FM調(diào)制解調(diào)電路的設(shè)計

1、FM調(diào)制/解調(diào)電路的設(shè)計摘要：本設(shè)計根據(jù)鎖相環(huán)原理，通過兩片CD4046搭接基本電路來實現(xiàn)FM調(diào)制/解調(diào)電路的設(shè)計，將調(diào)制電路的輸出信號作為解調(diào)電路的輸入信號，最終實現(xiàn)信號的調(diào)制解調(diào)。原理分析，我們得到的載波信號的電壓大于3V,最大頻率偏移M”5KHz,解調(diào)電路輸出的FM調(diào)制信號的電壓大于200mV可以看出我們的具體設(shè)計符合設(shè)計指標(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頻率，搬移到頻率較高的頻段，以電磁波的方式將信息通過信道發(fā)送出去。FM解調(diào)電路將接收到的包含信息的高頻信號的頻率搬移到原信號所處的頻段。鎖相環(huán)是一種相位負(fù)反饋的自動相位控制電路，它廣泛應(yīng)用于

2、廣播通信、頻率合成、自動控制及時鐘同步等技術(shù)領(lǐng)域它是通過比較輸入信號的相位和壓控振蕩器輸出信號的相位，取出與這兩個信號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控制振蕩頻率，以達(dá)到輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等的目的。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)計一個高頻信號放大器和加法器。解調(diào)電路需要設(shè)計一個低通濾波器，來取出解調(diào)信號。技術(shù)指標(biāo):1. 載波頻率fc=46.5KHz,載波信號的電壓Vp-p>3V：2. FM調(diào)頻信號的電壓Vp-p>6V,最大頻率偏移fm>5KHz；3. 解調(diào)電路輸出的FM調(diào)制信號的電壓V

3、p-p>200mVo二、方案設(shè)計與分析調(diào)頻是用調(diào)制信號直接線性地改變載波振蕩的瞬時頻率，即使載波振蕩頻率隨調(diào)制信號的失真變化而變化。其逆過程為頻率解調(diào)（也稱頻率檢波或鑒頻）。本實驗是用CD4046數(shù)字集成鎖相環(huán)（PLL）來實現(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)計振頻率（中心頻率）介上下）隨調(diào)制信號的變化而變化，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，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所產(chǎn)生的相位誤差電壓通過

4、，該電壓與調(diào)制信號同經(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，該誤差電壓通過低通濾波器被濾掉其高頻成份，繼而獲得隨調(diào)制信號頻率變化而變化的信號，經(jīng)跟隨器得到解調(diào)信號，從而實現(xiàn)了解調(diào)（鑒頻）過程。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頁圖3鎖相壞(4016)內(nèi)部電原理框圖CD4046工作原理：輸入信號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Uo與輸入信號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)路人鎖時為高電平，環(huán)路失鎖時為低電平。2腳相位比較器I的輸出端。3腳比較信號輸入端。4腳壓控振蕩器輸出端。5腳禁止端，高電平時禁止，低電平時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腳信號輸入端。15腳內(nèi)部獨立的齊納穩(wěn)壓管負(fù)極4. 測量CD4046鎖相環(huán)的捕捉帶和同步帶方法測量CD4046鎖相環(huán)的捕捉帶和同步帶，其示意圖如圖5所示。測量方法：(1) 改變14腳輸入信號的頻率，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，環(huán)路進(jìn)入失鎖狀態(tài)，該點定義為同步帶的下限頻率(2) 改變14腳輸入信號的頻率，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，環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)，該點定義為捕捉帶的下限頻率“厶”。(3) 改變14腳輸入信號的頻率，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，環(huán)路進(jìn)入失鎖狀態(tài)，該

8、點定義為同步帶的上限頻率“厶”。(4) 改變14腳輸入信號的頻率，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，環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)，該點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)外界輸入的信號電壓和壓控振蕩器輸出的信號電圧分別為: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為直流電壓時的振蕩角頻率，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為輸入信號的瞬時振蕩角頻率，班f)和&(f)分別為輸入信號和輸出信號的瞬時位相。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腳輸入載波信號時，從4端可輸出受輸入信

10、號調(diào)制的調(diào)頻信號。如圖7所示,由于調(diào)頻時要求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)計參數(shù)時，只需由fo查圖9（電源電壓VCO為9V時的曲線，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腳輸入一被信號調(diào)制的（中心頻率與CD4046的VCO的中心頻率相同）調(diào)頻信號，則相位比較器輸出端將輸出一個與信號具有相同變化頻率的包絡(luò)信號，經(jīng)低通濾波器濾去載波后，即剩下調(diào)頻信號解調(diào)后的信號了。一般使用PCI,這時僅由R1和Cl確定VCO的中心頻率6而不用R2來收縮頻率范圍（其為無窮大）。同

11、樣，由圖9查圖求R1與C1。無調(diào)頻信號輸入時，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FM調(diào)制/解調(diào)電路如圖10所示aRIO圖10實驗電路圖四、電路性能指標(biāo)的測試（1）調(diào)頻部分的測試 鎖相環(huán)自振頻率f。的測量將INI、IN2分別對地短路，調(diào)節(jié)微調(diào)電位器PR1至適中位置，測量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 鎖定的判斷將信號發(fā)生器輸出

13、的方波信號（幅度為3.5Vp-p,頻率為自振頻率仇）加到載波輸入IN1端，用雙蹤示波器同時觀測鎖相環(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。改變信號發(fā)生器的輸出信號頻率，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（即：失鎖），記錄此時的載波輸入信號頻率E（下限失鎖頻點）。測得結(jié)果fi=10.92KHz調(diào)節(jié)載波信號頻率，由自振頻率仇開始逐漸緩慢增加，直至（VCO°x

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

15、適中位置，測量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（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)制信號的頻率。圖14OUT1端波形（4）觀測系統(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，可同時與IN2的調(diào)制信號進(jìn)行比較，其相位和頻率相同。五、實驗結(jié)果實驗測得數(shù)據(jù)：載波信號的頻率/t=46.5KHz,載波信號的電壓VP_P=3.5V,FM調(diào)頻信號的電壓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)計制信號的電壓=580wV課設(shè)技術(shù)指標(biāo)為：1. 載波信號的頻率Z=46.5KHz,載波信號的電壓Vp_p>3V：2. FM調(diào)頻信號的電壓Vp_p>6V,最大頻率偏移Afni>5KHz：3. 解調(diào)電路輸出的FM調(diào)制信號的電壓匕>200mvo綜上，實驗數(shù)據(jù)滿足技術(shù)指標(biāo)。六、課設(shè)體會及合理化建議五天的課程設(shè)計，讓我收獲頗豐。我學(xué)習(xí)到以前一點也沒有接觸到的知識一一鎖相技術(shù)。在這兒天中我加深對模擬電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識的了解和掌握。我通過親自設(shè)計電路、動手做實驗，把所學(xué)到的理論知識運(yùn)用到了實踐中。這次課程設(shè)計，我先用Mulrisim軟件來設(shè)計FM調(diào)制/解調(diào)電路，但是器件庫沒有鎖相環(huán)CD4046等器件，而不能完成電路的設(shè)計。后來，老師告訴我Hotel軟件來設(shè)計電路，我就去學(xué)習(xí)Piotel軟件的使用。經(jīng)過學(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。這次設(shè)計也使我對Hotel軟件環(huán)境更加的熟悉了，通過電路設(shè)計和硬件實驗，才知道電路設(shè)計時很少有用Multisim的，因為那里的很多仿真都無法實現(xiàn),相比較而言還是Piotel更加強(qiáng)大。通過此次訓(xùn)練我了解到了基礎(chǔ)知識的重要性，如果沒有牢固的基礎(chǔ)知識是不能設(shè)計電路、做實驗，所以只有把基