1、通信電子線路課程項(xiàng)目實(shí)施報(bào)告題目(選題號(hào))：鎖相頻率合成器的設(shè)計(jì)和制作(C) 二一六年五月十六日一、項(xiàng)目要求： 采用集成芯片 CD4046 和可預(yù)制數(shù)分頻器芯片等制作一個(gè)鎖相頻率合成器電路。二、設(shè)計(jì)要求： 1、輸出頻率范圍：100KHz-300kHz 2、頻率間隔： 10kHz 3、輸出頻率點(diǎn)數(shù)： 21個(gè) 4、頻率穩(wěn)定度：10-5 5、輸出信號(hào)：方波或正弦波三、設(shè)計(jì)思想：原理框圖（圖1）如下，鎖相環(huán)路對(duì)穩(wěn)定度的參考振動(dòng)器鎖定，環(huán)內(nèi)串接可編程的分頻器，通過(guò)改變分頻器的分配比N，從而就得到N倍參考頻率的穩(wěn)定輸出。晶體振蕩器輸出的信號(hào)頻率f1，經(jīng)固定分頻后（M分頻）得到基準(zhǔn)頻率f2，輸入鎖相環(huán)的相位

2、比較器（PC）。鎖相環(huán)的VCO輸出信號(hào)經(jīng)可編程分頻器（N分頻）后輸入到PC的另一端，這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行相位比較，當(dāng)鎖相環(huán)路鎖定后得到：f1/M=f2=f3/N=f4 故 f3=Nf2 (f2為基準(zhǔn)頻率)當(dāng)N變化時(shí)，或者N/M變化時(shí)，就可以得到一系列的輸出頻率f3。圖1原理框圖（一）、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源的設(shè)計(jì) 方法一：采用無(wú)源晶振起振： ： 采用CMOS CD4049:六反相緩沖器轉(zhuǎn)換器和1M晶振以及電容電阻組成1MHz振蕩器。工作原理： 1M晶振等效為電感，與C1，C2組成電容三點(diǎn)式振蕩電路；非門(mén)和R1實(shí)現(xiàn)一個(gè)NPN的三極管。5404非門(mén)必需要一個(gè)電阻，不然它處于飽和截止區(qū)，而不是放大區(qū)，R1相當(dāng)于三極管

3、的偏置作用，讓5404處于放大區(qū)域，那么5404就是一個(gè)反相器，這個(gè)就實(shí)現(xiàn)了NPN三極管的作用，NPN三極管在共發(fā)射極接法時(shí)也是一個(gè)反相器。如下圖所示：一個(gè)正弦振蕩電路要振蕩的條件，起振系統(tǒng)放大倍數(shù)大于1，這個(gè)容易實(shí)現(xiàn)，相位滿足2n，與晶振振蕩頻率相同的很小的振蕩就被放大了。接下來(lái)主要講解這個(gè)相位問(wèn)題：5404因?yàn)槭欠聪嗥?，也就是說(shuō)實(shí)現(xiàn)了180移相，那么就需要C1，C2和Y1實(shí)現(xiàn)180移相就可以，而當(dāng)C1，C2，Y1形成諧振時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)180移相。方法二：直接采用有源晶振起振無(wú)源晶振是有2個(gè)引腳的無(wú)極性元件，需要借助于時(shí)鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號(hào)，自身無(wú)法振蕩起來(lái)，所以“無(wú)源晶振”這個(gè)說(shuō)法并不準(zhǔn)確

4、；有源晶振有4只引腳，是一個(gè)完整的振蕩器，其中除了石英晶體外，還有晶體管和阻容元件，因此體積較大。 注：有個(gè)點(diǎn)標(biāo)記的為1腳，按逆時(shí)針（管腳向下）分別為2、3、4。有源晶振通常的用法：一腳懸空，二腳接地，三腳接輸出，四腳接電壓。 （二）、M分頻的設(shè)計(jì) : : 本次課程設(shè)計(jì)采用的是1M的晶振，最終需要的是10KHZ的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，因此中間需要設(shè)計(jì)個(gè)100分頻的分頻器，即M=100. CD4518是一個(gè)雙BCD同步加計(jì)數(shù)器，由兩個(gè)相同的同步4級(jí)計(jì)數(shù)器組成。 CD4518引腳功能(如上圖)：1CP、2CP：時(shí)鐘輸入端。 1CR、2CR：清除端。 1EN、2EN：計(jì)數(shù)允許控制端。 1Q11Q4：計(jì)數(shù)器輸出端

5、。 2Q12Q4：計(jì)數(shù)器輸出端。 Vdd：正電源。Vss：地。該CD4518計(jì)數(shù)器是單路系列脈沖輸入（1腳或2腳；9腳或10腳），4路BCD碼信號(hào)輸出（3腳6腳；11腳14腳）。CD4518控制功能：CD4518有兩個(gè)時(shí)鐘輸入端CP和EN,若用時(shí)鐘上升沿觸發(fā),信號(hào)由CP輸入,此時(shí)EN端為高電平（1）,若用時(shí)鐘下降沿觸發(fā),信號(hào)由EN輸入,此時(shí)CP端為低噸平（0）,同時(shí)復(fù)位端Reset也保持低電平（0）,只有滿足了這些條件時(shí),電路才會(huì)處于計(jì)數(shù)狀態(tài).否則沒(méi)辦法工作。每單個(gè)單元有兩個(gè)時(shí)鐘輸入端CLK和EN，可用時(shí)鐘脈沖的上升沿或下降沿觸發(fā)。CD4518工作方式：采用并行進(jìn)位方式，只要輸入一個(gè)時(shí)鐘脈沖，

6、計(jì)數(shù)單元Q1翻轉(zhuǎn)一次；當(dāng)Q1為1，Q4為0時(shí)，每輸入一個(gè)時(shí)鐘脈沖，計(jì)數(shù)單元Q2翻轉(zhuǎn)一次；當(dāng)Q1=Q2=1時(shí)，每輸入一個(gè)時(shí)鐘脈沖Q3翻轉(zhuǎn)一次；當(dāng)Q1=Q2=Q3=1或Q1=Q4=1時(shí)，每輸入一個(gè)時(shí)鐘脈沖Q4翻轉(zhuǎn)一次。這樣從初始狀態(tài)（“0”態(tài)）開(kāi)始計(jì)數(shù)，每輸入10個(gè)時(shí)鐘脈沖，計(jì)數(shù)單元便自動(dòng)恢復(fù)到“0”態(tài)。分析實(shí)驗(yàn)原理圖： 按上圖所連接,因?yàn)?MHZ從CP端輸入，reset1腳接地，EN=0,則1QA4QA采用的是上升沿觸發(fā)的;因?yàn)?CP接地，reset2腳接地，EN2接1Q4,則1QB4QB采用的是下升沿觸發(fā)的：Q時(shí)鐘脈沖Q4Q3Q2Q1 10000200013001040011501006010

7、1701108011191000101001110000分析可知，1Mhz的信號(hào)由CP1接入，1QA4QA進(jìn)行著周期為T(mén)=10Tcp的循環(huán)加法計(jì)數(shù)，Q4A由CP2接入，每T=10Tcp有一個(gè)下降沿，1QB4QB進(jìn)行著周期為10T的循環(huán)加法計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)規(guī)律如上圖所示。這樣就可把1MHz的晶振信號(hào)變成10KHz的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。所得波形：（三）、N分頻的設(shè)計(jì)根據(jù)本次項(xiàng)目的要求，需設(shè)計(jì)一個(gè)N=10-30的分頻計(jì)。: ： CD4522是可預(yù)置BCD同步1/N減計(jì)數(shù)器。其引腳見(jiàn)上圖。其中ABCD是預(yù)置端，Q0Q3是計(jì)數(shù)器輸出端，其余控制端的功能如下：一旦PE（3）=1時(shí)，A/B/C/D值置進(jìn)計(jì)數(shù)器;當(dāng)使能端（4

8、）=0時(shí)，且CLK（6）上升沿觸發(fā)時(shí)，計(jì)數(shù)器（Q0Q3）減1計(jì)數(shù)；CF（13）=1且計(jì)數(shù)器（Q0Q3）減到0時(shí)，QC(12)=1；若Cr(10) =1時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。 如上右圖為單片4522分頻器，撥盤(pán)開(kāi)關(guān)為BCD碼開(kāi)關(guān)。4個(gè)100K電阻用來(lái)保證當(dāng)撥盤(pán)開(kāi)關(guān)為某腳不和A相連，也就是懸空時(shí)，為低電平。工作過(guò)程是這樣的：設(shè)撥盤(pán)開(kāi)關(guān)撥到N，當(dāng)某時(shí)刻PE（3）=1，則N置到IC內(nèi)的計(jì)數(shù)器中，下一個(gè)CP來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)變?yōu)镹-1，一直到第N個(gè)CP來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)器為0。這時(shí)由于CF（13）=1，所以QC（12）=1，也即PE（3）=1又恢復(fù)到開(kāi)始狀態(tài)，開(kāi)始一個(gè)新的循環(huán)。很顯然，每來(lái)N個(gè)CP，QC（12）就會(huì)出

9、現(xiàn)一個(gè)高電平，也就是QC（12）應(yīng)是CP的N分頻信號(hào)。 用兩片4522組成可變分頻器，最大分頻可達(dá)到99倍，滿足N=1030的要求。下圖為本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)圖：左邊CD4522作為N分頻的十位，右邊CD4522作為N分頻的個(gè)位，個(gè)位CP(6)接壓控振蕩器VCO的輸出f3，個(gè)位的12腳作為輸出f4=f3/N； 假設(shè)置數(shù)N為=15（BCD碼為0001 0101），則f3時(shí)鐘脈沖十位Q3十位Q2十位Q1十位Q0個(gè)位Q3個(gè)位Q2個(gè)位Q1個(gè)位Q0特殊位變化000010101100010100200010011300010010400010001500010000600001001十位CLK（6）；個(gè)位CF（1

10、3）=170000100080000011190000011010000001011100000100120000001113000000101400000001(15)瞬間態(tài)00000000個(gè)位十位PE(3)=11500010101置數(shù)（四）、鎖相環(huán)的設(shè)計(jì) : : 如圖是CD4046內(nèi)部電原理框圖，主要由相位比較、壓控振蕩器（VCO）、線性放大器、源跟隨器、整形電路等部分構(gòu)成。比較器采用異或門(mén)結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩個(gè)輸人端信號(hào)Ui、Uo的電平狀態(tài)相異時(shí)（即一個(gè)高電平，一個(gè)為低電平），輸出端信號(hào)U為高電平；反之，Ui、Uo電平狀態(tài)相同時(shí)（即兩個(gè)均為高，或均為低電平），U輸出為低電平。當(dāng)Ui、Uo的相位差在

11、0-180范圍內(nèi)變化時(shí)，U的脈沖寬度m亦隨之改變，即占空比亦在改變。從比較器的輸入和輸出信號(hào)的波形（如圖3-6所示）可知，其輸出信號(hào)的頻率等于輸入信號(hào)頻率的兩倍，并且與兩個(gè)輸入信號(hào)之間的中心頻率保持90相移。從圖中還可知，fout不一定是對(duì)稱(chēng)波形。對(duì)相位比較器，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。 CD4046內(nèi)部框圖圖3-6輸入輸出波形相位比較器是一個(gè)由信號(hào)的上升沿控制的數(shù)字存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。它對(duì)輸入信號(hào)占空比的要求不高，允許輸入非對(duì)稱(chēng)波形，它具有很寬的捕捉頻率范圍，而且不會(huì)鎖定在輸入信號(hào)的諧波。它提供數(shù)字誤差信號(hào)和鎖定信號(hào)（相位脈沖）兩種輸出，當(dāng)達(dá)到鎖定時(shí)，在相位

12、比較器的兩個(gè)輸人信號(hào)之間保持0相移。 對(duì)相位比較器而言，當(dāng)14腳的輸入信號(hào)比3腳的比較信號(hào)頻率低時(shí)，輸出為邏 輯“0”；反之則輸出邏輯“1”。如果兩信號(hào)的頻率相同而相位不同，當(dāng)輸人信號(hào)的相位滯后于比較信號(hào)時(shí)，相位比較器輸出的為正脈沖，當(dāng)相位超前時(shí)則輸出為負(fù)脈沖。在這兩種情況下，從1腳都有與上述正、負(fù)脈沖寬度相同的負(fù)脈沖產(chǎn)生。從相位比較器輸出的正、負(fù)脈沖的寬度均等于兩個(gè)輸入脈沖上升沿之間的相位差。而當(dāng)兩個(gè)輸入脈沖的頻率和相位均相同時(shí)，相位比較器的輸出為高阻態(tài)，則1腳輸出高電平。上述波形如圖5所示。由此可見(jiàn)，從1腳輸出信號(hào)是負(fù)脈沖還是固定高電平就可以判斷兩個(gè)輸入信號(hào)的情況了 CD4046鎖相環(huán)采用

13、的是RC型壓控振蕩器，必須外接電容C1和電阻R1作為充放電元件。當(dāng)PLL對(duì)跟蹤的輸入信號(hào)的頻率寬度有要求時(shí)還需要外接電阻R2。由于VCO是一個(gè)電流控制振蕩器，對(duì)定時(shí)電容C1的充電電流與從9腳輸入的控制電壓成正比，使VCO的振蕩頻率亦正比于該控制電壓。當(dāng)VCO控制電壓為0時(shí)，其輸出頻率最低；當(dāng)輸入控制電壓等于電源電壓VDD時(shí)，輸出頻率則線性地增大到最高輸出頻率。VCO振蕩頻率的范圍由R1、R2和C1決定。由于它的充電和放電都由同一個(gè)電容C1完成，故它的輸出波形是對(duì)稱(chēng)方波。壓控振蕩器的輸出波形是50%的方波。一般規(guī)定CD4046的最高頻率為1.2MHz(VDD=15V），若VDD15V，則fmax

14、要降低一些。 CD4046內(nèi)部還有線性放大器和整形電路，可將14腳輸入的100mV左右的微弱輸入信號(hào)變成方波或脈沖信號(hào)送至兩相位比較器。源跟蹤器是增益為1的放大器，VCO的輸出電壓經(jīng)源跟蹤器至10腳作FM解調(diào)用。齊納二極管可單獨(dú)使用，其穩(wěn)壓值為5V，若與TTL電路匹配時(shí)，可用作輔助電源。所以我們這次的CD4046工作原理如下：輸入信號(hào) Ui從14腳輸入后，經(jīng)放大器A1進(jìn)行放大、整形后加到相位比較器、的輸入端，開(kāi)關(guān)K撥至2腳，則比較器將從3腳輸入的比較信號(hào)Uo與輸入信號(hào)Ui作相位比較，從相位比較器輸出的誤差電壓U則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VC

15、O的輸入端9腳，調(diào)整VCO的振蕩頻率f3，使f3迅速逼近信號(hào)頻率f2。VCO的輸出又經(jīng)除法器f4=f3/N再進(jìn)入相位比較器，繼續(xù)與Ui進(jìn)行相位比較，最后使得f2f4，兩者的相位差為一定值，實(shí)現(xiàn)了相位鎖定。最后當(dāng)N=20時(shí)，波形圖為：N=30時(shí)，波形圖為：（5） 、鎖相頻率合成器電路圖 四、 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題以及解決方法 在這次的鎖相環(huán)制作中，我們通過(guò)各個(gè)元器件分開(kāi)組合調(diào)試，第一個(gè)振蕩器調(diào)試結(jié)果成功產(chǎn)生1MHz的方波，經(jīng)過(guò)100分頻出現(xiàn)10KHz的方波。我們直接用信號(hào)源接N分頻部分，但是經(jīng)過(guò)N分頻無(wú)論如何都產(chǎn)生300KHz的方波，于是我們首先懷疑芯片壞了，去換了新的芯片，但是還是沒(méi)有成功于是

16、我們決定單獨(dú)測(cè)試N分頻，我們?cè)俅沃苯咏有盘?hào)發(fā)生器至分頻器，發(fā)現(xiàn)并不能按照預(yù)想要求產(chǎn)生分頻。但是當(dāng)我們?cè)龃笮盘?hào)峰峰值到5伏以上時(shí)，發(fā)現(xiàn)可以產(chǎn)生分頻了。于是我們將信號(hào)源調(diào)至6VPP發(fā)現(xiàn)N分頻部分工作正常了。我們將振蕩源接入電路，上電調(diào)試，發(fā)現(xiàn)調(diào)至24KHZ以上之后頻率不變了，我想可能是4046的參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，鎖相環(huán)無(wú)法實(shí)現(xiàn)鎖定工作。于是我們重新計(jì)算工作參數(shù)，重置電容和電阻值，更換器件之后，再次調(diào)試，發(fā)現(xiàn)終于可以正常工作了。 五、 組員分工六、 心得體會(huì)通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，使自己對(duì)鎖相環(huán)的工作原理及其應(yīng)用有了較深的理解，鎖相環(huán)應(yīng)用愈廣，鎖相環(huán)是在無(wú)線電發(fā)射中使頻率較為穩(wěn)定的一種方法。例如為相干解調(diào)提取參考載波、建立位同步等，也可以用于改善電視接收機(jī)的行同步和幀同步，以提高抗干擾能力。 很重要的一點(diǎn)是，通過(guò)實(shí)驗(yàn)提高了發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。通過(guò)調(diào)試來(lái)發(fā)現(xiàn)自己的錯(cuò)誤并分析及排除這些故障，結(jié)合自己在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中碰到的問(wèn)題，我覺(jué)得在調(diào)試過(guò)程中應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：