簡(jiǎn)易頻率合成器

簡(jiǎn)易頻率合成器一、技術(shù)指標(biāo)1、 輸出信號(hào)的頻率范圍：lkHz-99kHz2、 步進(jìn)頻率：1Khz3、 輸出電平為方波二、設(shè)計(jì)原理總體設(shè)計(jì)原理的框圖與描述1、CD4046鎖相環(huán)電路設(shè)計(jì)(1)、鎖相環(huán)基本組成鎖相環(huán)通常由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)三部分組成，鎖相環(huán)組成的原理框圖如圖2-2所示。鎖相環(huán)中的鑒相器又稱(chēng)為相位比較器，它的作用是檢測(cè)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的相位差，并將檢測(cè)出的相位差信號(hào)轉(zhuǎn)換成uD(t)電壓信號(hào)輸出，該信號(hào)經(jīng)低通濾波器濾波后形成壓控振蕩器的控制電壓uC(t)，對(duì)振蕩器輸出信號(hào)的頻率實(shí)施控制。

⑵、鑒相器(PD)鑒相器主要由放大整形電路和相位比較器組成。比較器I采用異或門(mén)結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩個(gè)輸人端信號(hào)Ui、Uo的電平狀態(tài)相異時(shí)，輸出端信號(hào)U屮為高電平；反之，Ui、Uo電平狀態(tài)相同時(shí)，U屮輸出為低電平。當(dāng)Ui、Uo的相位差厶屮在0°-180°范圍內(nèi)變化時(shí)，U屮的脈沖寬度m亦隨之改變，即占空比亦在改變。對(duì)相位比較器I,它要求Ui、Uo的占空比均為50%(即方波)，這樣才能使鎖定范圍為最大。相位比較器II對(duì)輸入信號(hào)占空比的要求不高，允許輸入非對(duì)稱(chēng)波形，它具有很寬的捕捉頻率范圍，而且不會(huì)鎖定在輸入信號(hào)的諧波。它提供數(shù)字誤差信號(hào)和鎖定信號(hào)(相位脈沖)兩種輸出，當(dāng)達(dá)到鎖定時(shí)，在相位比較器II的兩個(gè)輸人信號(hào)之間保持0°相移。 圖1鑒相器、壓控振蕩器(VCO)指輸出頻率與輸入控制電壓有對(duì)應(yīng)關(guān)系的振蕩電路(VCO)，頻率是輸入信號(hào)電壓的函數(shù)的振蕩器VC0,振蕩器的工作狀態(tài)或振蕩回路的元件參數(shù)受輸入控制電壓的控制，就可構(gòu)成一個(gè)壓控振蕩器、低通濾波器環(huán)路濾波器(LF)是一個(gè)線性低通濾波器，用來(lái)濾除誤差電壓ud(t)中的高頻分量和噪聲，更重要的是它對(duì)環(huán)路參數(shù)調(diào)整起到?jīng)Q定性作用。環(huán)路濾波器由線性原件電阻、電容、和運(yùn)算放大器組成。它是一個(gè)線性系統(tǒng)、鎖相環(huán)電路的工作原理鑒相器的工作原理是：設(shè)外界輸入的信號(hào)電壓和壓控振蕩器輸出的信號(hào)電壓分別為：礙&)=人如［呼+耳⑴］ %(f)=卩阪匚珂％￡+%(◎］式中的30為壓控振蕩器在輸入控制電壓為零或?yàn)橹绷麟妷簳r(shí)的振蕩角頻率，稱(chēng)為電路的固有振蕩角頻率。則模擬乘法器的輸出電壓uD為：%=莊礙(加應(yīng))=疋人/伽如［呼+q(切匚珂現(xiàn)云+妬⑴］

=|EQ血sin［哄+Q(f)+由也+恥)］七冶皿帥｛:［廻f+耳⑵］—⑷憶+址⑴］｝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(t)。即uC(t)為：= 3gsin｛［呼+$(￡)］—［如+吒⑷］｝=%帥｛(少：一珂)』+［$(◎—竝⑵］｝式中的3i為輸入信號(hào)的瞬時(shí)振蕩角頻率，0i(t)和0O(t)分別為輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的瞬時(shí)位相，根據(jù)相量的關(guān)系可得瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)位相的關(guān)系為:即則，瞬時(shí)相位差0即則，瞬時(shí)相位差0d為8(f)=J+為氐=(4一磯”+燉$)-軌(0對(duì)兩邊求微分，可得頻差的關(guān)系式為肌二氐=(4一磯”+燉$)-軌(0對(duì)兩邊求微分，可得頻差的關(guān)系式為肌二改爲(wèi)—吒"*乳疑C)-現(xiàn)&)］dt dtdt上式等于零，說(shuō)明鎖相環(huán)進(jìn)入相位鎖定的狀態(tài)，此時(shí)輸出和輸入信號(hào)的頻率和相位保持恒定不變的狀態(tài)，uc(t)為恒定值。當(dāng)上式不等于零時(shí)，說(shuō)明鎖相環(huán)的相位還未鎖定，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的頻率不等，uc(t)隨時(shí)間而變。因壓控振蕩器的壓控特性如圖8-4-3所示，該特性說(shuō)明壓控振蕩器的振蕩頻率3u以30為中心，隨輸入信號(hào)電壓uc(t)的變化而變化。該特性的表達(dá)式為叫C叫C)=%+%%&性圖2壓控振蕩器壓控特上式說(shuō)明當(dāng)uc(t)隨時(shí)間而變時(shí)，壓控振蕩器的振蕩頻率3u也隨時(shí)間而變,鎖相環(huán)進(jìn)入“頻率牽引”，自動(dòng)跟蹤捕捉輸入信號(hào)的頻率，使鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定的狀態(tài)，并保持30=3i的狀態(tài)不變。2、基準(zhǔn)信號(hào)設(shè)計(jì)這次設(shè)計(jì)采用555芯片提供1Khz的基準(zhǔn)信號(hào)。含有豐富的高次諧波，故稱(chēng)為多諧振蕩器。多諧振蕩器沒(méi)有穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，在自身因素的作用下，電路就在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換，故又稱(chēng)它為無(wú)穩(wěn)態(tài)電路。由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖4所示，R1,R2和C是外接定時(shí)元件，電路中將高電平觸發(fā)端（6腳）和低電平觸發(fā)端（2腳）并接后接到R2和C的連接處，將放電端（7腳）接到R1，R2的連接處。由于接通電源瞬間，電容C來(lái)不及充電，電容器兩端電壓uc為低電平，小于（1/3）Vcc,故高電平觸發(fā)端與低電平觸發(fā)端均為低電平，輸出uo為高電平，放電管VT截止。這時(shí)，電源經(jīng)R1，R2對(duì)電容C充電，使電壓uc按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)uc上升到（2/3）Vcc時(shí)，輸出uo為低電平，放電管VT導(dǎo)通，把uc從（1/3）Vcc上升到（2/3）Vcc這段時(shí)間內(nèi)電路的狀態(tài)稱(chēng)為第一暫穩(wěn)態(tài)，其維持時(shí)間TPH的長(zhǎng)短與電容的充電時(shí)間有關(guān)。充電時(shí)間常數(shù)T充二（R1+R2）C。不難理解，接通電源后，電路就在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間來(lái)回翻轉(zhuǎn)，則輸出可得矩形基準(zhǔn)波。電路一旦起振后，uc電壓總是在（1/3?2/3）Vcc之間變化。輸出的波形圖如圖5。

圖5555多諧振蕩器輸出波形3、分頻電路設(shè)計(jì)r~FPU374HC101<TEXT>V V2S3IN山dN山oo^ss8z00r~FPU374HC101<TEXT>V V2S3IN山dN山oo^ss8z00strzS3IN山dN山oo^ssss8z00s174HC101U4DJPSW￡TEXT>IOcoCJ二!_!圖6分頻電路我們使用74ls160十進(jìn)制計(jì)數(shù)器作為分頻器，由于是兩片擴(kuò)展的，最進(jìn)制為10*10=100進(jìn)制。撥碼開(kāi)關(guān)用作進(jìn)制選擇，每當(dāng)?shù)诙?jì)數(shù)器計(jì)滿(mǎn)后，進(jìn)位輸出通過(guò)反相器重新置位兩片計(jì)數(shù)器，使得進(jìn)制可調(diào)。4、電路原理圖

?TEXTi>COMPIMVCOINPFPC1OUT8DIMPC3OUTrtxiVCOuUTCX2IMHH.1[>B.K>[iZENERR2C1..un-iF.<.TEXT^U5:A-2s口aI」3..7.+H￡lEiU4.■■=TEXT^.■TITI7+HC?TEXTi>COMPIMVCOINPFPC1OUT8DIMPC3OUTrtxiVCOuUTCX2IMHH.1[>B.K>[iZENERR2C1..un-iF.<.TEXT^U5:A-2s口aI」3..7.+H￡lEiU4.■■=TEXT^.■TITI7+HC口卜?=T-EXT^°-ss31OA山OSss>no叫UII1J山OQK口口口1=1口三、電路焊接與調(diào)測(cè)1、元件清單元件名稱(chēng)數(shù)量NE5551CD4046174LS16028p插座114p插座116p插座310k五腳排阻210nf電容110k可調(diào)電阻3

10k電阻2100k電阻2電容51p1電容200p1電容1041萬(wàn)用版10*151四位撥動(dòng)開(kāi)關(guān)22、調(diào)試過(guò)程1）、壓控振蕩器調(diào)試與波形2）、鑒相器調(diào)試與波形TypicalWaveformsSIGNALIN{:DMPAKATOHINFHA^ECDMPI[>UiPHAjEtONtPAHAfOHSIGNALIN{:DMPAKATOHINFHA^ECDMPI[>UiPHAjEtONtPAHAfOHI豐丁LTLTLTLVCO|K(LOWPASSFILTEHOUTPUT1FIGURES.TypicalWa^&fornnEmployingPhasaComparatorIInLockedConditionPHASECOUPARATORII從圖中可以見(jiàn)到相位比較器1輸出波形為輸入波形幅度異或的關(guān)系7nnvon- r~Vql 1l_JL跖Uuvol Ju 咖 SlCHAlIKCOUPAHATOnINPHASEPULSESPHASECOMPIIIOUT(LDWPASSFfLTEROUTPUT)FIGURE4,TypicalWaveformEmployingPhaseComparatorIIInLockedCondition從圖中可以見(jiàn)到，當(dāng)輸人