簡易頻率合成器

簡易頻率合成器一、技術(shù)指標(biāo)1、 輸出信號的頻率范圍：lkHz-99kHz2、 步進頻率：1Khz3、 輸出電平為方波二、設(shè)計原理總體設(shè)計原理的框圖與描述1、CD4046鎖相環(huán)電路設(shè)計(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)中的鑒相器又稱為相位比較器，它的作用是檢測輸入信號和輸出信號的相位差，并將檢測出的相位差信號轉(zhuǎn)換成uD(t)電壓信號輸出，該信號經(jīng)低通濾波器濾波后形成壓控振蕩器的控制電壓uC(t)，對振蕩器輸出信號的頻率實施控制。

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采用異或門結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩個輸人端信號Ui、Uo的電平狀態(tài)相異時，輸出端信號U屮為高電平；反之，Ui、Uo電平狀態(tài)相同時，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，U屮的脈沖寬度m亦隨之改變，即占空比亦在改變。對相位比較器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對輸入信號占空比的要求不高，允許輸入非對稱波形，它具有很寬的捕捉頻率范圍，而且不會鎖定在輸入信號的諧波。它提供數(shù)字誤差信號和鎖定信號(相位脈沖)兩種輸出，當(dāng)達到鎖定時，在相位比較器II的兩個輸人信號之間保持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應(yīng)關(guān)系的振蕩電路(VCO)，頻率是輸入信號電壓的函數(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)成一個壓控振蕩器、低通濾波器環(huán)路濾波器(LF)是一個線性低通濾波器，用來濾除誤差電壓ud(t)中的高頻分量和噪聲，更重要的是它對環(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、和運算放大器組成。它是一個線性系統(tǒng)、鎖相環(huán)電路的工作原理鑒相器的工作原理是：設(shè)外界輸入的信號電壓和壓控振蕩器輸出的信號電壓分別為：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為輸入信號的瞬時振蕩角頻率，0i(t)和0O(t)分別為輸入信號和輸出信號的瞬時位相，根據(jù)相量的關(guān)系可得瞬時頻率和瞬時位相的關(guān)系為:即則，瞬時相位差0即則，瞬時相位差0d為8(f)=J+為氐=(4一磯”+燉$)-軌(0對兩邊求微分，可得頻差的關(guān)系式為肌二氐=(4一磯”+燉$)-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，說明鎖相環(huán)進入相位鎖定的狀態(tài)，此時輸出和輸入信號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，說明鎖相環(huán)的相位還未鎖定，輸入信號和輸出信號的頻率不等，uc(t)隨時間而變。因壓控振蕩器的壓控特性如圖8-4-3所示，該特性說明壓控振蕩器的振蕩頻率3u以30為中心，隨輸入信號電壓uc(t)的變化而變化。該特性的表達式為叫C叫C)=%+%%&性圖2壓控振蕩器壓控特上式說明當(dāng)uc(t)隨時間而變時，壓控振蕩器的振蕩頻率3u也隨時間而變,鎖相環(huán)進入“頻率牽引”，自動跟蹤捕捉輸入信號的頻率，使鎖相環(huán)進入鎖定的狀態(tài)，并保持30=3i的狀態(tài)不變。2、基準(zhǔn)信號設(shè)計這次設(shè)計采用555芯片提供1Khz的基準(zhǔn)信號。含有豐富的高次諧波，故稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，在自身因素的作用下，電路就在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換，故又稱它為無穩(wěn)態(tài)電路。由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖4所示，R1,R2和C是外接定時元件，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，電源經(jīng)R1，R2對電容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，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這段時間內(nèi)電路的狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài)，其維持時間TPH的長短與電容的充電時間有關(guān)。充電時間常數(shù)T充二（R1+R2）C。不難理解，接通電源后，電路就在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間來回翻轉(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74ls160十進制計數(shù)器作為分頻器，由于是兩片擴展的，最進制為10*10=100進制。撥碼開關(guān)用作進制選擇，每當(dāng)?shù)诙嫈?shù)器計滿后，進位輸出通過反相器重新置位兩片計數(shù)器，使得進制可調(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1、元件清單元件名稱數(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1041萬用版10*151四位撥動開關(guān)22、調(diào)試過程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從圖中可以見到，當(dāng)輸人