1、FM調(diào)制/解調(diào)電路的設(shè)計FM調(diào)制/解調(diào)電路的設(shè)計摘要：本設(shè)計根據(jù)鎖相環(huán)原理，通過兩片CD4046搭接根本電路來實現(xiàn)FM調(diào)制/解調(diào)電路的設(shè)計，將調(diào)制電路的輸出信號作為解調(diào)電路的輸入信號，最終實現(xiàn)信號的調(diào)制解調(diào)。原理分析，我們得到的載波信號的電壓大于3V，最大頻率偏移5KHz，解調(diào)電路輸出的FM調(diào)制信號的電壓大于200mV可以看出我們的具體設(shè)計符合設(shè)計指標(biāo)。關(guān)鍵詞：鎖相環(huán)、調(diào)制、解調(diào)、濾波器一、概述FM調(diào)制電路將代表不同信息的信號頻率，搬移到頻率較高的頻段，以電磁波的方式將信息通過信道發(fā)送出去。FM解調(diào)電路將接收到的包含信息的高頻信號的頻率搬移到原信號所處的頻段。鎖相環(huán)是一種相位負(fù)反應(yīng)的自動相位控

2、制電路，它廣泛應(yīng)用于播送通信、頻率合成、自動控制及時鐘同步等技術(shù)領(lǐng)域它是通過比擬輸入信號的相位和壓控振蕩器輸出信號的相位，取出與這兩個信號的相位差成正比的電壓，并將該電壓該電壓作為壓控振蕩器的控制電壓來控制振蕩頻率，以到達輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等的目的。鎖相環(huán)主要由相位比擬器、壓控振蕩器和低通濾波器三局部組成。調(diào)制電路還需要另設(shè)計一個高頻信號放大器和加法器。解調(diào)電路需要設(shè)計一個低通濾波器，來取出解調(diào)信號。技術(shù)指標(biāo)：1 載波頻率fc=46.5KHz,載波信號的電壓Vp-p3V；2 FM調(diào)頻信號的電壓Vp-p6V，最大頻率偏移fm5KHz；3 解調(diào)電路輸出的FM調(diào)制信號的電壓Vp-p20

3、0mV。二、方案設(shè)計與分析調(diào)頻是用調(diào)制信號直接線性地改變載波振蕩的瞬時頻率，即使載波振蕩頻率隨調(diào)制信號的失真變化而變化。其逆過程為頻率解調(diào)也稱頻率檢波或鑒頻。本實驗是用CD4046數(shù)字集成鎖相環(huán)PLL來實現(xiàn)調(diào)頻/解調(diào)鑒頻的。1.FM調(diào)頻電路原理圖如圖1所示將調(diào)制信號加到壓控振蕩器VCO的控制端，使壓控振蕩器得輸出頻率在自振頻率中心頻率上下隨調(diào)制信號的變化而變化，于是生成了調(diào)頻波。當(dāng)載波頻率與自由振蕩頻率相近時，載波頻率與壓控振蕩器的振蕩頻率鎖定。低通濾波器只保證壓控振蕩中心振蕩頻率與載波頻率鎖定時所產(chǎn)生的相位誤差電壓通過，該電壓與調(diào)制信號同經(jīng)加法器，用以控制壓控振蕩器的頻率，從而獲得與載波頻率

4、具有同樣頻率穩(wěn)定度的調(diào)頻波。調(diào)頻波輸出 鑒相器PDI壓控振蕩器VCO CD4046 高頻信號放大器加法器低通濾波器調(diào)制信號載波 圖1 FM調(diào)頻電路原理框圖2.FM解調(diào)電路的原理圖如圖2所示調(diào)頻波經(jīng)過放大器放大后與壓控振蕩器的輸出被送入鑒相器，經(jīng)鑒相獲得變化的相位誤差電壓，該誤差電壓通過低通濾波器被濾掉其高頻成份，繼而獲得隨調(diào)制信號頻率變化而變化的信號，經(jīng)跟隨器得到解調(diào)信號，從而實現(xiàn)了解調(diào)鑒頻過程。 解調(diào)輸出跟隨器壓控振蕩器VCO鑒相器PDI CD4046 調(diào)頻波低通濾波器高頻信號放大器 圖2 FM解調(diào)電路原理框圖3.鎖相環(huán)CD4046工作原理本次課設(shè)要求我們掌握鎖相環(huán)調(diào)制/解調(diào)的原理，用2片數(shù)

5、字鎖相環(huán)CD4046設(shè)計FM 調(diào)制解調(diào)電路。完成課題的核心器件是CD4046集成鎖相環(huán)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3鎖相環(huán)4046內(nèi)部電原理框圖CD4046工作原理：輸入信號 Ui從14腳輸入后，經(jīng)放大器A1進行放大、整形后加到相位比擬器、的輸入端，圖3開關(guān)K撥至2腳，那么比擬器將從3腳輸入的比擬信號Uo與輸入信號Ui作相位比擬，從相位比擬器輸出的誤差電壓U那么反映出兩者的相位差。U經(jīng)R3、R4及C2濾波后得到一控制電壓Ud加至壓控振蕩器VCO的輸入端9腳，調(diào)整VCO的振蕩頻率f2，使f2迅速逼近信號頻率f1。VCO的輸出又經(jīng)除法器再進入相位比擬器，繼續(xù)與Ui進行相位比擬，最后使得f2f1，兩者

6、的相位差為一定值，實現(xiàn)了相位鎖定。假設(shè)開關(guān)K撥至13腳，那么相位比擬器工作，過程與上述相同，不再贅述圖4 CD4046引腳功能圖圖4是CD4046的引腳排列，采用16腳雙列直插式，各管腳功能：1腳相位輸出端，環(huán)路人鎖時為高電平，環(huán)路失鎖時為低電平。2腳相位比擬器的輸出端。3腳比擬信號輸入端。4腳壓控振蕩器輸出端。5腳禁止端，高電平時禁止，低電平時允許壓控振蕩器工作。6、7腳外接振蕩電容。8、16腳電源的負(fù)端和正端。9腳壓控振蕩器的控制端。10腳解調(diào)輸出端，用于FM解調(diào)。11、12腳外接振蕩電阻。13腳相位比擬器的輸出端。14腳信號輸入端。15腳內(nèi)部獨立的齊納穩(wěn)壓管負(fù)極4測量CD4046鎖相環(huán)的

7、捕捉帶和同步帶方法測量CD4046鎖相環(huán)的捕捉帶和同步帶，其示意圖如圖5所示。圖5 捕捉帶和同步帶示意圖測量方法：(1) 改變14腳輸入信號的頻率，使頻率逐漸降低，直至4腳輸出方波剛好出現(xiàn)不穩(wěn)定時，環(huán)路進入失鎖狀態(tài)，該點定義為同步帶的下限頻率“。(2) 改變14腳輸入信號的頻率，由開始頻率逐漸增加，直至4腳輸出方波剛好再次穩(wěn)定時，環(huán)路進入鎖定狀態(tài)，該點定義為捕捉帶的下限頻率“。(3) 改變14腳輸入信號的頻率，由開始頻率逐漸增加，直至4腳輸出方波剛好出現(xiàn)不穩(wěn)定時，環(huán)路進入失鎖狀態(tài)，該點定義為同步帶的上限頻率“。(4) 改變14腳輸入信號的頻率，由開始頻率逐漸降低，直至4腳輸出方波剛好再次穩(wěn)定時

8、，環(huán)路進入鎖定狀態(tài)，該點定義為捕捉帶的上限頻率“。同步帶寬為：- 捕捉帶寬為-三、電路設(shè)計1.鎖相環(huán)中的鑒相器工作原理鎖相環(huán)中的鑒相器通常由模擬乘法器組成，利用模擬乘法器組成的鑒相器電路如圖6所示。圖6 模擬相乘器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： 式中的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。那么模擬乘法器的輸出電壓為：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。即為：式中的為輸入信號的瞬時振蕩角頻率，和分別為輸入信號和輸出信號的瞬時位相。2.CD4046 構(gòu)成頻率調(diào)制

9、與解調(diào)電路的工作原理當(dāng)從9腳輸入載波信號時，從4端可輸出受輸入信號調(diào)制的調(diào)頻信號。如圖7 所示，由于調(diào)頻時要求VCO有一定的頻率范圍頻偏，所以不用R2收縮頻帶，即R2為無窮大12腳空置 僅用R1和C1確定VCO的中心頻率f0即可。設(shè)計參數(shù)時，只需由f0查圖9電源電壓VCO為9V 時的曲線，橫坐標(biāo)為C1 取值求出C1 與R1即可圖7 CD4046構(gòu)成的頻率調(diào)制電路當(dāng)從14腳輸入一被信號調(diào)制的中心頻率與CD4046的VCO的中心頻率相同調(diào)頻信號，那么相位比擬器輸出端將輸出一個與信號具有相同變化頻率的包絡(luò)信號，經(jīng)低通濾波器濾去載波后，即剩下調(diào)頻信號解調(diào)后的信號了。一般使用PCI，這時僅由R1和C1確

10、定VCO的中心頻率f0，而不用R2來收縮頻率范圍其為無窮大。同樣，由圖9查圖求R1 與C1。無調(diào)頻信號輸入時，VCO工作在f0上。解調(diào)電路如圖8所示。圖8 CD4046構(gòu)成的頻率解調(diào)電路圖9 CD4046 在不同外部元件參數(shù)下的特性曲線綜上所述設(shè)計FM調(diào)制/解調(diào)電路如圖10所示圖10 實驗電路圖四、電路性能指標(biāo)的測試 (1)調(diào)頻局部的測試 鎖相環(huán)自振頻率f0的測量將IN1、IN2分別對地短路，調(diào)節(jié)微調(diào)電位器PR1至適中位置，測量D端(即IC3的VCOin腳，也就是CD4046的9腳)直流電壓(約為5.3V，近似電源電壓的1/2)，用示波器觀察鎖相環(huán)輸出OUT1端的波形。記錄波形特性、頻率、幅度

11、,填入下表。OUT1端鎖相環(huán)自振波形波形特性頻率KHz幅度Vp-p46.513.6V觀察相位比擬器鑒相器B端(IC3的2腳)的波形，將測量結(jié)果填入下表。B端相位比擬器的輸出波形波形特性頻率KHz幅度Vp-p46.5134V觀察鑒相器輸出C端的預(yù)積分波形，將測量結(jié)果填入下表。C端鑒相器輸出預(yù)積分波形波形特性頻率KHz幅度Vp-p46.5250mV觀察壓控振蕩器輸入VCOin端(即加法器IC2的輸出D端)的波形，將測量結(jié)果填入下表。D端鑒相器輸出積分波形波形特性頻率KHz幅度Vp-p46.5612mV 鎖定的判斷將信號發(fā)生器輸出的方波信號(幅度為3.5VP-P，頻率為自振頻率f0)加到載波輸入IN

12、1端，用雙蹤示波器同時觀測鎖相環(huán)OUT1端和A端的波形即鎖相環(huán)的4腳和14腳。如波形穩(wěn)定表示頻率被鎖定。改變信號發(fā)生器的輸出信號頻率，可發(fā)現(xiàn)在較大范圍內(nèi)鎖相環(huán)均能鎖定。 圖11 OUT1端波形 圖12 A端波形 測量同步帶寬(鎖定范圍)和捕捉帶寬(捕捉范圍)調(diào)節(jié)載波信號頻率輸入IN1，由自振頻率f0開始逐漸緩慢降低，直至VCOout端波形抖動(即：失鎖)，記錄此時的載波輸入信號頻率f1下限失鎖頻點。測得結(jié)果fl=10.92KHz調(diào)節(jié)載波信號頻率，由自振頻率f0開始逐漸緩慢增加，直至VCOout端波形抖動(即：失鎖)，記錄此時的載波輸入信號頻率f2上限失鎖頻點。測得結(jié)果f2=82.580KHz所

13、以求得同步帶寬鎖定范圍= f2-fl=71.66KHz調(diào)節(jié)載波信號頻率，由f1開始逐漸緩慢增加，直至VCOout端波形不抖動(即：鎖定)，記錄此時的載波輸入信號頻率f3下限鎖定頻點。測得結(jié)果f3=25.320KHz調(diào)節(jié)載波信號頻率，由f2開始逐漸緩慢降低，直至VCOout端波形不抖動(即：鎖定)，記錄此時的載波輸入信號頻率f4上限鎖定頻點。測得結(jié)果f4=56.980KHz所以求得捕捉帶寬捕捉范圍= f4- f3=41.760KHz(2)解調(diào)局部的測試 鎖相環(huán)自振頻率的測量(由IC4組成)調(diào)節(jié)微調(diào)電位器PR2至適中位置，測量G端(即IC4的VCOin腳，也就是CD4046的9腳)直流電壓，用示波

14、器觀察鎖相環(huán)輸出E端的波形。記錄波形特性、頻率、幅度,填入下表。E端鎖相環(huán)自振波形波形特性頻率KHz幅度Vp-p46.512.7V觀察相位比擬器鑒相器F端(IC4的2腳)的波形，將測量結(jié)果填入下表。F端相位比擬器的輸出波形波形特性頻率KHz幅度Vp-p46.512.6V觀察壓控振蕩器輸入VCOin端(即IC4的輸出G端)的波形，將測量結(jié)果填入下表。G端鑒相器輸出積分波形波形特性頻率KHz幅度Vp-p46.5125V(3)觀測系統(tǒng)的調(diào)頻情況IN1端輸入幅值為3.5Vp-p、頻率與自振頻率相同方波信號定義為載波。IN2端輸入幅值為0.4Vp-p、頻率lKHz的正弦波定義為調(diào)制波。用雙蹤示波器仔細(xì)觀

15、測OUT1和IN2，為了可清楚地觀看到調(diào)頻波的疏密變化，可微調(diào)調(diào)制信號的頻率。圖13 IN2正弦波 圖14 OUT1端波形(4)觀測系統(tǒng)的解調(diào)鑒頻情況保持第一部第3步的狀態(tài)，聯(lián)結(jié)OUT1端與IN3端即將調(diào)頻波接入解調(diào)電路，用示波器觀測IN3和OUT2，可清楚地觀察到頻率為1KHz的正弦波即解調(diào)出的波形，可同時與IN2的調(diào)制信號進行比擬，其相位和頻率相同。五、實驗結(jié)果實驗測得數(shù)據(jù)：載波信號的頻率=46.5KHz，載波信號的電壓，F(xiàn)M調(diào)頻信號的電壓,最大頻率偏移,解調(diào)電路輸出的FM調(diào)制信號的電壓課設(shè)技術(shù)指標(biāo)為：1載波信號的頻率=46.5KHz，載波信號的電壓3V；2FM調(diào)頻信號的電壓6V，最大頻率

16、偏移5KHz；3解調(diào)電路輸出的FM調(diào)制信號的電壓200mv。綜上，實驗數(shù)據(jù)滿足技術(shù)指標(biāo)。六、課設(shè)體會及合理化建議五天的課程設(shè)計，讓我收獲頗豐。我學(xué)習(xí)到以前一點也沒有接觸到的知識鎖相技術(shù)。在這幾天中我加深對模擬電子技術(shù)的根底知識的了解和掌握。我通過親自設(shè)計電路、動手做實驗，把所學(xué)到的理論知識運用到了實踐中。這次課程設(shè)計，我先用Multisim軟件來設(shè)計FM調(diào)制/解調(diào)電路，但是器件庫沒有鎖相環(huán)CD4046等器件，而不能完成電路的設(shè)計。后來，老師告訴我Protel軟件來設(shè)計電路，我就去學(xué)習(xí)Protel軟件的使用。經(jīng)過學(xué)習(xí)Protel軟件，在制作原理圖的階段我顯得得心應(yīng)手，順利地完成電路的設(shè)計。這次設(shè)計也使我對Protel軟件環(huán)境更加的熟悉了，通過電路設(shè)計和硬件實驗，才知道電路設(shè)計時很少有用Multisim的，因為那里的很多仿真都無法實現(xiàn)，相比擬而言還是Protel更加強大。通過此次訓(xùn)練我了解到了根底知識的重要性，如果沒有牢固的根底知識是不能設(shè)計電路、做實驗，所以只有把根底知識掌握得牢固才能得心應(yīng)手的去運用