件參數(shù)計算、選擇、使用方法及功能； 3.畫出總體電路圖； 4.上交完整的實習(xí)報告。3 總體設(shè)計3.1 設(shè)計總框圖 十進制同步加/減計數(shù)器 圖1 鎖相信號發(fā)生器原理框圖vco輸出頻率fo經(jīng)n分頻得到所以輸出頻率是參考頻率fr的整數(shù)倍,即3.2 設(shè)計總電路圖圖2 整體電路圖3.3 設(shè)計設(shè)備與器材原件數(shù)量4046芯片1件74hc191芯片1件100k電阻1件1m電阻1件2.2u電容1件1000p電容1件100k電位器1件萬能板1件焊錫、導(dǎo)線若

3、干根4 單元電路設(shè)計4.1 cd4046鎖相環(huán)電路4.1.1 cd4046基本原理 cd4046是一款集成鎖相環(huán)芯片，是通用的cmos鎖相環(huán)集成電路，包含鑒相器、壓控振蕩器2部分，使用時需外接低通濾波器(圖2)形成完整的鎖相環(huán)。其內(nèi)部設(shè)有1個6.2 v的齊納穩(wěn)壓管，在需要時作為輔助電源。此芯片特點是：電源電壓范圍寬(3 v18 v)、輸入阻抗高(約100 m)、動態(tài)功耗小，在中心頻率f0為10 khz下功耗僅為600 w，屬微功耗器件。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

4、。鎖相環(huán)主要由相位比較器（pc）、壓控振蕩器（vco）。低通濾波器三部分組成，如圖3所示。圖3 cd4046原理框圖壓控振蕩器的輸出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輸出頻率和輸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。當

5、鎖相環(huán)入鎖時，它還具有“捕捉”信號的能力，vco可在某一范圍內(nèi)自動跟蹤輸入信號的變化，如果輸入信號頻率在鎖相環(huán)的捕捉范圍內(nèi)發(fā)生變化，鎖相環(huán)能捕捉到輸人信號頻率，并強迫vco鎖定在這個頻率上。鎖相環(huán)應(yīng)用非常靈活，如果輸入信號頻率f1不等于vco輸出信號頻率f2，而要求兩者保持一定的關(guān)系，例如比例關(guān)系或差值關(guān)系，則可以在外部加入一個運算器，以滿足不同工作的需要。 過去的鎖相環(huán)多采用分立元件和模擬電路構(gòu)成，現(xiàn)在常使用集成電路的鎖相環(huán)，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，

6、屬微功耗器件。設(shè)參考信號 式中 ur為參考信號的幅度 r為參考信號的載波角頻率 r(t)為參考信號以其載波相位rt為參考時的瞬時相位 若參考信號是未調(diào)載波時，則r(t)= 1=常數(shù)。設(shè)輸出信號為 式中 uo為輸出信號的振幅 o為壓控振蕩器的自由振蕩角頻率 o (t)為參考信號以其載波相位ot為參考時的瞬時相位, 在vco未受控制前他是常數(shù)，受控之后他是時間函數(shù)。則兩信號之間的瞬時相位差為 由頻率和相位之間的關(guān)系可得兩信號之間的瞬時頻差為 鑒相器是相位比較器，他把輸出信號uo(t)和參考信號ur(t)的相位進行比較，產(chǎn)生對應(yīng)于兩信號相位差e (t)的誤差電壓ud(t)。環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差

7、電壓ud(t)中的高頻成分和噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。壓控振蕩器受控制電壓uc(t)的控制，uc(t)使壓控振蕩器的頻率向參考信號的頻率靠近，于是兩者頻率之差越來越小，直至頻差消除而被鎖定。 因此，鎖相環(huán)的工作原理可簡述如下：首先鑒相器把輸出信號uo(t)和參考信號ur(t)的相位進行比較，產(chǎn)生一個反應(yīng)兩信號的相位差e (t)大小的誤差電壓ud(t)，ud(t)經(jīng)過環(huán)路濾波器的過濾得到控制電壓uc(t)。uc(t)調(diào)整vco的頻率向參考信號的頻率靠攏，直至最后兩者頻率相等而相位同步實現(xiàn)鎖定鎖定后兩信號之間的相位差表現(xiàn)為一固定的穩(wěn)態(tài)值。即 此時，輸出信號的頻率已偏離了原來的

8、自由頻率o控制電壓uc(t)=0時的頻率，其偏移量由式（4）和式（5）得到為 這時輸出信號的工作頻率已變?yōu)?由此可見，通過過鎖相環(huán)路的相位跟蹤作用，最終可以實現(xiàn)輸出信號與參考信號同步，兩者之間不存在頻差而只存在很小穩(wěn)態(tài)相差。4.1.2 環(huán)路相位模型和基本方程圖4 鎖相環(huán)路相位模型 復(fù)時域分析時可用一個傳輸算子f(p)來表示。其中（p=d/dt）是微分算子。由上圖可以得出鎖相環(huán)路的基本方程。 得： 設(shè)環(huán)路輸入一個頻率r和相位r均為常數(shù)的信號，即 式中，0是控制電壓uc(t)=0時vco的固有振蕩頻率，r是參考輸入信號的相位。令 則 可得固有頻率輸入時的環(huán)路基本方程 在閉環(huán)之后的任何時刻存在著如下

9、關(guān)系： 瞬時頻差=固有頻差-控制頻差，記為即 4.1.3 cd4046芯片引腳及引腳功能圖5是cd4046的引腳排列，采用 16 腳雙列直插式。圖5 cd4046引腳排列各引腳功能如下：引腳引腳功能引腳引腳功能1相位輸出端9壓控振蕩器的控制端2相位比較器的輸出端10解調(diào)輸出端，用于fm解調(diào)3比較信號輸入端11、12外接振蕩電阻4壓控振蕩器輸出端13相位比較器的輸出端5禁止端，高電平時禁止，低電平時允許壓控振蕩器工作14信號輸入端6、7外接振蕩電容15內(nèi)部獨立的齊納穩(wěn)壓管負極8、16電源的負端和正端4.1.4 cd4046芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖6 cd4046內(nèi)部電路原理框圖圖6是cd4046內(nèi)部電路

10、原理框圖，主要由相位比較、壓控振蕩器（vco）、線性放大器、源跟隨器、整形電路等部分構(gòu)成。比較器采用異或門結(jié)構(gòu)，當兩個輸人端信號ui、uo的電平狀態(tài)相異時（即一個高電平，一個為低電平），輸出端信號u為高電平；反之，ui、uo電平狀態(tài)相同時（即兩個均為高，或均為低電平），u輸出為低電平。cd4046鎖相環(huán)采用的是rc型壓控振蕩器，必須外接電容c1和電阻r1作為充放電元件。當pll對跟蹤的輸入信號的頻率寬度有要求時還需要外接電阻r2。由于vco是一個電流控制振蕩器，對定時電容c1的充電電流與從9腳輸入的控制電壓成正比，使vco的振蕩頻率亦正比于該控制電壓。當vco控制電壓為0時，其輸出頻率最低；當

11、輸入控制電壓等于電源電壓vdd時，輸出頻率則線性地增大到最高輸出頻率。vco振蕩頻率的范圍由r1、r2和c1決定。cd4046內(nèi)部還有線性放大器和整形電路，可將14腳輸入的100mv左右的微弱輸入信號變成方波或脈沖信號送至兩相位比較器。源跟蹤器是增益為1的放大器，vco的輸出電壓經(jīng)源跟蹤器至10腳作fm解調(diào)用。齊納二極管可單獨使用，其穩(wěn)壓值為5v，若與ttl電路匹配時，可用作輔助電源綜上所述，cd4046工作原理如下：輸入信號 ui從14腳輸入后，經(jīng)放大器a1進行放大、整形后加到相位比較器、的輸入端，圖3開關(guān)k撥至2腳，則比較器將從3腳輸入的比較信號uo與輸入信號ui作相位比較，從相位比較器輸

12、出的誤差電壓u則反映出兩者的相位差。u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迅速逼近信號頻率f1。vco的輸出又經(jīng)除法器再進入相位比較器，繼續(xù)與ui進行相位比較，最后使得f2f1，兩者的相位差為一定值，實現(xiàn)了相位鎖定。若開關(guān)k撥至13腳，則相位比較器工作，過程與上述相同，不再贅述。4.2 74hc191十進制同步加/減計數(shù)器電路4.2.1 74hc191工作簡介 191的預(yù)置是異步的。當置入控制端（ ld ）為低電平時，不管時鐘 cp 的狀態(tài)如何，輸出端（q0q3）即可預(yù)置成與數(shù)據(jù)輸入端（d0d3）相一致的狀態(tài)。191的計數(shù)

13、是同步的，靠 cp 加在 4 個觸發(fā)器上而實現(xiàn)。當計數(shù)控制端（ct ）為低電平時，在 cp 上升沿作用下 q0q3同時變化，從而消除了異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。當計數(shù)方式控制（u /d）為低電平時進行加計數(shù)，當計數(shù)方式控制（u /d）為高電平時進行減計數(shù)。只有在 cp 為高電平時ct 和u /d 才可以跳變191有超前進位功能。當計數(shù)溢出時，進位/錯位輸出端（co/bo）輸出一個低電平脈沖，其寬度為 cp 脈沖周期的高電平脈沖；行波時鐘輸出端（ rc ）輸出一個寬度等于 cp 低電平部分的低電平脈沖。利用 rc 端，可級聯(lián)成 n 位同步計數(shù)器。當采用并行 cp控制時，則將 rc 接到后一級c

14、t ；當采用并行ct 控制時，則將 rc 接到后一級 cp。4.2.2 74hc191芯片引腳及引腳功能 圖7 74hc191引腳排列各引腳功能如下：co/bo 進位輸出/錯位輸出端 cp 時鐘輸入端（上升沿有效） ct 計數(shù)控制端（低電平有效） d0d3 并行數(shù)據(jù)輸入端 ld 異步并行置入控制端（低電平有效） q0q3 輸出端 rc 行波時鐘輸出端（低電平有效） u /d 加/減計數(shù)方式控制端 4.2.3 74hc191時序 圖8 74hc191時序圖5 調(diào)試5.1 仿真調(diào)試打開proteus軟件，按照整體電路圖把個元器件分別添加到proteus設(shè)計面板中，注意各個元器件的大小規(guī)格；再按照整

15、體電路圖進行連線。設(shè)計完成后，開始仿真調(diào)試，撥動4個高低電平開關(guān)，設(shè)置出不同的數(shù)值n，觀察示波器上顯示的輸入與輸出波形。5.2 硬件調(diào)試按照整體電路圖把各個元器件焊接到萬能板上，焊接是要特別注意不能出現(xiàn)漏焊以及虛焊。焊接好后在實驗室進行調(diào)試，根據(jù)電路圖分別連接好+5線，地線，信號發(fā)生器以及數(shù)字示波器，調(diào)節(jié)示波器微調(diào)按鈕，直到顯示出清楚的波形。6 設(shè)計總結(jié)兩個星期的課程設(shè)計就這樣結(jié)束了，這是我在大學(xué)里的又一次專業(yè)課程設(shè)計，這次課程設(shè)計是讓我做一個鎖相信號發(fā)生器，原理比較簡單，焊接也比較容易。前兩天，我主要完成的是在網(wǎng)上和圖書館查閱相關(guān)資料來確定基本原理及其電路圖，并且在proteus軟件上進行了

16、模擬電路仿真調(diào)試，隨后經(jīng)過指導(dǎo)老師檢查后確定電路圖領(lǐng)取器件進行制作，制作完成后又到實驗室進行了調(diào)試。這次課程設(shè)計跟以前不同的是使用了proteus軟件進行仿真調(diào)試，一開始接觸proteus軟件用起來真有點麻煩。我通過在網(wǎng)上查找該軟件的資料逐漸掌握了它的使用，為使用該軟件進行電路仿真打下了基礎(chǔ)。通過這次課程設(shè)計，我體驗到了自己動手完成一次電路設(shè)計的成就感?？雌饋砗芎唵蔚男盘柊l(fā)生器里面卻包含了很多的電子方面的知識。由于以前從來沒有接觸過cd4046芯片，因此對鎖相環(huán)原理不是很清楚。在實際操作過程中，我遇到了一些問題，此時才感到自己在課本上學(xué)到的東西實在太少了，而且知識點的掌握不牢固。通過翻閱相關(guān)書

17、籍以及實際操作，讓我對自己的專業(yè)基礎(chǔ)知識有了深刻的理解，為以后的學(xué)習(xí)打下了一定得基礎(chǔ)。這次課程設(shè)計讓我體會到實踐的重要性。書本上的知識只有通過自己親手的實踐才能證明是否學(xué)的夠好。通過實踐，使我把書本上的知識和實際應(yīng)用緊密結(jié)合起來。在今后的學(xué)習(xí)中，我打算自己多動手做些電子小制作，增強自己的動手能力，鞏固所學(xué)知識，增進學(xué)習(xí)興趣，為以后的課程設(shè)計及畢業(yè)設(shè)計打好基礎(chǔ)。最后，我還得感謝王林高老師的辛勤教導(dǎo)和同組同學(xué)的熱心幫助，此次設(shè)計的成功與他們密不可分，沒有老師和同組同學(xué)的熱心幫助我就不會做出這次成功的課程設(shè)計。7 參考文獻1 張濤.顯示控制cmos鎖相環(huán)頻率合成器設(shè)計.半導(dǎo)體技術(shù)，2008，13-18.2 于洪珍.通信電子電路.北京：清華大學(xué)出版社，2005，229，234-235，241-242.3 李曉慶.uhf鎖相頻率合成器設(shè)計及實現(xiàn).大連：大連海事大學(xué)，2006，5-6.4 鄧芳明