北理工通信优秀课程设计.docx

本科试验汇报

试验名称：锁相式数字频率合成器设计

课程名称：
通信电路和系统
试验时间：
3月3日-14日
任课老师：

试验地点：

试验老师：

试验类型：
□ 原理验证
√ 综合设计
□ 自主创新
学生姓名：

学号/班级：

组 号：

学 院：

同组搭档：

专 业：

成 绩：

锁相频率合成器设计
班级： 姓名： 评分：
一、 设计任务和技术指标
1. 工作频率范围：300kHz—700kHz
2. 电源电压：Vcc=5V
3. 经过原理图确定电路，并画出电路图
4. 计算元件参数选择电路元件（R1，R2，C1，R1ˊ,R2ˊ及环路滤波器配置）
5. 组装连接电路，并测试选择元件正确性
6. 调试并测量电路相关参数（测量相关频率点，输出波形，频率转换时间tc）
7. 总结并撰写试验汇报
二、 设计方案
锁相频率合成器原理
锁相环（PLL）是一个相位误差控制系统，利用反馈控制原理实现频率及相位同时技术。锁相环经过比较输入信号和压控振荡器输出频率之间相位差，产生误差控制电压来调整压控振荡器频率，以达成和输入信号同频。
锁相环路基础组成框图图1-1所表示。它由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成。其中，PD和LF组成反馈控制器，而VCO就是它控制对象。

锁相环路基础组成框图（1-1）
将一个或多个标准频率，经过加、减、乘、除四则运算，变成含有同稳定度和正确度多个所需频率技术称为频率合成技术。锁相式频率合成器，其优点是能够实现任意频率和带宽频率合成，含有极低相位噪声和杂散。是现在应用最为广泛一个频率合成方法。
经典直接式频率合成器组成框图图1-2所表示。它由参考振荡器、参考分频器、鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）、压控振荡器（VCO）和可编程分频器等部分组成。
直接式频率合成器（图1-2）
由图1-2可知，晶体振荡器频率经过M固定分频后得到步进参考频率，将信号作为鉴相器基准和N分频器输入进行比较，鉴相器输出Ud正比于两路输入信号相位差，Ud经过环路滤波器得到一个平均电压Uc，Uc控制压控振荡器（VCO）频率改变，使鉴相器两路输入信号相位差不停减小，直到鉴相器输入为零或某一直流电平，这时称为锁定。锁定后频率为即。当预置分频数N改变时，输出信号频率伴随发生改变。
锁相环中滤波器时间常数据定了跟随输入信号速度，同时也限制了锁相环捕捉范围。
三、 电路原理和设计
1.CD4046锁相环工作原理
CD4046是通用CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为3V－18V），输入阻抗高(约100MΩ)，动态功耗小，在中心频率f0为10kHz下功耗仅为600μW，属微功耗器件。
CD4046是带有RC型VCO锁相环路，属于低频锁相环路。采取 16 脚双列直插式，图1-3为CD4046内部功效框图和组成锁相频率合成器时外围元件连接图。从图中能够看出，CD4046关键由相位比较Ⅰ、Ⅱ、压控振荡器（VCO）、线性放大器、源跟随器、整形电路等部分组成。芯片内含有一个低功耗、高线性VCO，两个工作方法不一样鉴相器PDI和PDII，A1为PDI和PDII公用输入基准信号放大器，源跟随器A2和VCO输入端相连是专门作FM解调输出之用，另外还有一个6V左右齐纳稳压管。CD4046管脚排列图图1-4。

1-3 CD4046内部功效图 1-4 CD4046引脚图

CD4046引脚功效描述:
符号
引脚
名称功效
Ph03
1
输出端（相位脉冲输出） 相位比较器2输出相位差信号，为上升沿控制逻辑。环路人锁时为高电平，环路失锁时为低电平
Ph11
14
相位比较器输入端（基准信号输入 ），相位比较器输入信号，输入许可将0.1V左右小信号或方波信号在内部放大并再经过整形电路后，输出至相位比较器。
PH12
3
相位比较器输入端（比较信号输入） 通常PD来自VCO参考信号。
PH01
2
PDⅠ输出端 相位比较器1输出相位差信号，它采取异或门结构，即鉴相特征为 。
PH02
13
PDⅡ输出端 相位比较器Ⅱ输出端，它采取，上升沿控制逻辑。
VC01
9
压控振荡器控制端。
VC00
4
压控振荡器输出端
INH
5
VCO严禁端，1有效 控制信号输入，高电平时严禁，低电平时许可压控振荡器工作。
R1
11
VCO外接电阻R1
R2
12
VCO外接电阻R2
C1
6.7
并接振荡电容C1，以控制VCO振荡频率。
DEM0
10
解调信号输出端

15
内部独立齐纳稳压二极管负极。
2.参考振荡器工作原理
参考振荡器可采取门电路（74LS系列或CD系列）和标称石英晶体组成振荡器。石英晶体振振器电路符号、等效电路、电抗曲线图1-5所表示。工作电路图如1-6所表示。

1-5晶振 1-6参考晶体振荡器电路图
从石英晶体谐振器电抗特征可看出，在串、并联谐振频率之间很狭窄工作频带内，它呈电感性。所以石英振荡器能够工作于感性区和串联谐振频率上，但不能使用容性区。依据晶体在振荡电路中不一样作用，振荡电路可分为两类：一类是石英晶体在电路中作为等效电感元件使用，这类振荡器称为并联型晶体振荡器；另一类是把石英晶体作为串联谐振元件使用，使它工作于串联谐振频率上，称为串联型晶体振荡器。
3.分频器工作原理
分频器采取预置法将两个74HC163先反馈后级联组成，前一级RCO信号作为后一级使能信号。时钟信号采取同一输入。分频数经过改变ABCD高低电平来实现。工作电路图图1-7。

1-7 分频器电路图
所测频率点为300kHz、500kHz、700kHz，74LS163设置以下：

频率/kHz
片（1）D3D2D1D0
片（2）D3D2D1D0
300kHz
0 0 1 0
1 1 1 1
500kHz
0 0 1 1
0 1 1 1
700kHz
0 0 1 0
0 1 1 1

四、 测量结果及分析
试验在面包上搭建电路，共用了1片2.5MHz晶体振荡器、1KΩ电阻两枚、100KΩ和5.1KΩ电阻各一枚、0.1μf、56pf、0.1nf电容各一枚、4片74HC163、2片74HC04、1片CD4046，搭建时候完成一个模块测试一个模块。
调试电路设备有双路直流稳压电源、数字频率计、数字示波器、万用表、低频信号发生器。调试采取分步逐层调试。
1.晶体振荡器输出频率测量：将晶体振荡器输出信号接入多功效计数器接头上，测量晶体产生频率。稳定在2.5MHz。
2．1/M分频器输出频率测量：测量74ls163高位片15脚输出频率。稳定在25KHz。
3．输出频率测量：测量CD4046第4管脚输出频率，应稳定在300、500、700KHz。
4.峰值时间tm和频率转换时间tc特征参数：N分频器低位片3管脚接50Hz占空比为50%方波和双踪示波器1路接，示波器2路测量CD4046第9管脚输出波形，测量tc和tm。
试验结果：输出稳定，结果见下表
输入频率/KHz
分频比
片(1) DCBA
片(2) DCBA
输出频率/KHz
2500
100
0110
0110
25
300
12
0010
1111
299.968
500
20
0011
0111
499.946
700
28
0010
0111
699.927

参考测量分析
（1）VCO压控灵敏度和线性度。
前已指出，VCO压控灵敏度是单位电压控制下，VCO输出角频率改变量，记作，定义为

理想压控灵敏度应是不变，但实际中是改变，这么压控特征是非线性，通常见线性度参量来描述线性度，越靠近1越好，定义为

（2）测量和计算

分频比N改变时波形

测量结果为1.6ms，符合设计要求

五、 总体电路图（附图1）
六、 试验心得
这次试验中，我自己完成了整个程序设计框架，从最开始画电路图， 到以后布线，调试，改善一系列操作中，收获了很多。开始时布线随意，没有考虑到可能造成干扰，以至以后改善十分费力，付出了较多时间。
试验过程中关键应该是调试，比如说分频器测试，4046功效测试，假如不根据步骤测试，排出问题基础不可能。
经过这次试验，我对锁相环工作原理有了深入认识。基础掌握了锁相环及频率合成器设计方法，在试验中，发觉自己对图表了解能力还是有些欠缺，自己动手操作能力也有待提升，需要深入加强。
　　试验中碰到了很多困难，比如连线时，正负极短接，造成电源短路，对试验测量有一定影响；测频率时频率计上示数一直在跳动，最终在频率计地线上接上1K电阻有效处理了问题。在最终调试过程中，tc一直过大，使得原来计算参数全部没有用，需要重新计算，外接电容，更换电阻等情况进行修改。这全部使得自己计算动手能力有了很大提升。
　　感谢老师们这几天下午指导，老师您辛劳了。

3月17日

参考书目
[1]李晋炬.通信电路和系统试验教程[M].北京：北京理工大学出版社，.09

、

附试验电图