基于4046A的频率合成器仿真设计与实现.pdf

第4 1卷 第4期 佳 木 斯 大 学 学 报(自 然 科 学 版)V o l.4 1N o.4 2 0 2 3 年0 7月 J o u r n a l o f J i a m u s iU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)J u l y 2 0 2 3文章编号:1 0 0 8-1 4 0 2(2 0 2 3)0 4-0 1 6 7-0 4基于4 0 4 6 A的频率合成器仿真设计与实现孙婉怡,陈育德,徐建东,蒋 野*(佳木斯大学信息电子技术学院,黑龙江 佳木斯1 5 4 0 0 7)摘 要:为深度学习锁相环的原理和应用,阐述了锁相环与锁相环频率合成器电路工作原理,利用4 0 4 6 A锁相环芯片设计频率合成器的仿真实验和实际测试,并对仿真实验波形进行了分析,在实践过程中对锁相环与频率合成器有进一步的了解与认知。实验结果表明,基于4 0 4 6 A的频率合成器设计易行且调试方便,有很大的实用价值。关键词:4 0 4 6 A;频率合成器;仿真中图分类号:T N 7 4 文献标识码:A0 引 言锁相环的英文缩写为P L L,其应用十分广泛,深入到通信、雷达、流体力学等领域。在锁相环锁定状态下,压控振荡器输出信号频率与输入信号频率相等,所以利用锁相环可以实现频率跟踪、窄带滤波等。锁相环及其应用是通信类专业的重点内容,学习锁相环对于日后通信领域的研究有基础作用,但是由于其内容过于抽象复杂难以理解,因此,利用P r o t e u s 8.6软件仿真实现改进型7 4 H C 4 0 4 6 A数字锁相环的频率合成设计,通过仿真加深学生对锁 相 环 频 率 合 成 器 的 应 用 理 解,同 时 利 用HE F 4 0 4 6 B P搭建实测电路进行验证,提高了学生的实际操作和应用能力。1 工作原理锁相环工作原理为:鉴相器通过比较输入信号压与控振荡器输出信号间的相位,得到一个相位误差e,鉴相器又把相位误差转为误差电压信号ud,通过环路滤波器滤除其中的交流成分,并输出直流控制电压uc(t),利用直流控制电压调节压控振荡器的输出频率,从而降低了鉴相器输入信号相位与压控振荡器输出信号间的相位误差,进而达到与输入信号同频。锁相环频率合成器是在锁相环电路的基础上加上1/N分频器,压控振荡器的输出信号频率f0经过分频器输出信号频率如式(1):f0 1=f0/N(1)当环路锁定时输入信号频率fi=f0 1,如式(2):f0=fiN(2)实现了N倍频,单环倍频锁相环组成框图如图1所示。如果成序列改变N的大小,可以得到对应成组的频率,实现频率合成。图1 锁相环频率合成器组成框图图2 电路原理图应用两块C D 7 4 HC 4 0 4 6 A和一块7 4 HC 4 0 1 0 3分频器集成电路实现5 0倍频,其电路原理图如图2所示。原理图中U1为鉴相器,设置频率范围为1 0 0 k H z频偏为1 H z,U2为压控振荡器,设置频率范围为5 0 k H z,频偏设置为1 H z,U3为分频器,其中R1,C1,R2和C2环路滤波器采用滞后超前滤波器。鉴相器将锁相环U1信号S I GN引脚1 4输收稿日期:2 0 2 3-0 5-0 8基金项目:佳木斯大学教育教学改革研究项目(2 0 2 1 J Y 2-8 2)。作者简介:孙婉怡(1 9 9 9-),女,黑龙江双鸭山人,学生,研究方向:通信工程和无线通信。通讯作者:蒋野(1 9 6 4-),男,黑龙江伊春人,副教授,硕士,研究方向:物联网和移动通信。佳 木 斯 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2 0 2 3年入信号电压与分频器N输出到U1C OMP I N引脚3的间接压控振荡器输出信号电压相位进行比较,得到相位误差e,鉴相器将相位误差转换为误差电压ud从U1P C 1 OUT引脚2输出,误差电压经过环路滤波器滤除其交流成分,得到直流控制电压传送到U2压控振荡器输入端V C O I N引脚9,uc控制压控振荡器的频率从U2V C OOUT引脚4输出是5 0 k H z,传送至分频器U3C L K引脚1分频后,在P E引脚1 5得到1/5 0分频信号1 k H z并传送至U1的比较端C OMP I N。2 仿真电路设计图3 一块7 4 HC 4 0 4 6 A仿真电路用一块7 4 HC 4 0 4 6 A芯片设计的频率合成器的仿真电路如图3所示。将7 4 HC 4 0 4 6 A芯片的频率范围(F r e q u e n c yr a n g e)设置为5 0 k H z,频偏(F r e q u e n c yo f f s e t)设置为1 H z。将输入信号波形分别设置为正弦波,方波和三角波,观察不同波形输入下的输出信号波形和频率,并且在示波器的D信道加入频率为5 0 k H z的方波信号与输出信号进行对比,以验证输出信号是否正确。图4 两块7 4 HC 4 0 4 6 A仿真电路使用两块7 4 HC 4 0 4 6 A芯片设计的频率合成器仿真电路如图4所示。该仿真电路图中U1做鉴相器,其频率范围和频偏的值并不影响最终仿真波形,U2做压控振荡器,设置频率范围为5 0 k H z,频偏为1 H z,U3为分频器。仿真时示波器显示波形与理论一致,实现了频率合成器设计。2.1 输出信号5 0 k H z,输入信号1 k H z(a)未展开的输出波形 (b)已展开的输出波形图5(a)(b)输入正弦波信号仿真波形图 选 择 发 生 器(G E N E R ATO R S)中 的 信 号(S I N E)作为正弦波输入,设置振幅为4.5 V,峰值为4.5 V,频率为1 k H z,输出波形如图5所示,电压单位是2 V/d i v,刻度是2.5,扫描时间单位是5 u s/s w e e p t,一个周期所占刻度为4,因此T=5 u s 4=2 0 u s,f0=1/T=5 0 k H z。输入方波和三角波信号仿真时产生的方波输出信号结果正确。2.2 滤波器设计滤波器的功能主要是使有用信号尽可能无衰减的通过,滤除无用信号。为滤除鉴相器输出比较频率中的纹波,并使相位滞后限制到3 0 5 0,通常采用滞后超前滤波器,电路如图2中R1,R2,C1和C2所示。在滞后超前滤波器中,低频段时C2作用可以忽略,高频段时C1可认为短路,由此第一截止频率表达式如(3)所示,转折频率表达式如(4)所示,第二截止频率表达式如(5)所示:fc=1/(2*C1*(R1+R2)(3)fL=1/(2*(C1+C2)*R2)(4)fH=1/(2*C2*R2)(5)设计衰减量M=-1 0 d B,fL=2 0 H z,同时要求相位返回量约为5 0,则需要fH/fL1 0,所以fH=2 0 0 H z,选取C1=1F,则C2=1 0 0 n F,根据表达式(6)和(7)可算得R2=7.9 6 k,选取精度为5%的电阻R2=7.5 k,根据表达式(8)将R2=7.5 k代入可得R1=6 7.5 k,选取精度为5%的电阻R1=6 8 k,将C1=1 u F,R1=6 8 k和R2=7.5 k代入表达式(3),(4),(5)中,计算出fc=2.1 1 H z,fL=1 9.3 0 H z,fH=2 1 2.3 1 H z,满足环路带宽为输入信号频率的1/5-1/1 0,既2 0 0-1 0 0 H z。C2=1/(2*R2*fH)(6)C1=1/(2*R2*fL)-C2(7)M=R2/(R1+R2)(8)861第4期孙婉怡,等:基于4 0 4 6 A的频率合成器仿真设计与实现2.3 分频器设计分频器作用是将锁相环输入信号频率fi,N倍后变成输出信号频率fo。数字分频器原理是将输入信号脉冲作为计数脉冲,根据所需输出信号频率大小设置计数脉冲输入端的高低电平值,最终输出端输出预期频率值。设计时,选用7 4 HC 4 0 1 0 3做分频器,根据公式fo=fi(A+1)=fiN计算分频系数(其中A为分频 器 连 接 后 十 进 制 数 值),若 要 想 将 输 入 为1 k H z的信号扩大5 0倍,则要将7 4 HC 4 0 1 0 3的4,1 0和1 1引脚置成高电平,5,6,7,1 2以及1 3引脚设置为低电平,这样将会输出0 0 1 1 0 0 0 1的二进制码组,其换算成十进制为25+24+20=4 9=A,分频系数N=A+1=5 0,若输入信号频率为1 k H z则输出信号频率就为5 0 k H z。2.4 鉴相器选择C D 7 4 HC 4 0 4 6 A锁相环芯片内部有三个鉴相器,依次是P C1,P C2和P C3,其工作机理虽然各有不同,但都无法同时应用,只可按照要求选择其中一个。因为P C1和P C3无法进行频率比较锁相范围较窄,而P C2则能进行频率比较,对V C O全部振荡频率范围进行锁相且输入相位差为0时,P C2则无输出脉冲,从而加快锁相速度,所以经常使用P C2鉴相器;7 4 HC 4 0 4 6 A有二个鉴相器,仿真时选用哪个对结果都没有影响。2.5 实测电路如图6、图7所示,为实测电路原理图和示波器输入输出波形。锁相环芯片选用内部有二个鉴相器 的HE F 4 0 4 6 B P锁 相 环 集 成 芯 片,示 波 器CH 2通道2显示输入信号频率为1 k H z,CH 1信道1输出信号频率为4 7.9 7 k H z见图7右上角数值,误差为4%,小于5%。图6 实测电路原理图图7 实测电路示波器输入输出波形3 结果与分析从仿真和实测电路波形及数据可以证明图3所示的锁相环频率合成器电路是可行的,虽然实际电路存在一定误差,但结果是在要求的范围内。在使用一块7 4 HC 4 0 4 6 A进行仿真,频偏分别设置:1,5,1 0,2 0,5 0,1 0 0,2 0 0,5 0 0,7 0 0,8 0 0,9 0 0,1 0 0 0 H z,发现波形并不会随着偏置的改变发生变化,由此得出仿真时,一个7 4 HC 4 0 4 6 A芯片频偏数值改变并不会影响波形输出。在使用两块7 4 HC 4 0 4 6 A芯片进行仿真时,修改图4中U1鉴相器的频率范围与频偏不影响输出,但是图4中U2压控振荡器的频率范围要设置成输出频率的值,否则会引起输出波形失真。4 结 语P r o t e u s 8.6仿真软件广泛应用于通信等专业,应用它进行锁相环频率合成器的设计得到预期频率,提高了学生对锁相环频率合成器工作原理的理解和应用,又实测电路可行,为实验向综合性、设计型发展提供一定经验并具有指导作用。参考文献:1 邹亮.锁相环技术发展的研究及应用J.科技资讯,2 0 0 9,3 5(1 4):1 2 5-1 5 4.2 远坂俊昭.锁相环(P L L)电路设计与应用M.北京:科学出版社.2 0 0 6:1 0 9-1 1 3.3 张涛.锁相技术M.北京:机械工业出版社,2 0 1 5.3:5 1-1 2 3.4 谢胜,崔得龙,马远佳.集成锁相环应用电路的仿真J.电子元器件与信息技术,2 0 2 0,4(7):1 2 1-1 2 2.5 曾素琼.锁相环C D 4 0 4 6的应用设计及研究J.电子质量,2 0 1 2,(0 1):7 2-7 5.6 R i t u p a r n aB h o w m i c k,J.M a n j u l a,D e s i g no fP L Lb a s e dF r e q u e n-c yS y n t h e s i z e ru s i n gH a r m o n i cE x t r a c t i o nT e c h n i q u e sJ.I n d i a nJ o u r n a l o fS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,2 0 1 6,9(3 8):1-7.7 刘丽平,杨维明,李倩,等.锁相环中无源环路滤波器的设计与仿真J.湖北大学学报,2 0 2 1,3 3(0 4):1 0 3-1 0 6.8 王勤,杜垚,张键.锁相环电路在检测技术中的应用J.计算961佳 木 斯 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2 0 2 3年机与数字工程,2 0 0 9,3 7(1 0):1 8 6-1 8 9.9 Z h a n gY,T a n gX,W e i Z,e t a l.AK u-B a n dF r a c t i o n a l-NF r e q u e n c yS y n t h e s i z e rw i t hA d a p t i v eL o o pB a n d w i d t hC o n-t r o lJ.E l e c t r o n i c s,2 0 2 1,1 0(2):1 0 9.1 0 C a r l o s e n aA,U g a r t eM,L p e z-M a r t nAJ.L o o pf i l t e ra p p r o x i m a t i o n s f o rP L L sC/2 0 0 85 1 s tM i d w e s tS y m p o s i-u mo nC i r c u i t sa n dS y s t e m s.I E E E,2 0 0 8:2 1-2 4.1 1 金光陈,苏梦蜀,谢翔宇.一种小型化频率合成器的设计J.电子信息对抗技术,2 0 2 1,3 6(5):9 4-9 7.1 2 李正生,陈浩,李萌蕊.C D 4 0 4 6中V C O的工作原理与外围元件试调选择J.电子设计工程,2 0 1 8,2 6(1 2):1 0 6-1 1 1.1 3 B e i r a g h d a rF,G h o b a d iR a dA,S h e i k h a e iS,e ta l.Af a s ts e t t l i n gf r e q u e n c ys y n t h e s i z e rw i t hs w i t c h e db a n d w i d t hl o o pf i l t e rJ.I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fC i r c u i tT h e o r ya n dA p p l i c a t i o n s,2 0 2 1,4 9(7):1-1 1.1 4 万天才.频率合成器技术发展动态J.微电子学,2 0 0 4,3 4(4):3 6 6-3 7 0.1 5 郝楠,杜云明,蔺辛宇,等.基于仿真的FM调制解调设计J.佳木斯大学学报(自然科学版),2 0 2 0,3 8(3):4 1-4 3.S i m u l a t i o nD e s i g na n d I m p l e m e n t a t i o no f 4 0 4 6 A-b a s e dF r e q u e n c yS y n t h e s i z e rS UN W a n y i,CHENY u d e,XUJ i a n d o n g,J I ANGY e*(C o l l e g eo f I n f o r m a t i o na n dE l e c t r o n i cT e c h n o l o g y,J i a m u s iU n i v e r s i t y,J i a m u s iH e i l o n g j i a n g1 5 4 0 0 7,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t o l e a r nt h ep r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o no fp h a s e-l o c k e d l o o p s i nd e p t h,t h ep a-p e re x p l a i n s t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fp h a s e-l o c k e d l o o p sa n dp h a s e-l o c k e d l o o pf r e q u e n c ys y n t h e s i z e rc i r c u i t s,a n dd e s i g n s a f r e q u e n c ys y n t h e s i z e ru s i n g4 0 4 6 Ap h a s e-l o c k e d l o o pc h i p f o r s i m u l a t i o ne x p e r i-m e n t sa n dp r a c t i c a lt e s t s,a n da n a l y z e st h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a lw a v e f o r m s,s ot h a tl e a r n e r sc a nh a v ef u r t h e ru n d e r s t a n d i n ga n dk n o w l e d g eo fp h a s e-l o c k e dl o o p sa n df r e q u e n c ys y n t h e s i z e r si nt h ep r a c t i c a lp r o c e s s.T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g no ff r e q u e n c ys y n t h e s i z e rb a s e do n4 0 4 6 Ai se a s yt od e b u g,a n dh a sg r e a tp r a c t i c a l v a l u e.K e yw o r d s:4 0 4 6 A;f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r;s i m u l a t i o n(上接1 3 7页)参考文献:1 王德美,陈慧,肖之鸿,等.基于数据挖掘的住宅工程造价预测J.土木工程与管理学报,2 0 2 1,3 8(1):1 7 5-1 8 2.2 陈丽娟,陆亚.B I M技术在地震灾后重建房屋建筑工程造价控制方法中的研究J.地震工程学报,2 0 1 9,4 1(1):2 3 9-2 4 4.3 周子东,李东伟,李国胜,等.基于逐步回归的A d a B o o s t-S 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o.,L t d.,B e i j i n g1 0 0 1 6 2,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mt h a tt h eh o u s ec o s t f o r e c a s tc a n ta d a p tt ot h ee x t e r n a lc h a n g e sa n d f o r mt h e a c c u r a t e f o r e c a s t r e s u l t,t h eB Pn e u r a l n e t w o r ka l g o r i t h mi s i m p r o v e d,t h ew e i g h ti n t e r v a lb e t w e e ni n p u tl a y e r,h i d d e nl a y e ra n do u t p u tl a y e ri sd e s i g n e da sg r e yn u m b e ri n t e r v a l,a n dc o m b i n e dw i t hA RMA m o d e l,t h en o n l i n e a rp r o b l e mo f c o s tp r e d i c t i o n i s s o l v e db yB Pn e u r a l n e t w o r k.T h eA RMA m o d e l i su s e dt os o l v e t h e l i n e a rp r o b l e mi nc o s t f o r e c a s t i n g,a n dt h eA RMA-B Pm o d e l i sf o r m e d.T h er e s u l t s s h o wt h a t t h e e r r o rp e r c e n t a g eo f t h eA RMA-B Pm o d e l f o ru n i t c o s t i s 0.0 0 0 1%,t h ee r r o rp e r c e n t a g eo f l a b o rc o n s u m p t i o np e rw o r k i n gd a yi s1.3 9 9 5%,t h ee r r o rp e r c e n t a g eo fs t e e lc o n s u m p t i o ni s0.5 2 3 8%,a n dt h ee r r o rp e r c e n t a g eo fc e m e n tc o n s u m p t i o ni s0.0 6 2 3%,i n d i c a t i n gt h eh i g h e s tp r e d i c t i o na c c u r a c y.F r o mt h i s,i tc a nb es e e nt h a t t h eA RMA-B Pm o d e ld e s i g n e di nt h er e-s e a r c hc a ne f f e c t i v e l yp r e d i c t t h ec o s to fh o u s i n ge n g i n e e r i n g,a n df o r m m o r ee f f i c i e n t a n da c c u r a t ep r e-d i c t i o nr e s u l t s,w h i c hh a sc e r t a i np r a c t i c a l a p p l i c a t i o ns i g n i f i c a n c e.K e yw o r d s:B Pn e u r a ln e t w o r k;A RMA;c o s t;p r e d i c t i o nm o d e l071