PLL原理講義2013-11-5

1、鎖相環(huán)基本原理一個典型的鎖相環(huán)（PLL）系統(tǒng)，是由鑒相器（PD）,壓控蕩器（VCO）和 低通濾波器（LPF）三個基本電路組成，如圖1,UiPDL1 PF 1-VCO-UO1jld oKoUf0 odt0 i圖1Ud = Kd ( 0 i -0 o) U F = Ud F (s)27二鑒相器（PD）構(gòu)成鑒相器的電路形式很多，這里僅介紹實驗中用到的兩種鑒相器。異或門的邏輯真值表示于表1,圖2是邏輯符號圖。1.異或門鑒相器輸入輸出ABF000011101110圖2A和B分別送表1” 2 n_ JLA從表1可知，如果輸入端0圖4入占空比為50%的信號波貝U當(dāng)兩者 存在相位差 0時，輸出端F的波形的 占

2、空比與0有關(guān)，見圖3。將F輸出波 形通過積分器平滑，則積分器輸出波形 的平均值，它同樣與 0有關(guān)，這樣，我 們就可以利用異或門來進(jìn)行相位到電壓 的轉(zhuǎn)換，構(gòu)成相位檢出電路。于是經(jīng)積 分器積分后的平均值（直流分量）為：U = Vdd *0 /（1）不同的0,有不同的直流分量Vd。 0與V的關(guān)系可用圖4來描述。從圖中可知，兩者呈簡單線形關(guān)系：Ud = Kd*0Kd為鑒相靈敏度2. 邊沿觸發(fā)鑒相器 前已述及，異或門相位比較器在使用時要求兩個 作比較的信號必須是占空比為50%的波形，這就給應(yīng)用帶來了一些不便。 而邊沿觸發(fā)鑒相器是通過比較兩輸入信號的上跳邊沿(或下跳邊沿)來 對信號進(jìn)行鑒相，對輸入信號的占

3、空比不作要求。壓控振蕩器(VCO)om,或中心頻率，在VCO線壓控振蕩器是振蕩頻率3 0受控制電壓UF (t)控制的振蕩器，即是一 種電壓頻率變換器。VCO的特性可以用瞬時頻率3 0 (t)與控制電 壓Uf (t)之間的關(guān)系曲線來表示。未加控制電壓時(但不能認(rèn)為就是 控制直流電壓為0,因控制端電壓應(yīng)是直流電壓和控制電壓的疊加)， VCO的振蕩頻率，稱為自由振蕩頻率3 性控制范圍內(nèi)，其瞬時角頻率可表示為：3 o (t) = 3 om + K0 Uf (t)常稱為VCO的控制靈敏度,式中，K0VCO控制特性曲線的斜率， 或稱壓控靈敏度。V640三.環(huán)路濾波器這里僅討論無源比例積分濾波器如圖 5。

4、其傳遞函數(shù)為：Kf(s)Uo(s)R1式中:四.diUi(s)UiR2UoT 1 = R1 CT 2 = R2 C鎖相環(huán)的相位模型及傳輸函數(shù)圖6圖6為鎖相環(huán)的相位模型。要注意一點，鎖相環(huán)是一個相位反饋系統(tǒng)，在 環(huán)路中流通的是相位，而不是電壓。因此研究鎖相環(huán)的相位模型就可得環(huán) 路的完整性能。由圖6可知：(1)當(dāng)A點斷開環(huán)路時，鎖相環(huán)的開環(huán)相位傳輸函數(shù)為KL(S)=普 KdK0KF(S)環(huán)路閉合時的相位傳輸函數(shù)為(S)O(S) KdKoKF(S)i(S) S KdKoKF(S)(3)環(huán)路閉合時的相位誤差傳輸函數(shù)為e(S)S)i(S) S KdKoKF(S)當(dāng)環(huán)路濾波器選用無源比例積分濾波器時，經(jīng)推

5、導(dǎo)可得:2n2 （2 n 十）SH（ S）=KS22 nS2n式中,T 1 = R1 C , T 2 = R2 C12 1-(27）K = Kd Ko同樣可得:S2He(S)=S22 nS ”2co n稱為系統(tǒng)的固有頻率或自然角頻率；稱為系統(tǒng)的阻尼系數(shù)。要注意的是上面討論中的o指的是輸入信號相位的變化角頻率，而不 是輸入信號本身的角頻率。如輸入信號是調(diào)頻信號，則o指的是調(diào)制信號 的角頻率而不是載波的角頻率。五.鎖相環(huán)的同步與捕捉鎖相環(huán)的輸出頻率（或 VCO的頻率）0 o能跟蹤輸入頻率o i的工作狀態(tài)，稱為同步狀態(tài)，在同步狀態(tài)下，始終有3 o = 3 i。在鎖相環(huán)保持同 步的條件下，輸入頻率3

6、i的最大變化范圍，稱為同步帶寬，用 3 H表示。 超出此范圍，環(huán)路則失鎖。失鎖時，3 o 3 i，如果從兩個方向設(shè)法改變3 i，使3 i向3 o靠攏， 進(jìn)而使 3 o =（3 i -3 o），當(dāng)3 o小到某一數(shù)值時，環(huán)路則從失鎖進(jìn)入 鎖定狀態(tài)。這個使PLL經(jīng)過頻率牽引最終導(dǎo)致入鎖的頻率范圍稱為捕捉帶3 P。同步帶 3 H，捕捉帶 3 P和VCO中心頻率3 o的 關(guān)系如圖7。3。b4'圖7實驗原理及步驟利用CMOS固有的低功耗、寬工作電源、集成度高等特點，可以設(shè)計出性能良 好、使用方便的鎖相環(huán)單片電路。其中 CD4046是一種能工作在1MHZ以下的 通用PLL產(chǎn)品，它廣泛應(yīng)用于通信計算機(jī)

7、接口領(lǐng)域。圖8示出CD4046的電路方框功能圖。 在這個單片集成電路中，內(nèi)含兩個相位 比較器，其中PD1是異或門鑒相器；PD2 是邊沿觸發(fā)式鑒相器。另外電路中含有 一個VCO，一個前置放大器 A1，一個 低通濾波器輸出緩沖放大器 A2和一個 內(nèi)部5V基準(zhǔn)穩(wěn)壓管。從圖8可看出，引腳（16 ）是正電 源引入端；（8）腳是負(fù)電源端，在用單 電源時接地；（6）腳，（7）腳外接電阻 C67 ；（ 11 ）腳外接電阻 R11和C67決 定了 VCO的自由振蕩頻率；（12 ）腳外 接電阻R12，它用作確定在控制電壓為 零時的最低振蕩頻率 fomin ;（5） 腳為 VCO禁止端，當(dāng)（5 ）腳加上“ 1 ”電

8、平（即Vdd）時，VCO停止工作，當(dāng)為“ 0”Ui115814D134VCO10A26r7工131916VCC215圖8 CD4046 原理圖電平（即Vss）時，VCO工作；（14）腳是PLL參考基準(zhǔn)輸入端；（4）腳是VCO 輸出；（3 ）是比較輸入端；（2）和（13 ）腳分別是PD1和PD2的輸出端；（9） 腳是VCO的控制端；（10）是緩沖放大器的輸出端；（1）腳和（2 ）腳配合可做鎖定指示；（15 ）腳是內(nèi)設(shè)5V基準(zhǔn)電壓輸出端 實驗一、PLL參數(shù)測試、壓控靈敏度Ko的測量如圖 9 , V (9)從 09V每隔1伏測一點，作出f-V（9）曲線，從曲線求Ko。（ Ko的單位是rad/s.v

9、）同時測出 V（ 9）=1/2V DD = 4.5V 時 VCO 的頻率 fo（即中心頻率）、鑒相靈敏度Kd的測量。所以運放的輸出 Ua = K A Uf + K m Um = 2U信號源為一頻率連續(xù)可調(diào)的方波發(fā)生器。實驗步驟1.用另一塊4046 （記為4046B，圖9那塊記為4046A ）組裝一信號源，如* 9V圖11 02.按圖10接實驗圖，注意運放324和RW的工作電壓為9V和-5V，4046的電壓為9V和0乂由于實驗中的穩(wěn)T10K161514131211109I4046B壓電源只能提供兩路電源，而實際需 要三路，所以應(yīng)將穩(wěn)壓電源輸出分別12345678調(diào)節(jié)到+12V和-5V 0 9V電

10、壓由+12V4out2經(jīng)三端穩(wěn)壓器7809降壓后提供。 丄HP510Pout1圖113.斷開信號源和4046A的PD1的連接，調(diào)Rw,使4046A的VCO的頻率為中心頻率fo,同時調(diào)信號源的輸出頻率也為4046A的中心頻率foo4.連接信號源和4046A的PD1 ,用雙蹤示波器觀察Ui、Uo,可觀察到兩個鎖 定的方波信號，其相差約為 n 2o5.調(diào)RW,觀察Ud波形的變化，用示波器觀察 Ud、Ui、Uo,應(yīng)能觀察到它們 符合圖3所示的相位關(guān)系。6.通過用示波器測Ud的占空比測0 e （參考圖3）用數(shù)字電壓表測UF （即U），0 e從n6到5n6,每n6測一點，作出Uf 0 e曲線，并由曲線求出

11、Kd（單位為V / Rad） 0可調(diào)節(jié)示波器X軸掃描速度，讓Ud的一個周期在熒屏 上顯示整六格，則每格就代表 n 6,這樣可以提高測量速度。三、環(huán)路開環(huán)增益的測量（Kh）Ui1PD1LPFVCOUoUi2圖12 環(huán)路開環(huán)增益測量方塊圖開環(huán)增益即為環(huán)路直流總增益 Kh = Aw / A0 = Kd Ko Kf （0）,式中Kf （0）為頻率為0時，環(huán)路低通濾波器的傳遞函數(shù)，顯然當(dāng)用比例積分濾波器時,Kf(0)=1,A KhKd Ko。實驗方塊圖如圖12,注意不用運放，LPF為附錄3中的（b）。當(dāng)鑒相器比較 兩同相信號時，UF = 0, VC0振蕩于fmin;當(dāng)鑒相器比較兩反相信號時，UF = V

12、DDVCC振蕩于fmax。做這實驗時應(yīng)注意是開環(huán)。 在理想情況下Kh =Aw / A0 =2 nA f/ A0 = 2 n (fmax - fmin)/ n =2(fmax - fmin)實驗中信號源即為圖11信號源，其Out1和Out2為倒相信號。四、同步帶、捕捉帶測量實驗方塊如圖13 （LPF為附錄3中的（b）。信號源£ PD1Uo圖13同步帶、捕捉帶測量方塊圖1. 同步帶的測量：調(diào)信號源（圖 11）頻率約為4 0 4 6 A的中心頻率。 示波器分別測Ui和Uo,并以Ui作為示波器的觸發(fā)同步信號，頻率計測Ui， 這時示波器可顯示兩個穩(wěn)定的波形， 即Ui和Uo是鎖定的。在一定范圍內(nèi)

13、緩 慢改變信號源頻率，可看到兩個波形的頻率同時變化，且都保持穩(wěn)定清晰， 這就是跟蹤。但當(dāng)信號源頻率遠(yuǎn)大于（高端）或遠(yuǎn)小于（低端）4 0 4 6 A 的中心頻率時，Ui波形還保持穩(wěn)定清晰，但Uo不能保持穩(wěn)定清晰，這就是 失鎖。記下剛出現(xiàn)失鎖時的 Ui頻率即高端頻率fHH和低端頻率fHL，貝U同步 帶A fH = fHH fHL。由于我們用的是 PD1,是異或門相鑒器，當(dāng) Ui和 Uo為分?jǐn)?shù)倍數(shù)關(guān)系時，也可能出現(xiàn)兩個穩(wěn)定的波形，這種情況應(yīng)認(rèn)為是“失 鎖”只有出現(xiàn)兩個同頻的穩(wěn)定波形時才認(rèn)為是“鎖定。2. 捕捉帶的測量：環(huán)路失鎖后，緩慢改變信號源頻率，從高端或低端向4046A的中心頻率靠近，當(dāng)信號源頻

14、率 分別為f P H和f P L時，環(huán)路又鎖定。則環(huán)路 捕捉帶 fP = fP H fPL。五、3 n、E的測量實驗如圖14。我們知道，當(dāng)信號源的頻率突然 改變時（即對應(yīng)Uj方波的前后沿），UF都產(chǎn)生 一次阻尼振蕩。從阻尼振蕩波形可測出A1、A2、T,其物理意義見圖14。并由A1、A2、PLL 的 3 n 和 E：T求出I / A1 ln（Ar）2 ln）A2寸11廠實驗步驟：斷開 4046B （4）與 4046A （14） 的連線，分別調(diào) W2 W1使4046A與 4046B都振蕩在4046A的中心頻率 上。然后接上連線，這時應(yīng)可觀察到 鎖定波形。再加入 Ui （幾百HZ,幾 百mV-p的方

15、波）。示波器測UF和Ui，fnUiA1LPF為附錄3中的（a）,記錄UF的UF丄A2A1、A2, T,并計算出E和3 n。要注意的是，UF是疊加有咼頻信 號的低頻阻尼振蕩信號。A1、A2, T 應(yīng)是低頻信號的振幅和周期。圖14 WnE測試圖實驗二、PLL應(yīng)用實驗一、PLL頻率合成器實驗fo = N fi頻率合成器的基本原理如圖15。 從PLL原理知，當(dāng)PLL處于鎖定狀 態(tài)時，PD兩個輸入信號的頻率一定 精確相等。所以可得：圖15若fi為晶振標(biāo)準(zhǔn)信號，則通過改變分頻比 N,便可獲得同樣精度的不同頻率信 號輸出。選用不同的分頻電路就可組成各種不同的頻率合成器。一） 1KHZ標(biāo)準(zhǔn)信號源制作1、用CM

16、OS!非門和4M晶體組成 4MHz振蕩器，如圖16。圖中Rf使 F1工作于線性放大區(qū)。晶體的等效 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 CD40692據(jù)講義后面的CD4518管腳圖， 測量并畫出Q1, Q2 Q3 Q4及 CP之間的相位關(guān)系圖。CD4518 是CMO器件，輸入的CP信定要用CMO信號,即低電平為地，高電平接近 VDD（不能用直流電平為0的交 流方波信號）其高低電平不能超過器件電源的正負(fù)電平。測量時示波器的一個 通道固定測Q4,都以Q4作示波器的同步觸發(fā)源，且以 Q4的下降沿作示波器的 開始掃描點，另一個通道輪流測其他信號（

17、CP Q1、Q2 Q3）這樣就能保證相 位準(zhǔn)確而且開始掃描點為計數(shù)器的“ 0”狀態(tài)。同時調(diào)節(jié)CP信號的頻率或示波 器的掃描速度讓示波器標(biāo)尺的每大格代表一個CP周期。這樣就可方便測量。CD4518是 BCD碼計數(shù)器，其真值表不難自己寫出，然后和測出的波形進(jìn)行對照， 理解其工作原理，尤其是 Q2的波形特別注意。3、根據(jù)上面測出的4518的波形圖，用二片CD4518（共4個計數(shù)器）組成一個 4000分頻器，也就是一個四分頻器，三個十分頻器，這樣就可把 4MHz的晶振 信號變成1KHz的標(biāo)準(zhǔn)信號。連線時應(yīng)注意清零端的靈活應(yīng)用二)、用一片CD4017作分頻器組成2-9KHZ頻率合成器1、根據(jù)附錄2中的4

18、017管腳圖，用示波器測試4017 (十進(jìn)制計數(shù)分配器)功 能。測量時應(yīng)固定一個通道測“ 0” ，并以該信號作作示波器的同步觸發(fā)源， 且以上升沿作示波器的開始掃描點。測量并畫出4017的“ 0”，“ 1”，“2”，“9”輸出端信號相對CP信號的波形。理解4017的工作原理。2、將CP(14)作輸入端，“0” (3)作輸出端，R(15)分別接“ 2”、“3”，一 “9” 則4017就成為二、三，一“九”等分頻器，理解其工作原理。將上述 4017組 成的分頻器代入圖15中的 訕 分頻器，就組成29KHZ頻率合成器。 如圖17三)、撥盤開關(guān)式1 999KHZ 頻率合成器1、單片CD45221率合成器

19、。CD4522是可預(yù)置數(shù)的二一十 進(jìn)制1/N減計數(shù)器。其引腳見附錄。 其中D1-D4是預(yù)置端，Q1-Q4 是計數(shù)器輸出端，其余控制端的 功能如下：PE (3) = “ 1” 時 D1 D4值置進(jìn)計數(shù)器EN(4) = “0” 且 CP(6)時，計數(shù)器(Q1 Q4減計數(shù)；CF( 13) = “ 1” 且計數(shù)器(Q1-Q4 減到 “0” 時，QC(12)= “ 1”Cr(10) =“ 1 ”時，計數(shù)器清零。圖179V 100K10K47n2 9KHZ頻率合成器(1)單片4522分頻器，如圖18撥盤開關(guān)為BCD碼開關(guān)，如當(dāng)數(shù)據(jù) 窗口顯示“ 3”時則A和“ 1” “2” 相連；當(dāng)顯示“ 5”時，貝U A

20、和“1”單片4522分頻圖18“ 4”相連，其余類推。4個100K 電阻用來保證當(dāng)撥盤開關(guān)為某腳不 和A相連，也就是懸空時，為低電平。 工作過程是這樣的：設(shè)撥盤開關(guān)撥 到“ N',當(dāng)某時刻PE (3) = “ 1”， 則N置到IC內(nèi)的計數(shù)器中，下一個 CP來時，計數(shù)器減計數(shù)變?yōu)?N-1, 一直到第N個CP來時，計數(shù)器為0。這時由于CF (13) = “ 1”， QC( 12)=“ 1”，也即PE( 3) = “ 1”又恢復(fù)到開始狀態(tài)，開始一個新的循環(huán)。很顯然， 每來個N個CP QC( 12)就會出現(xiàn)一個高電平，也就是 QC( 12)應(yīng)是CP的N 分頻信號。實驗步驟：如圖18連好，讓撥盤

21、開關(guān)分別為1, 2,9,用示波器觀察CP (6)和QC( 12)的波形。(2)單片CD4522頻率合成器用圖18電路代替圖17中4017部分，組成1-9KHZ頻率合成器2、用三片4522組成1 999HHZ頻率合成器如圖19,最終應(yīng)做到撥盤開關(guān)的數(shù)值是多少，VCO輸出信號的頻率就是多V 少KHz (注意：該電路后面還要用，該實驗做完后暫時不要拆掉)100K10K47n圖19四）、健盤置數(shù)式1999KHZ頻率合成器。592KHZ置數(shù)部分的框圖如圖20就是用數(shù)字健盤以及一些數(shù)字 IC替代b實驗中的撥盤開關(guān)組成 1 999KHZ頻率合成器。最終應(yīng)做到：當(dāng)順序按鍵盤的任意三個?。ㄈ?5.9.2 ）時,

22、 則輸出信號的頻率就為號碼脈沖及開門脈沖形成電路控制、引導(dǎo)電路 計數(shù)、置數(shù)電路去4522置數(shù)端圖201、號碼脈沖發(fā)生器號碼脈沖發(fā)生器的核心是電話號碼脈沖發(fā)生器專用IC : HM9102EX圖21），其技術(shù)資料如下：HM9102D可輸出號碼脈沖，也可輸出雙音多頻信號。其引腳功能為： C2、C3、C4與鍵盤的相應(yīng)的引線相連。HKS = “ 0”時，啟動（片選）B/M = 5V時，斷續(xù)比為 2 : B/M = 0V時，斷續(xù)比為1.5 : MODE = 5VMODE = 0VR1、R2、R3、R4、C1、 HKs :啟動腳。B/ M :斷續(xù)比選擇。MODE :模式選擇。時，脈沖方式時，雙音多頻方式（D

23、TMF )SOC1、SOC2:外接 3.58MHz 晶體VDD = 5VVSS_= 0VT/PM:靜噪輸出，撥號時為“ 0”。DP:（使用時懸空） 號碼脈沖輸出（負(fù)脈沖），OC電路。DTMF :雙音多頻（DTMF）信號輸出。HM9102DR1R2R3R4HKSB/MMODEOSC1OSC2123456789、_/181716151413121110C4C3C2C1910214 9V1100K*10K OUTDPT/PMDTMFVSSVDD圖21（灰）所以開門脈HM9102D輸出的是負(fù)脈沖。T102D輸出，作單穩(wěn)的CP電話機(jī)用鍵盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖22。 當(dāng)按某數(shù)字時，實際上就是讓某根 橫線和某根豎

24、線短接。如按一下“5”就是讓C0L2和ROW短接一 下。圖22根據(jù)上面資料，請用HM9102D自己設(shè)計一個號碼脈沖發(fā)生器，要求：1）VDD = 5V ；2）斷續(xù)比為1.5 : 13）號碼脈沖輸出幅度為0到9V（注意：DP輸出端是0C電路，上拉電阻取100K。另外，為安全起見，輸出和負(fù)載之間應(yīng)串一個10K電阻，如圖21） 2、開門脈沖和記數(shù)脈沖發(fā)生器為了使后面的控制引導(dǎo)電路能正常工作，還需一種開門脈沖。也就是每按V V一次鍵，即每輸出一列脈沖（不管這一列含有幾個號碼脈沖）就要產(chǎn)生一個開門脈沖。同時為了使后面的記數(shù)電路能正確記數(shù)，還應(yīng)保證“先開門后送計數(shù) 脈沖”。也就是要求開門脈沖要比送到計數(shù)器的

25、號碼脈沖超前一點。沖和號碼脈沖的時間關(guān)系應(yīng)如圖23所示。注意：單穩(wěn)2輸出，開門脈沖單穩(wěn)1輸出，號碼脈沖圖23圖24我們可用單穩(wěn)電路（CD4098達(dá)到上述目的，如圖24。其中單穩(wěn)1用后沿 （上升沿）觸發(fā)，C,R分別為47nF、470KQ ;單穩(wěn)2用前沿（下降沿）觸發(fā)， C,R分別為0.22卩、3M3Q，這樣單穩(wěn)2的暫態(tài)時間大于觸發(fā)信號周期T， 就可連續(xù)觸發(fā)，形成開門脈沖。根據(jù)上述原理以及附錄中4098的管腳功能，自己設(shè)計這部分電路3、控制引導(dǎo)電路及計數(shù)、置數(shù)電路：如圖25。當(dāng)按第一次鍵時，開門脈沖通過 4017僅將百位的門（4011）打 開，讓緊接著來的號碼脈沖通過，并對百位計數(shù)器（4518）計

26、數(shù)。4518的輸出 就替代實驗b中的撥盤開關(guān)作為4522的置數(shù)信號。當(dāng)?shù)诙伟磿r，4017將百 位和個位的門關(guān)死，打開十位的門，讓號碼脈沖對十位的計數(shù)器計數(shù)。第三次 按時，則僅打開個位的門。在按百位數(shù)之前，應(yīng)對4017和4518進(jìn)行請零。根據(jù)圖25,搭出具體電路，完成1999KHZ鍵盤置數(shù)式頻率合成器。清 零部分先設(shè)計成手動的，即清零通過一導(dǎo)線用手動式碰一下高電平。 再設(shè)計成： 當(dāng)?shù)谒拇伟存I盤時，自動清零。4011號碼脈沖RCP13CPCP十451844 OT-2Z54 O開門脈沖圖25100K二、PLL調(diào)頻（FM）解調(diào)如圖26,4046 B組成FM信號形成電路。4046A組成PLL式FM解調(diào)

27、電路。 只要處于鎖定狀態(tài)，4046A （10）腳就輸出疊加有一定載波成分的調(diào)制信號。 經(jīng)有源LPF濾去載波成分就可解出調(diào)制信號。實驗步驟：1.測由運放324組成的有源LPF的截止頻率f'（輸入信號應(yīng)加在10卩電容左 側(cè)，但又不能加到4046A （10）腳。輸出信號不能限幅）；2.3.4.4046A（14）接地，測其中心頻率fo （應(yīng)斷開4046B）調(diào)4046B的VC0頻率至4046A的fo ;4046B接4046A（14），觀察鎖定波形；加入Vi （100Hz 1KHz的正弦波）觀察并畫出 Vi、4046A（10）及Vo的波形。47n T1臺口號。DTMF 信圖26三、鎖相式雙音多頻信

28、號（DTMF ）解碼器1、實驗原理串串脈沖信號（如前面在自動電話交換網(wǎng)中，有兩種呼叫信號：一種疋實驗中用的HM9102D產(chǎn)生的信號）；另一種是雙音多頻信號（DTMF）。 按紐電話機(jī)共有12個按紐，分別代表0 9等10數(shù)字及“*”、“#”兩個符 每按一個按紐就產(chǎn)生兩種音調(diào)的信號。不同按紐有不同的音調(diào)組合。號有兩組音調(diào)，稱高頻群（H）和低頻群（L）,每個按紐各由H和L中的一個 頻率組成。按紐的頻率組合如表 2所示。雙音多頻按紐電話有很多優(yōu)點：選號速度比脈沖選號速度快得多；在通話狀態(tài)時還能發(fā)送其他信號（如計算機(jī)數(shù)據(jù)或遙測遙控信號）；抗干擾性強(qiáng)，傳輸 特性好等等。VDD1/'16DTMFXMT

29、R215INHSTCOL1314ROW1COL2413ROW2COL3512ROW3VSS 611ROW4OSC1710MUTEOSC289COL45087圖27低頻群（Hz）高頻群（Hz）120913361477697123770456852789941*0#表2為了產(chǎn)生27。DTMF信號，現(xiàn)在有很多專用芯片，5087就是其中之一，5087 已廣泛應(yīng)用于按鍵式新型電話機(jī)，程控交換機(jī)等通信設(shè)備和其它電子儀器，是 我國優(yōu)選的通信集成電路品種。其引腳如圖引出端功能說明COL1 COL4列輸入端。它們通過內(nèi)部電阻 Rc保持于Vss。當(dāng)與一行 輸入相接時，該輸入將呈有效邏輯電平（近似為 VDD/2）R

30、OWi ROW4行輸入端。它們通過內(nèi)部電阻 Rr保持于Vdd。當(dāng)與一行 輸入相接時，該輸入將呈有效邏輯電平（近似為 Vdd/2）OSCi、OSCo振蕩器輸入與輸出端，通常于兩端間外接3.579545MHz晶體，產(chǎn)生電路時鐘信號。MUTE 靜默輸出。當(dāng)無按鍵輸入時，該 CMOS輸出端為Vss電平，當(dāng) 有一按鍵輸入時，該端呈現(xiàn) Vdd電平。其輸出狀態(tài)與INHST無關(guān)。XMTR 發(fā)送轉(zhuǎn)換開關(guān)。它實際是集電極接于 Vdd的雙極型晶體管之發(fā) 射極輸出，若無按鍵輸入時，該輸出保持在 Vdd電平；若有一按鍵輸入時，該 端呈高阻態(tài)，其狀態(tài)于INTst無關(guān)。INHST單音禁止輸入。該端通過內(nèi)部上拉電阻接于 VD

31、D。若INHST懸空 或接至Vdd，電路可產(chǎn)生單音或 DTMF信號，若INTst輸入Vss電平，則電路 只會產(chǎn)生DTMF信號，而禁止出現(xiàn)單音。DTM F DTM F信號輸出端。它實際是集電極接于 Vdd的NPN晶體管 之發(fā)射極輸出。行和列單音經(jīng)運放相加與穩(wěn)幅后，加到晶體管的基極，經(jīng)驅(qū)動而輸出。5087的應(yīng)用電路如圖28當(dāng)按單鍵時，產(chǎn)生DTMF信號；當(dāng)同時按同一列，或同一行的多個鍵時產(chǎn)生該 行或該列所對應(yīng)的單音信號；當(dāng)同時按不同行不同列的兩鍵時，不產(chǎn)生信號。圖29雙音多頻（DTMF ）信號解碼有多種方法，本實驗利用具有很高頻率選擇 性的鎖相環(huán)集成電路來完成的。每當(dāng)輸入端收到某一鍵所對應(yīng)的一對頻率

32、時， 就輸出一個表示該鍵的脈沖。圖29表示解碼用的LM567鎖相環(huán)集成電路的方框圖。RiCi決定振蕩器的中心頻率；R2C2是環(huán)路濾波器，其中C2可在外部調(diào)整, 改變其通頻帶。當(dāng)環(huán)路鎖定時，鑒相器有一脈沖輸出，經(jīng)放大器 放大后由（8）腳輸出低電平。當(dāng)環(huán)路失鎖時，（8）腳輸出高電平。LM567的中心頻率為：f03RiCi式中：RiCi的單位分別為歐姆和法拉。 環(huán)路帶寬BW為：BW= 1070也=V foC2式中，BW是環(huán)路捕捉范圍相對于中心頻率fo的百分率;Vin是輸入信號有效值，應(yīng) 200 mVrms,單位伏特;C2單位為f ；fo的單位為Hz。圖30為用LM567進(jìn)行單一頻率檢測電路。如 56

33、7的中心頻率為fo ,當(dāng)ui 中包含有fo成分時，（8）輸出低電平，否則高電平。DTMF信號解碼通常是由兩個鎖相環(huán)路成對運用的，分別調(diào)諧于輸入的兩 個頻率，如圖31所示。當(dāng)輸入信號同時包含兩個頻率時，輸出可或邏輯“1”。圖32是一個具有公共輸入信號的按紐音調(diào)解碼器，用以解調(diào)6組DTMF信號。電路中用5個鎖相環(huán)路，分別調(diào)諧于不同頻率。電路的功能是能檢測出輸入信 號是由五個頻率中的哪兩個頻率組成，并驅(qū)動 6個或非門產(chǎn)生表示6個數(shù)字的 輸出信號。（如用7個LM567和12個或非門則可解調(diào)12個DTMF信號。）5V103 Vin T 卜W 10K3456785621 7*5V圖30圖312、實驗步驟:

34、DTMF 1035V1）567捕捉帶測試：電路如圖30。調(diào)W， 讓（5）腳的頻率為 1000Hz,Vin=100mVrms （用數(shù) 字電壓表測），測出捕 捉范圍。2） DTMF信號發(fā)生器。電路如圖28, 定要注 意IC的電源端不要接 錯。用示波器觀察單音 信號和雙音信號（按雙 鍵和單鍵），并用頻率 計測7個單音信號頻 率。3） DTMF信號的解 碼（PLL法），電路如 圖32所示，6路輸出對 應(yīng)鍵盤的1、2、3、4、5、6鍵。5塊567中2 塊調(diào)諧于低頻群，3塊 調(diào)諧于高頻群?；蚍情T用CD4001，每個或非門的輸出端接一個如 圖33的跟隨器。最終 應(yīng)做到按鍵盤中的某 個鍵時則對應(yīng)的發(fā)光 二極管

35、就亮起來JI34It56978rt1J10K621 7« 5V104 H"pu "p0u10103103心5K1B10K10K15-25-3477085621 75V阡二L丄丄10” 104 H -pu T0u5V34120985621 710KL-I-Jiu -p0u彳5VW5V104103TRK5 610K104 T10K5V34133685621 710K5V34147785621 75V10K丁0u1SWTu圖32i.5V200圖3355-四、PLL數(shù)字調(diào)諧實驗現(xiàn)代的接收機(jī)（如電視機(jī)、收音機(jī)）大多采用超外差接收方式。如要接收 的信號的載波頻率為fc,則接收

36、機(jī)要產(chǎn)生一個本振信號，其頻率fL=fc+fi，其中 fl為中頻。在模擬調(diào)諧方式中，本振信號一般是由 LC振蕩回路產(chǎn)生的。調(diào)諧（調(diào)臺） 時，一般是用改變LC振蕩回路中電容的容量（如改變變?nèi)荻O管的反向偏壓）， 來改變本振信號的頻率，從而達(dá)到選臺的目的。在數(shù)字調(diào)諧方式中，本振信號則是用鎖相環(huán)的方法來產(chǎn)生。即由晶振電路 產(chǎn)生頻率高穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)信號，再用鎖相環(huán)倍頻的方法產(chǎn)生本振信號，通過改變 鎖相環(huán)反饋回路分頻比的方法來改變本振信號頻率，就象前面實驗中用一片 4046和三片4522以及1KHz標(biāo)準(zhǔn)信號就可獲得1999KHz信號一樣。要獲得 某一準(zhǔn)確的本振頻率，只要在4522的置數(shù)端置入相應(yīng)的數(shù)值（BCD

37、碼）即可。 所以數(shù)字調(diào)諧的關(guān)鍵就是解決如何置數(shù)的問題。在這個實驗中我們是用鍵盤通 過DTMF編解碼的方法來置數(shù)。最終應(yīng)做到：如要接收某一載波信號（如 fc=345KHz），則只要在鍵盤上按該載波的數(shù)值（即 3, 4, 5三個鍵），就可得到 fL=fc+fI=345+455=800 KHz的本振信號。（這里中頻fI為455 KHz）。最后信號 發(fā)生器輸出的載波信號和本振信號（4046的4腳輸出的方波）經(jīng)混頻濾波后應(yīng) 得到455 KHz的中頻信號（用示波器觀察）。實驗的方框圖如圖34。BCD圖34其中：鍵盤和5087 （或HM9102D）組成DTMF編碼電路。MT8870是DTMF解碼電路。當(dāng)輸入

38、某個 DTMF編碼信號（即按鍵盤的某 個鍵）時，8870的數(shù)據(jù)輸出端D01-D04就輸出相應(yīng)的二進(jìn)碼，同時其15腳（CID） 輸出高電平。即每按一次鍵，CID就輸出一個正脈沖可作為百、十、個位選擇 電路的CP信號4017為百、十、個位選擇電路，作用是按第一次鍵時，8870的D01-D04輸出的BCD碼應(yīng)鎖存到“百”位的鎖存器，二、三次則分別為“十”、“個”位。三片74LS175 （或CD40175）分別為“百”、“十”、“個”位鎖存器。每片 74LS175含有4個D觸發(fā)器（D1D4），分別對應(yīng)BCD碼的1，2，4，8位。 三片的D1端應(yīng)都接到MT 8870的D01輸出端，D2、D3、D4也類似

39、。4017的 “ 1”、“2”、“3”輸出端（即2、4、7腳）的輸出信號分別作為三片 74LS175 的CP信號。這樣，當(dāng)清零（對4017）后，8870再順序輸出三個數(shù)字（如：3, 4，5），則相應(yīng)的二進(jìn)碼（0011, 0100, 0101）就鎖存在三片 74LS175的輸出 端。三片74LS175的輸出信號（如：3, 4, 5）輸入到加法器（三片 4560） A 輸入端，和固定中頻數(shù)值455 （由B輸入端輸入）相加后的和的數(shù)值（如：8, 0, 0）就作為4522的置數(shù)信號。即這時鎖相環(huán)輸出的是 800KHZ的方波，作為 本振信號?；祛l電路如圖35,輸入信號Us的幅度為15mV，本振信號為TT

40、L電平。 根據(jù)上述工作原理、方框圖以及附錄 1,自己設(shè)計、搭接具體電路。要求當(dāng) 信號發(fā)生器輸出123KHZ的正弦波（即Us）時，如順序按“1”、“2”、“3” 鍵，則用示波器可看到455KHZ的中頻信號Ui，而且要求“上電清零”。U|混頻電路（MC1496）調(diào)試步驟：（1） 455KHZ諧振回路調(diào)整Us開路,電位器W旋到任一極端位置，示波器探頭（X10檔）測1496（12）腳，Ul為200mVp-p的455KHz附近的正弦信號，微調(diào) Ul的頻 率，觀察LC回路的選頻作用，其中心頻率應(yīng)為455KHZ。如不是455KHz, 則固定Ul的頻率為455KHZ，調(diào)線圈的磁芯，使（12）腳輸出信號的幅度最

41、大，即可。（2）平衡電位器的調(diào)整 在步驟（1）的基礎(chǔ)上，調(diào)電位器W，使（12）腳輸出信號的幅度為零， 即可。五、用鎖相環(huán)方法自己設(shè)計一個變頻電路。 要求將600Hz的TTL信號變?yōu)?00*5 / 6 = 500Hz的信號。鎖相環(huán)的LPF為附錄3中的（d）。1）用一片4046和兩片4017組成上述電路；2）用一片4046和一片4518及若干二極管組成上述電路。附錄174LS175（或CD40175）是四重上升沿D觸發(fā)器（有公共清零端），真值表如下 （每個觸發(fā)器）：輸入輸 出LXXLHTHHHTLLHLXQOCD4560“621531441351261171 1108974LS1751Q1DVCC