北理工通信課程設(shè)計(jì)

1、 本科實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：鎖相式數(shù)字頻率合成器的設(shè)計(jì)課程名稱(chēng)：通信電路與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間：3月3日-14日任課教師：實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)教師：實(shí)驗(yàn)類(lèi)型： 原理驗(yàn)證 綜合設(shè)計(jì) 自主創(chuàng)新學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)/班級(jí)：組 號(hào)：學(xué) 院：同組搭檔：專(zhuān) 業(yè)：成 績(jī)：鎖相頻率合成器的設(shè)計(jì)班級(jí)： 姓名： 評(píng)分：一、 設(shè)計(jì)任務(wù)和技術(shù)指標(biāo)1. 工作頻率范圍：300kHz700kHz2. 電源電壓：Vcc=5V3. 通過(guò)原理圖確定電路，并畫(huà)出電路圖4. 計(jì)算元件參數(shù)選取電路元件（R1，R2，C1，R1,R2及環(huán)路濾波器的配置）5. 組裝連接電路，并測(cè)試選取元件的正確性6. 調(diào)試并測(cè)量電路相關(guān)參數(shù)（測(cè)量相關(guān)頻率點(diǎn)，輸出波形，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間

2、tc）7. 總結(jié)并撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告二、 設(shè)計(jì)方案鎖相頻率合成器原理鎖相環(huán)（PLL）是一個(gè)相位誤差控制系統(tǒng)，利用反饋控制原理實(shí)現(xiàn)頻率及相位的同步技術(shù)。鎖相環(huán)通過(guò)比較輸入信號(hào)和壓控振蕩器輸出頻率之間的相位差，產(chǎn)生誤差控制電壓來(lái)調(diào)整壓控振蕩器的頻率，以達(dá)到與輸入信號(hào)同頻。鎖相環(huán)路的基本組成框圖如圖1-1所示。它由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）三部分組成。其中，PD和LF構(gòu)成反饋控制器，而VCO就是它的控制對(duì)象。鎖相環(huán)路的基本組成框圖（1-1）將一個(gè)或幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率，經(jīng)過(guò)加、減、乘、除四則運(yùn)算，變成具有同穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的多個(gè)所需頻率的技術(shù)稱(chēng)為頻率合成技術(shù)。鎖相式頻率合成器，其優(yōu)點(diǎn)是

3、可以實(shí)現(xiàn)任意頻率和帶寬的頻率合成，具有極低的相位噪聲和雜散。是目前應(yīng)用最為廣泛的一種頻率合成方法。典型的直接式頻率合成器組成框圖如圖1-2所示。它由參考振蕩器、參考分頻器、鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）、壓控振蕩器（VCO）和可編程分頻器等部分組成。直接式頻率合成器（圖1-2）由圖1-2可知，晶體振蕩器的頻率經(jīng)過(guò)M固定分頻后得到步進(jìn)參考頻率，將信號(hào)作為鑒相器的基準(zhǔn)與N分頻器的輸入進(jìn)行比較，鑒相器的輸出Ud正比于兩路輸入信號(hào)的相位差，Ud經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器得到一個(gè)平均電壓Uc，Uc控制壓控振蕩器（VCO）頻率的變化，使鑒相器的兩路輸入信號(hào)相位差不斷減小，直到鑒相器的輸入為零或者某一直流電平，這時(shí)

4、稱(chēng)為鎖定。鎖定后的頻率為即。當(dāng)預(yù)置分頻數(shù)N變化時(shí)，輸出信號(hào)頻率隨著發(fā)生變化。鎖相環(huán)中的濾波器時(shí)間常數(shù)據(jù)定了跟隨輸入信號(hào)的速度，同時(shí)也限制了鎖相環(huán)的捕捉范圍。三、 電路原理與設(shè)計(jì)1.CD4046鎖相環(huán)工作原理CD4046是通用的CMOS鎖相環(huán)集成電路，其特點(diǎn)是電源電壓范圍寬（為3V18V），輸入阻抗高(約100M)，動(dòng)態(tài)功耗小，在中心頻率f0為10kHz下功耗僅為600W，屬微功耗器件。 CD4046是帶有RC型VCO的鎖相環(huán)路，屬于低頻鎖相環(huán)路。采用 16 腳雙列直插式，圖1-3為CD4046的內(nèi)部功能框圖和構(gòu)成鎖相頻率合成器時(shí)的外圍元件連接圖。從圖中可以看出，CD4046主要由相位比較、壓控

5、振蕩器（VCO）、線性放大器、源跟隨器、整形電路等部分構(gòu)成。芯片內(nèi)含有一個(gè)低功耗、高線性VCO，兩個(gè)工作方式不同的鑒相器PDI和PDII，A1為PDI和PDII的公用輸入基準(zhǔn)信號(hào)放大器，源跟隨器A2與VCO輸入端相連是專(zhuān)門(mén)作FM解調(diào)輸出之用的，此外還有一個(gè)6V左右的齊納穩(wěn)壓管。CD4046的管腳排列圖如圖1-4。1-3 CD4046的內(nèi)部功能圖 1-4 CD4046引腳圖CD4046引腳功能描述: 符號(hào)引腳名稱(chēng)功能Ph031輸出端（相位脈沖輸出） 相位比較器2輸出的相位差信號(hào)，為上升沿控制邏輯。環(huán)路人鎖時(shí)為高電平，環(huán)路失鎖時(shí)為低電平Ph1114相位比較器輸入端（基準(zhǔn)信號(hào)輸入 ），相位比較器輸入

6、信號(hào)，輸入允許將0.1V左右的小信號(hào)或方波信號(hào)在內(nèi)部放大并再經(jīng)過(guò)整形電路后，輸出至相位比較器。PH123相位比較器輸入端（比較信號(hào)輸入） 通常PD來(lái)自VCO的參考信號(hào)。PH012PD輸出端 相位比較器1輸出的相位差信號(hào)，它采用異或門(mén)結(jié)構(gòu)，即鑒相特性為 。PH0213PD輸出端 相位比較器的輸出端，它采用，上升沿控制邏輯。VC019壓控振蕩器的控制端。VC004壓控振蕩器輸出端INH5VCO禁止端，1有效 控制信號(hào)輸入，高電平時(shí)禁止，低電平時(shí)允許壓控振蕩器工作。R111 VCO外接電阻R1R212VCO外接電阻R2C16.7并接振蕩電容C1，以控制VCO的振蕩頻率。DEM010 解調(diào)信號(hào)輸出端

7、15 內(nèi)部獨(dú)立的齊納穩(wěn)壓二極管負(fù)極。2.參考振蕩器工作原理參考振蕩器可采用門(mén)電路（74LS系列或CD系列）與標(biāo)稱(chēng)石英晶體構(gòu)成振蕩器。石英晶體振振器的電路符號(hào)、等效電路、電抗曲線如圖1-5所示。工作電路圖如1-6所示。1-5晶振 1-6參考晶體振蕩器電路圖從石英晶體諧振器的電抗特性可看出，在串、并聯(lián)諧振頻率之間很狹窄的工作頻帶內(nèi)，它呈電感性。因而石英振蕩器可以工作于感性區(qū)和串聯(lián)諧振頻率上，但不能使用容性區(qū)。根據(jù)晶體在振蕩電路中的不同作用，振蕩電路可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是石英晶體在電路中作為等效電感元件使用，這類(lèi)振蕩器稱(chēng)為并聯(lián)型晶體振蕩器；另一類(lèi)是把石英晶體作為串聯(lián)諧振元件使用，使它工作于串聯(lián)諧振頻率上

8、，稱(chēng)為串聯(lián)型晶體振蕩器。3.分頻器工作原理分頻器采用預(yù)置法將兩個(gè)74HC163先反饋后級(jí)聯(lián)構(gòu)成，前一級(jí)的RCO信號(hào)作為后一級(jí)的使能信號(hào)。時(shí)鐘信號(hào)采用同一輸入。分頻數(shù)通過(guò)改變ABCD的高低電平來(lái)實(shí)現(xiàn)。工作電路圖如圖1-7。1-7 分頻器電路圖所測(cè)頻率點(diǎn)為300kHz、500kHz、700kHz，74LS163設(shè)置如下：頻率/kHz片（1）D3D2D1D0片（2）D3D2D1D0300kHz0 0 1 01 1 1 1500kHz0 0 1 10 1 1 1700kHz0 0 1 00 1 1 1四、 測(cè)量結(jié)果及分析 實(shí)驗(yàn)在面包上搭建電路，共用了1片2.5MHz晶體振蕩器、1K電阻兩枚、100K和

9、5.1K電阻各一枚、0.1f、56pf、0.1nf電容各一枚、4片74HC163、2片74HC04、1片CD4046，搭建的時(shí)候完成一個(gè)模塊測(cè)試一個(gè)模塊。調(diào)試電路設(shè)備有雙路直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字頻率計(jì)、數(shù)字示波器、萬(wàn)用表、低頻信號(hào)發(fā)生器。調(diào)試采用分步逐級(jí)調(diào)試。1.晶體振蕩器輸出頻率的測(cè)量：將晶體振蕩器輸出的信號(hào)接入多功能計(jì)數(shù)器接頭上，測(cè)量晶體產(chǎn)生的頻率。穩(wěn)定在2.5MHz。21/M分頻器輸出頻率的測(cè)量：測(cè)量74ls163高位片15腳輸出頻率。穩(wěn)定在25KHz。3輸出頻率測(cè)量：測(cè)量CD4046第4管腳輸出頻率，應(yīng)穩(wěn)定在300、500、700KHz。4.峰值時(shí)間tm和頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間tc的特征參數(shù)：N分頻

10、器低位片3管腳接50Hz占空比為50%的方波和雙蹤示波器1路接，示波器2路測(cè)量CD4046第9管腳輸出波形，測(cè)量tc和tm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：輸出穩(wěn)定，結(jié)果見(jiàn)下表輸入頻率/KHz分頻比片(1) DCBA片(2) DCBA輸出頻率/KHz250010001100110253001200101111299.9685002000110111499.9467002800100111699.927 參考測(cè)量分析（1）VCO的壓控靈敏度與線性度。前已指出，VCO的壓控靈敏度是單位電壓控制下，VCO輸出角頻率的變化量，記作，定義為理想的壓控靈敏度應(yīng)是不變的，但實(shí)際中的是變化的，這樣壓控特性是非線性的，通常用線性度參

11、量來(lái)描述線性度，越接近1越好，的定義為（2）的測(cè)量與計(jì)算分頻比N改變時(shí)的波形測(cè)量結(jié)果為1.6ms，符合設(shè)計(jì)要求五、 總體電路圖（附圖1）六、 實(shí)驗(yàn)心得這次試驗(yàn)中，我自己完成了整個(gè)程序設(shè)計(jì)的框架，從最開(kāi)始的畫(huà)電路圖， 到后來(lái)的布線，調(diào)試，改進(jìn)的一系列操作中，收獲了很多。開(kāi)始時(shí)布線隨意，沒(méi)有考慮到可能造成的干擾，以至后來(lái)的改進(jìn)十分費(fèi)力，付出了較多的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的重點(diǎn)應(yīng)該是調(diào)試，比如說(shuō)分頻器的測(cè)試，4046功能的測(cè)試，如果不按照步驟測(cè)試，排出問(wèn)題基本不可能。 通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)，我對(duì)鎖相環(huán)的工作原理有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。基本掌握了鎖相環(huán)及頻率合成器的設(shè)計(jì)方法，在實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)自己對(duì)圖表的理解能力還是有些欠缺，自己的動(dòng)手操作能力也有待提高，需要進(jìn)一步加強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)中遇到了很多困難，比如連線時(shí)，正負(fù)極短接，導(dǎo)致電源短路，對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量有一定的影響；測(cè)頻率時(shí)頻率計(jì)上的示數(shù)一直在跳動(dòng)