数字高频调谐器原理与结构分析.docx

《电视机原理》课题设计报告
题目：数字高频调谐器原理与结构分析
学院：信息工程学院
专业：电子信息工程
班级：13普本电信二班
姓名：陈方
学号：1301020025

指导老师：蔡艳艳
数字高频调谐器原理与结构分析
摘要
高频调谐器又称高频头，是液晶彩电信号通道最前端的一部分电路。它的主要作用是调谐所接收的电视信号，即对天线接收到的电视信号进行选择、放大和变频。数字电视调谐器是电视接收机顶盒中的重要部件，是数字电视接收机的前端部件，数字信号高频调谐器简称数字高频头，在数字电视芯片中占有十分重要的地位。它承担了数字电视接收机的全部高频信号的处理工作。它主要是对模拟电视机的升级，使模拟电视机能接收和收看数字电视节目,同时具有所有广播和交互式多媒体应用功能。 现在就基于数字高频调谐器原理与结构进行分析，通过时钟输入采用从信号源上的BS信号输入，经过锁相环电路（CD4046）及分频器控制电路（CD4522）即分频比为N，则从VCO振荡输出口得到合成频率为N信号。把压控振荡器VCO的输入端用导线直接连接到相位比较器的比较信号输入端第三引脚PD12，这时，该电路就是一个基本锁相环电路。本电路采用反馈封锁的办法，实现了使用极少的器件控制着众多批频率的灵活转换功能。分频比范围控制电路，主要通过改变电阻、电容的值来改变频率合成器分频比的范围。
关键词：数字高频头，锁相环 ，控制电路
目录
1绪论1
2 数字调谐器的分类、特点及组成1
数字调谐器分类 2
调谐器基本工作原理 2
铁盒调谐器现状 5
调谐器的几个关键技术指标 5
7
数字频率合成器的组成7
锁相环路的工作原理及组成7
数字锁相式频率合成器系统设计总体框图8
3.3.1 常用集成锁相环路CD4046简介8
3.3.2 CD4046的内部功能框图及各引脚功能如下9
3.3.3可预置1/N计数器CD4522工作原理及引脚图10
总 结13
致 谢14
参考文献15
1绪论
数字电视调谐器是数字电视接收机的前端部件，在数字电视芯片中占有十分重要的地位。它承担了数字电视接收机的全部高频信号的处理工作。
传统的电视调谐器由分立元件构成，通过印刷电路板互连，外型是一个铁盒装置，将各区域隔离，防止信号之间串扰，内部各个区域实现不同功能，通过金属将各区域隔离，防止信号之间的串扰，此类调谐器存在几个难以解决的缺馅：性能不稳定，每个器件都有独立的电气和温度特性，因此随着时间推移和外部环境的变化，调谐器的总体性能的变化范围较大，最终导致图像质量的变化；体积较大，因为内部空间需要容纳众多器件，包括芯片，线圈，电容等，而且要考虑散热问题；成本较高，调谐器的成本包括内部的多块芯片，线圈，电容，外层铁盒以及PCB板的制作费用，价格不菲。
随着微电子技术，超大规模集成电路设计技术，数字信号处理技术以及计算机技术等方面的实用技术突破，国际市场竞争的加剧，电视调谐器的制作越来越优良，性能越来越优异，并向集成化，小型化和高可靠性发展，从上世纪70年代开始，分离器件构成的电路模块逐渐被相应专用的集成电路所替代，并随着集成电路设计技术的发展，电视视调谐器专用芯片的集成度越来越高。
2 数字调谐器的分类、特点及组成

电子调谐器即高频头，由于其内部包含着许多调谐回路（高放回路，输入回路，本振回路），这些调谐回路又都是通过改变变容二极管的端电压来进行调谐的，故称电子调谐器。又由于它处在电视机最前端，也成为前端电路（FEC）。为了使选择频道时的调谐过程简单易行，电视机常采用调谐电压预先制定并存储的方法，完成预置、存储记忆和控制不同频道调谐电压的电路称频道预选器。电子调谐器和频道预选器二者是密切相关的。
数字调谐器能将数字信号转换成模拟信号在电话网上传送，也能将接受到的模拟信号转换成数字信号的设备。由于目前大部分个人计算机都是通过公用电话网接入计算机网络的，因而需通过调制解调器进行上述转换。它是计算机与电话线之间进行信号转换的装置，由调制器和解调器两部分组成，调制器是把计算机的数字信号（如文件等）调制成可在电话线上传输的声音信号的装置，在接收端，解调器再把声音信号转换成计算机能接收的数字信号。通过调制解调器和电话线就可以实现计算机之间的数据通信。
目前调制解调器主要有两种：内置式和外置式。
内置式调制解调器其实就是一块计算机的扩展卡，插入计算机内的一个扩展槽即可使用，它无需占用计算机的串行端口。它的连线相当简单，把电话线接头插入卡上的“Line”插口，卡上另一个接口“Phone”则与电话机相连，平时不用调制解调器时，电话机使用一点也不受影响。
外置式调制解调器则是一个放在计算机外部的盒式装置，它需占用电脑的一个串行端口，还需要连接单独的电源才能工作，外置式调制解调器面板上有几盏状态指示灯，可方便您监视Modem的通讯状态，并且外置式调制解调器安装和拆卸容易，设置和维修也很方便，还便于携带。外置式调制解调器的连接也很方便，phone和line的接法同内置式调制解调器。但是外置式调制解调器得用一根串行电缆把计算机的一个串行口和调制解调器串行口连起来，这根串行线一般随外置式调制解调器配送。
电子调谐器主要由回路、高放、本振和混频四部分组成。但由于整个电视频道所占的频率范围很宽（48.5~92MHZ）,跨越了米波波段和分米波波段，前者的调谐回路是由LC集中参数元件组成，而后者采用分布参数调谐回路（同轴谐振腔），因此，常把它们分为VHF（甚高频）和UHF（特高频）两部分。其中，VHF包括Ι频段（48.5~92MHZ）1~5频道和ΙΙΙ频段（167~223MHZ）6~12频道；UHF包括（470~958MHZ）13~68频道。目前，由于有线电视的发展，在111~167MHZ及223~447MHZ范围内增加了35个增补频道。即使这样，电子调谐器的基本组成原理仍未改变。
当接收VHF频道信号时，开关S断开，同时UHF频段不供电（电源BV=0），电路不工作，此时1~12频道信号经带通滤波器送至VHF输入回路，经初选再进入VHF高频放大，然后与VHF本振信号混频，最后输出视频载频为fPI（38MHZ）的残留边带中频调幅信号，以及载频为fSI（31.5MHZ）的伴音中频条幅信号。
当接收UHF频段信号时，开关S接通，UHF电路工作，此时的VHF有关电路则因停止供电（电源BV=0）而不工作。但VHF混频器电路BM≠0，仍处于工作状态，并作为UHF的中级放。即UHF变频器把13~68频道的电视机信号变成中频信号经此中放级放大后输出。VHF和UHF的转换及频道选择、控制由频道预选器完成。
电子调谐原理。调谐即改变回路的谐振频率，从原理上讲，改变回路电感或电容都能达到改变谐振频率的目的。电路接收系统采用变容二极管替代回路可变调谐电容。变容二极管是一个特殊的PN结晶体二极管，通过改变加在变容管两端的反向偏置电压来改变结电容CJ。

图1 电子调谐器组成框图
高频调谐器分机械调谐和电调谐两类。机械调谐高频头是通过改变电感进行频道选择的。 该调谐方式的优点是：开关每转动一档，就可切换一个频道, 不需另加选台装置，电性能稳定，维修调整均方便。数字调谐器就是自动搜索广播或电视频率，用于有线/无线调频广播信号检测的专业多路调频信号解调设备。 数字调谐器一般具有多路解调、频率预置、自动搜索、断电记忆等强大功能，并具有灵敏度高、信噪比强、稳定性好、操控性佳等优越特点。主要缺点是体积大、机械结构复杂，并且机械触点多 。
整个数字电视调谐器由两部分功能电路组成。前端的调谐电路，负责射频接收、变频、滤波以及自动增益控制等功能，该部分电路除了要实现信号接收的基本功能，还要处理好信号干扰问题，常见的如镜像信号干扰、临频道干扰等问题，模拟电视中干扰会带来多条图线，而数字电视中干扰严重时可直接导致信号的丢失；后端的解调电路，负责A/D转换、解调以及纠错解码等功能。
随着微电子技术、超大规模集成电路设计技术、数字信号处理技术以及计算机技术等方面的实用技术突破，国际市场竞争的加剧，电视调谐器的制作越来越精良，性能越来越优异，并向集成化、小型化和高可靠性发展，从上个世纪70年代开始，分离器件构成的电路模块逐渐被相应专用集成电路所代替，并且随着集成电路设计技术的发展，电视调谐器专用芯片的集成度越来越高。新型数字电视调谐芯片及应用方案实现的是前端调谐电路的功能，后端解调电路采用其他解调专用芯片。
电调谐高频头是通过改变回路中的电容进行频道选择的。 目前, 都是采用变容二极管代替可变电容。 它的优点是无机械触点、寿命长。 在波段范围内频率连续可调, 但频率位置不能固定, 在更换台时需临时调整。 为避免这一麻烦, 就必须附设多路频道预选器。 另外，电子调谐器的本振频率易受温度变化的影响，故常设AFC电路。
不论是机械调谐还是电调谐，都必须同时改变输入回路、 高放及本振回路的调谐参数(电感或电容)才可以切换频道。 近年来, 电视接收机调谐器不仅出现了各种类型的模拟或数字式电子选台和自动预选装置，而且已广泛使用光控式近红外遥控器，以及与微处理器结合的多功能遥控器，应用语言识别技术的语言遥控器也正在进行研究。
高频头的电路结构如下图所示。由于受压控变容二极管容量变化范围的限制，我国将TV分为三个频段：高（UHF)、中（UHF-H）和低（VHF-L）频段。电路包含：三套独立的高放（包括输入调谐电路、高频放大器和输出调谐器），本机振荡器、混（变）频器和前置中频BPF等电路。由频段开关选择切换；输入回路单调谐，Q质低，带宽约12MHZ；输出回路双调谐，矩形系数好，带宽约12MHZ；双栅场效应低噪声放大管，G1为TVRF信号输入端，G2是放大器增益控制端，电压高时增益大，最大增益约20db。增益大有利于在接收小信号的TV时提高整机的信噪比，接收灵敏度好。由于我国TV中频规定38MHZ，在输入/输出回路与本振统调情况下，本振频率始终比RF信号频率高38MHZ。混频器如同模拟乘法器[2]，两个不同频率的信号相乘将产生“和频”和“差频”信号，其中“差频”就是所指的中频TV信号。“和频”将被中频带通滤波器滤除。由于本振的频率稳定度较差，因此中频信号时常偏离38MHZ，形成“跑台”的故障现象。

图2 基本原理框图
2.2 调谐器基本工作原理    
电路最简单的调谐器是单转换中频输出调谐器。其基本组成包括混频器、振荡器、锁相环(MOPLL)和高频放大器等。高频放大器具有自动增益控制（AGC）功能，跟踪滤波器是一个中心频率可调的带通滤波器。中频滤波器是一个具有特殊传输特性的带通滤波器，一般为声表面波滤波器(SAWF)。单转换中频输出调谐器电路架构如图三所示： 

图3 单转换中频输出调谐器电路架构
射频电视信号进入调谐器的高频放大器进行放大，其增益由AGC电路自动控制，再由跟踪滤波器将镜像信号去除，利用混频器和本地振荡器混出中频信号，最后经由中频滤波器虑除杂波、选择出想要的频道并进一步调整通带特性，完成调谐器的功能。  
2.3 铁盒调谐器现状    
目前最普及的电视机还是模拟电视，这类电视机使用的都是铁盒调谐器，其基本功能就是选台和混频，属于单转换中频输出架构。
铁盒调谐器大多采用调谐器专用IC和许多个分立器件组成。其主芯片采用双极（Bipolar）工艺，具有成本极低的优势。由于调谐器处理的是几百MHz的高频信号，所以铁盒调谐器使用了微带和分布参数的器件。其中感应线圈需生产时由人工调节其分布参数。早期的铁盒调谐器都采用电压合成方式选台，目前大多采用频率合成方式，其优点是选台简单，调谐锁定，不易跑台。
经过多年的技术发展，传统铁盒调谐器设计和工艺技术十分成熟，尽管其电路器件多、结构复杂，生产调试难度很大。但是目前其成本十分低廉，只要不到10元人民币，这就是使其在竞争十分激烈的模拟电视机市场占有绝对优势，根本无法被硅调谐器取代。但其肯定会随着模拟电视在世界各国停播，逐被硅调谐器取代。
2.4 调谐器的几个关键技术指标
调谐器作为一个电子产品，有几个重要的电性能指标：
动态范围：动态范围指调谐器能接收的输入信号强度的范围。地面电视广播对动态范围的要求最大，约为60~70dB，有线传播方式约30~40dB，卫星传播方式动态范围则要求最小。
噪声指数：也叫噪声系数，就是系统输入输出前后信噪比的比值，也就是输出信号的信噪比比上输入信号的信噪比。它决定了调谐器最小可接收的信号强度，或称为接收灵敏度。目前数字地面电视广播的噪声指数要求不得高于7dB，而有线系统的噪声指数则小于10dB就可以了。
镜像抑制比：就是滤除镜像频道信号的能力。混频器的特点决定了比想要频道频率高或低两倍中频的频道也会输出到后面的中频滤波器，这就会对想要的频道产生干扰。因此，必须在混波器前加一个跟踪滤波器（也称镜像抑制滤波器）来滤除镜像频道。通常调谐器镜像抑制必须达到50~60dB。
相位噪声：相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号总功率的比值。调谐器本振信号易受噪声杂波的干扰而产生抖动，即相位变化，这就是调谐器的相位噪声。因数字电视信号多采用正交调幅(QAM)及四相相移键控调制方式，相位噪声会直接影响到数字调谐器的输出信噪比。而模拟电视信号多采用调幅（AM）或调频（FM）就不易受相位噪声干扰。通常调谐器相位噪声必须达到50dB以上。
3频率合成式数字调谐器工作原理
3.1 数字频率合成器的组成
数字锁相式频率合成器根据信道间隔和工作频率可分为直接式频率合成器和吞脉冲式频率合成器。典型的直接式频率合成器组成框图如图4所示。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。
及组成
锁相环路（PLL）是一个能够跟踪输入信号相位变化，以消除频率误差为目的的闭环自动控制系统。锁相环环路PLL主要由鉴相器PD、环路滤波器LF和电压控制振荡器VCO组成，工作原理主要是频率牵引和相位锁定。PLL在无线电技术很多领域，如调制与解调、频率合成、数字同步系统等方面得到了广泛运用，已经成为现代模拟与数字通信系统中不可缺少的基本部件。
锁相环（PLL）主要由鉴相器（PD）、环路滤波器(LF) 、压控振荡器(VCO)三部分组成。，PD和LF构成反馈控制器，系统是由锁相环路和N分频器以及信号输入电路构成的。基本组成框图如下所示：

图4 锁相环路基本组成框图
图中，输入信号Ui（t）与反馈输出信号Uo（t）的相位进行比较，得到误差相位θe（t）q，并由此产生误差电压UD（t），误差电压经过环路滤波器过滤得到控制电压UC（t），UC（t）控制VCO的振荡频率，改变输出信号
Uo（t）的频率和相位，同时改变了输出信号和输入信号的相位差θe（t）。即控制电压加到压控振荡器上使之
产生频率偏移，来跟踪输入信号频率Wi（t）。当输出信号频率等于输入信号频率时，会有一个稳态相位差，使鉴相器输出一个稳定的直流误差电压，控制VCO输出信号频率稳定在输入信号频率上，即为PLL的锁定状态。 
因此锁相环的控制关系可描述为：瞬时频差=固有频差-控制频差 
当环路对输入固定频率的信号之后，稳态频差等于零，稳态相差为固定值。误差电压为直流，直流滤波得到控制电压也是直流。
分频比范围 控制电路

时钟输入

VCO振荡输出
锁相环电路（CD4046）

分频器个，十位控制电路 （CD4522）

时钟输入可采用从信号源上的BS信号输入（频率为f），经过锁相环电路（CD4046）及分频器个、十、百位控制电路（CD4522）即分频比为N，则从VCO振荡输出口得到合成频率为N信号。CD4522为可预置可编程的二－十进制记数器。N分频器是锁相式数字频率合成器主要单元电路之一。当程序分频器的分频比N置成1，也就是把SW1断开，SW2置成“0001”状态，或者不接入两级程序分频器，即把压控振荡器VCO的输入端用导线直接连接到相位比较器2的比较信号输入端第三引脚PD12，这时，该电路就是一个基本锁相环电路。本电路采用反馈封锁的办法[4]，实现了使用极少的器件控制着众多批频率（即从100Hz～99.9KHz）的灵活转换功能。分频比范围控制电路，主要通过改变电阻、电容的值来改变频率合成器分频比的范围。
3.3.1 常用集成锁相环路CD4046简介
CD4046是通用的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。

图6 CD4046管脚排列和功能框图
CD4046是带有RC型VCO的锁相环路，属于低频锁相环路。采用 16 脚双列直插式，图6为CD4046的内部功能框图和构成锁相频率合成器时的外围元件连接图。从图中可以看出，CD4046主要由相位比较Ⅰ、Ⅱ、压控振荡器（VCO）、线性放大器、源跟随器、整形电路等部分构成。芯片内含有一个低功耗、高线性VCO，两个工作方式不同的鉴相器PDI和PDII，A1为PDI和PDII的公用输入基准信号放大器，源跟随器A2与VCO输入端相连是专门作FM解调输出之用的，此外还有一个6V左右的齐纳稳压管。
3.3.2 CD4046的内部功能框图及各引脚功能如下
1脚相位输出端，环路入锁时为高电平，环路失锁时为低电平，2脚相位比较器Ⅰ的输出端，3脚比较信号输入端，4脚压控振荡器输出端，5脚禁止端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作，6、7脚外接振荡电容，8、16脚电源的负端和正端，9脚压控振荡器的控制端，10脚解调输出端，用于FM解调,11、12脚外接振荡电阻，13脚相位比较器Ⅱ的输出端，14脚信号输入端，15脚内部独立的齐纳稳压管负极。

图7 CD4046锁相环路原理图

(1)工作原理，不要外接门电路即可实现计数/分频,可以完成可编程序的减计数
(2)CD4522引脚图

图8 CD4522引脚图
MC14522由两部分组成：一是可预置的二—十进制减计数器，二是“0”输出R—S触发器。MC14522有四个输出端Q0—Q3；还有一个Qc输出端[5]，作为多级级联使用。它的输入端较多，除了时钟端CP，时钟禁止端EN和清零端Cr外，还有与Q0—Q3相对应的四个预置数输入端P0—P3，以及预置控制端PE。此外，为了完善电路的功能，还有一个级联反馈输入端CF。
（3）MC14522的工作过程
MC14522是由4个触发器和几个进位及反馈门电路组成
表1 MC14522功能表
输 入
输 出
CP PE Cr P0P1P2P3
Q0Q1Q2Q3
Ф Ф Ф 1 Ф Ф Ф Ф
Ф Ф 1 0
0 0 0 Ф Ф Ф Ф
0 0 0 0 Ф Ф Ф Ф
Ф 1 0 0 Ф Ф Ф Ф
0 0 0 0

计数
不计数
不计数
表2 CF与Qc的关系
输 入
输 出

CF
Q0Q1Q2Q3
Qc
1
0
0 0 0 0
0 0 0 0
1
0
其中表1表明了计数与预置、清零的功能。只要Cr为“1”电平或正脉冲，则计数器的各输出端均置为“0”电平。只要Cr为“0”，PE为“1”，则加在P0—P3上的数据送入对应的Q0—Q3。按照表（a）所列状态，在时钟上升沿作用下，计数器将做减计数。而表（b）表明了级联反馈端[6]、计数器内部数据与Qc输出端之间的关系。当CF输入端为“1”时，并且计数器内部数据Q0—Q3均为“0”电平时，则R-S触发器置数，Qc输出端为“1”电平。这是R-S触发器置数的唯一条件[7]。若CF为“0”电平，即使Q0 —Q3全为“0”状态Qc输出端仍为“0”状态。
典型参数：工作电压：3V到18V单一直流电压,最大功耗；500Mw，异步预置允许，而VCO就是它的控制对象。

图9 protues仿真实验电路图

图10 protues仿真实验结果
由仿真结果看，该电路设计具有可行性，能够输出所需方波信号，具备产品制作基础。
由于实验设备的限制，测得的实际数据如下：
表3 VCO实验数据：
CD4046 9脚的电压（V）
输出频率（Hz）

900

9900

19900

29900

39900

49900

59900

69900

79900

89900

99900
总 结
课程设计就要结束了，回首整个过程，仍会感到一些紧张，但更多的是充实，在设计电路的过程中学到了很多以前没有注意的知识。
刚拿到课程设计任务书的时候，感觉自己的题目很简单，可当自己真正的设计时，好多需要考虑的问题一个一个的出现在我的眼前，要想完成电路的设计，就需要仔细地把一个个问题解决好。为了解决设计中的问题，自己不厌其烦的去图书馆查资料，和同学交流一起想解决问题的办法。
以前在学习专业课时，感觉没有多少实际的用途，因而学习兴趣不高。通过这次的课程设计，我认识到了学校开设的课程都是有一定作用的，只是在学习的时候没有体会到罢了。以后要好好学习自己的专业课，勤于动手，把所学的用于实际的生活中，做到实践与理论相结合。
总之，这次的课程设计让我学到了很多东西，牢记了很多东西。体会到理论到实践有很大的距离，从理论到实践是一次质的跨越，只有把理论运用到实际中，才能体现出知识的作用和价值。
致 谢
这次的课程设计，在同学这段时间的努力下，和其他同学的帮助下，顺利地完成了数字高频调谐器原理与结构分析。
这次课程设计是对我们这一学期所学知识的一次总结，也是一次检验，更是我们对我们自己的一次挑战。通过该课程设计，收获颇多。通过课程设计，进一步加深对课堂中电视机原理内容的理解，掌握调谐器的技术，并初步具有研究、设计、编制和调试编译系统的能力。在本次设计过程中，感谢我的学校，给了我学习的机会，在学习中，老师从选题指导、论文框架到细节修改，都给予了细致的指导，提出了很多宝贵的意见与建议，老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。她渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。这篇论文是在老师的精心指导和大力支持下才完成的
感谢所有授我以业的老师，没有这些年知识的积淀，我没有这么大的动力和信心完成这篇论文。感恩之余，诚恳地请各位老师对我的论文多加批评指正，使我及时完善论文的不足之处。
参考文献
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