鎖相頻率合成器課程設計

1、湖南工業(yè)大學課程設計任務書2013 2014學年第2學期計算機與通信 學院通信工程專業(yè) 通信11XX班級課程名稱：移動通信設計題目：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 周內容及任務一、設計的主要技術參數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、設計任務主要內容：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：完成電路設計；完成電路實際搭建和實現；完成鎖相頻率合成器的各項性能測試。三、設計工作量1周完成進 度 安排起止日期工作內容5月11日分組、任務分配、課題理解5月11日-5月15日功能分析、電路設計和實現5月15日-5月18日實驗驗證和測試5月19日總結、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.無線通信原理與應用.電子工業(yè)出版社.2001.4及燕麗等.現代通信系統.電子工業(yè)出版社.2002.6.指導教師(簽字)：年 月日系(教研室)主任(簽字)：年 月日湖南工業(yè)大學課程設計資料袋計算

3、機與通信學院（系、部）20132014 學年第 2 學期課程名稱 移動通信 指導教師陳衛(wèi)兵 職稱教授學生姓名 你懂得專業(yè)班級通信11xx班 學號 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量備注1課程設計任務書12課程設計說明書13課程設計圖紙張4源代碼56移動通信設計說明書鎖相頻率合成器起止日期： 2014年05月日 至 2014年05月呈史日學生姓名你懂得班級通信工程11xx學號11408200400成績指導教師（簽字）計算機與通信學院2014年05月19日課題名稱鎖相頻率合成器人數5人組長牛逼啊組員內容及任務一

4、、設使 機和接 范圍為二、設主利 可以利主1.2.3.三、設1:計的主要技術參數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。:計任務要內容：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：完成電路設計；完成電路實際搭建和實現；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容5月11日分組、任務分配、課題理解5月11日-5月15日功能分析、電路設計和

5、實現5月15日-5月18日實驗驗證和測試5月19日總結、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.無線通信原理與應用.電子工業(yè)出版社.2001.4及燕麗等.現代通信系統.電子工業(yè)出版社.2002.6.指導教師(簽字)：系(教研室)主任(簽字)：鎖相頻率合成器一、設計的內容及任務主要內容：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艑嶒炏渫瓿伞Ｖ饕蝿眨?.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頻器的調制頻率特性，熟悉鎖相調頻原理。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 際值由系統要求決定。一般模擬調頻通信系統頻道間隔 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?；旌闲盘柨刂普袷幤?，該數模混合信號控制振蕩器接收低通濾波器的信號和分頻 數N信號；一 1/N分頻器，該1/N分頻器接收數?；旌闲盘柨刂普袷幤鞯男盘?；該1/N分頻器 同時接收外部分頻數的控制信號；由以上電路組成鎖相環(huán)路，其中數?；旌闲盘柨刂普袷幤?由數字和模擬混合信號來控制，實現快速頻率和相位鎖定；其中數字信號直接確定數?；旌?信號控制振蕩器的頻率；模擬信號控制數?；旌闲盘柨刂普袷幤鞯妮敵鲱l率的精度；其中控 制1/N分頻器的分頻數N信號經過編碼器產生數模混合信號控制數?；旌闲盘柨刂普袷幤鞯?數字控制信號，數字控

9、制信號用于控制數?；旌闲盘柨刂普袷幤鳌６⒎桨?一、設計方法采用模擬電路設計采用晶振與三極管以及兩電容構成并聯型品體振蕩器，再將輸出信號經過施密特觸發(fā)器 整形，產生方波。此電路對電容的要求較高，且較為復雜麻煩，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構成晶振電路，由于電阻電容只是起 輔助作用，且產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加法計數器若采用BCD加法計數器，在預置分頻數時應求其關于9的補碼預置，或者使用轉換電路 進行轉換，較為麻煩，故放棄使用。選用BCD

10、減法計數器若采用BCD減法計數器，在預置分配數時可直接輸入BCD碼，方便快捷，故選用減法器。三、電路設計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絡方可產生振蕩。只要在晶體振子板極上施加交變 電壓，就會使晶片產生機械變形振動，此現象即所謂逆壓電效應。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、5474LS04四種線路結構形式，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選擇，如數百 赫茲到數十兆赫茲，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的調節(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應當分別為 211、210。故可采用3片集成四位二進制計數器(74LS293)進行級聯構成(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操作：將CKB與 連接，計數脈沖由輸入。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

14、M的BCD碼最高位與U4D對應，依次往下為U4C、U4B、U4A、U3DU1A。74LS192為可預置的十 進制同步加/減法計數器。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LHHCount DowN減計數圖5 74LS192真值表CPU為加計數時鐘輸入端。CPD為減計數時鐘輸入端。LD為預置輸入控制端，異步預置。CLR為復位輸入端，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分別為預置輸入口。QA、QB、QC、QD為計數輸出口。二、1/N可編程分頻器工作原理現結合上例簡單介紹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內的數便減1， 當U1內數減至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內數減少到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，直

16、到U4內的數全減為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內數重置。完成一次完整循環(huán)?，F在輸入BCD 碼為0001001000110100，則需要經過 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N=1234。五、鎖相環(huán)電路原理為實現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)系統叫做鎖相環(huán)，簡稱PLL。它廣泛應用于廣播通信、頻 率合成、自動控制及時鐘同步等技術領域。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，比較結果產生的誤差輸出電壓U正比于Ui和Uo 兩個信號的相位差，經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，開始對系統的性能進行測試。對系統 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。頻率轉換時間，是指從一個工作頻率轉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，調節(jié)信號源的幅度，經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測試數據測試鎖相環(huán)：測鎖相環(huán)輸出端，調節(jié)可編程分頻器CC40103，測得頻率應與R分頻器的 輸出頻率與可編程分頻器的預置數的乘積相等說明達到要求。測電源電壓與輸入電壓的關