简易频率合成器设计报告材料.doc

word滨江学院简易频率合成器学生某某 吴俊 学 号 20092321922 院 系 电子工程专 业 电子科学与技术指导教师 赵静 2 0 1 2 年 6 月 5 日一、 设计和制作任务1、输出信号的频率X围：1kHz-99kHz2、步进频率：1Khz3、输出电平为方波基准信号〔1kHz)鉴相器LPF压控振荡器(VCO)可编程分频器(÷N)拨动开关fRCD4046二、 实验原理 图2-1 总体电路设计框图1、CD4046 锁相环电路设计(1)、锁相环根本组成锁相环通常由鉴相器〔PD〕、环路滤波器〔LF〕和压控振荡器〔VCO〕三局部组成，锁相环组成的原理框图如图2-2所示锁相环中的鉴相器又称为相位比拟器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成uD〔t〕电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压uC〔t〕，对振荡器输出信号的频率实施控制图2-1-1锁相环原理图(2)、鉴相器〔PD〕锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成，利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如右图所示。

图2-1-2 鉴相器(3)、压控振荡器〔VCO〕指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路(VCO)，频率是输入信号电压的函数的振荡器VCO，振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器4)、低通滤波器让某一频率以下的信号分量通过，而对该频率以上的信号分量大大抑制的电容、电感与电阻等器件的组合装置5)、锁相环电路的工作原理鉴相器的工作原理是：设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为：         式中的ω0为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为电路的固有振荡角频率如此模拟乘法器的输出电压uD为：用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压uC〔t〕即uC〔t〕为：    式中的ωi为输入信号的瞬时振荡角频率，θi〔t〕和θO〔t〕分别为输入信号和输出信号的瞬时位相，根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为：      即                  如此，瞬时相位差θd为       对两边求微分，可得频差的关系式为    上式等于零，说明锁相环进入相位锁定的状态，此时输出和输入信号的频率和相位保持恒定不变的状态，uc〔t〕为恒定值。

当上式不等于零时，说明锁相环的相位还未锁定，输入信号和输出信号的频率不等，uc〔t〕随时间而变因压控振荡器的压控特性如图8-4-3所示，该特性说明压控振荡器的振荡频率ωu以ω0为中心，随输入信号电压uc〔t〕的变化而变化该特性的表达式为     图2-1-3 压控振荡器压控特性上式说明当uc〔t〕随时间而变时，压控振荡器的振荡频率ωu也随时间而变，锁相环进入“频率牵引〞，自动跟踪捕捉输入信号的频率，使锁相环进入锁定的状态，并保持ω0=ωi的状态不变〔6〕、CD4046外围参数选取图2-1-4CD4046管脚封装图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脚相位比拟器Ⅰ的输出端　　3脚比拟信号输入端　　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脚相位比拟器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2-1-5 锁相环仿真电路通过前文对锁相环电路的分析与仿真实验，本次实验采用200pF的瓷片电容作为震荡电容，由100k的R4、100nF的C4和10K的R3构成低通滤波电路，40464脚的压控振荡电压输出给单片机。

2、基准信号设计这次设计采用555芯片提供1Khz的基准信号图2-2-1 555定时器管脚图1地 GND 5控制电压 2触发 6门限(阈值〕3输出  7放电 4复位  8电源电压Vcc 图2-2-2 555定时器构成的多谐振荡器多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故 称为多谐振荡器多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之 间来回转换，故又称它为无稳态电路由555定时器构成的多谐振荡器如图2-2-2所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端〔6脚〕 和低电平触发端〔2脚〕并接后接到R2和C的连接处，将放电端〔7脚〕接到R1，R2的连接处由于接通电源瞬间，电容C来不与充电，电容器两端电压uc为低电平，小于〔1/3〕Vcc，故高电平触发 端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管VT截止这时，电源经R1，R2对电容C充电，使 电压uc按指数规律上升，当uc上升到〔2/3〕Vcc时，输出uo为低电平，放电管VT导通，把uc从〔1/3〕Vcc 上升到〔2/3〕Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关 。

充电时间常数T充=〔R1＋R2〕C不难理解，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，如此输出可得矩形基准波电路一旦起振后，uc电压总是在〔1/3～2/3〕Vcc 之间变化输出的波形图如图2-2-3图2-2-3 555多谐振荡器输出波形3、分频电路设计 图2-3-1 分频电路 图2-3-2 74LS160管脚图我们使用74ls160十进制计数器作为分频器，由于是两片扩展的，最进制为10*10=100进制拨码开关用作进制选择，每当第二片计数器计满后，进位输出通过反相器重新置位两片计数器，使得进制可调设定初值n置数n如果加到100触发加1进位输出1，计数清零否是分频输入分频输出如图可知当输入为n时，为100-n进制三、 电路焊接与调测1、元件清单和电路图元件名称 数量NE5551CD4046174LS16028p插座114p插座116p插座310k五脚排阻210nf电容110k可调电阻310k电阻2100k电阻2电容51p1电容200p1电容1041万用版10*151四位拨动开关2图3-3-1 频率合成器电路图图3-3-2 单片机电路图2、调试过程〔1〕、压控振荡器调试与波形〔2〕、鉴相器调试与波形从图中可以见到相位比拟器1输出波形为输入波形幅度异或的关系从图中可以见到，当输人信号的相位滞后于比拟信号时，相位比拟器Ⅱ输出的为正脉冲，当相位超前时如此输出为负脉冲。

在这两种情况下，从1脚都有与上述正、负脉冲宽度一样的负脉冲产生从相位比拟器Ⅱ输出的正、负脉冲的宽度均等于两个输入脉冲上升沿之间的相位差3、调试结果简易频率合成器经调试可以产生2k~99kHz的信号达不到1Khz的频率可能是由器件本身原因或者布局焊接不合理造成的4、实物图 / 。