数字频率合成器的合成器电子产品设计论文.doc

电子产品设计论文南京信息职业技术学院电子产品设计论文作者: 张利 学号: 11013P43 系部: 电子信息系 专业: 电子信息系工程技术 题目: 数字频率合成器的合成器 指导教师: 龚美霞 完成时间： 2012年 10月 30日 南京信息职业技术学院 21摘要数字频率合成器是现代通信设备的重要组成部分，频率合成技术是将一个高稳定度和高准确度的基准频率经过四则运算，产生同样稳定度和准确度的任意频率。锁相环频率合成器，其优点是可以实现任意频率和宽带的频率合成，具有极低的相位噪声和杂散。是目前应用最为广泛的一种频率合成器。数字频率合成法主要包括锁相法合成器和直接数字式频率合成法，由此诞生出了锁相频率合成器和直接数字式频率合成器。但是由于锁相频率合成的转换时间长，直接数字式频率合成器的杂散大等缺点，现逐渐开始研究并采用DDS+PLL混合频率合成器。本文提出并实现了基于锁相技术的频率合成器，并详细介绍了锁相式频率合成器的理论及应用。文中首先介绍了技术原理,通过比较各种方案选定本系统技术方案。该模块实现的功能是完成1kHz99kHz的频率合成。在设计方案的基础上，完成了电路板的制作与调试，对测试结果进行了分析，完成了频率合成的功能。关键字：数字频率合成器 工作原理 电路安装 调试目录1 引言42 . 数字频率合成器的组成及工作原理52.1 数字频率合成器的组成52.2 锁相环路的工作原理52.2.1锁相环路的组成52.2.2锁相环路的基本特性62.3 参考振荡器的工作原理72.4 参考分频器的工作原理72.5 可变分频器和分频比控制电路的工作原理82.6 消抖动电路的工作原理82.7 数码显示电路的工作原理92.8 数字频率合成器的电路设计93电路安装与调试133.1 电子产品的安装布线原则133.1.1 根据元器件的形状和电路板的面积合理布置元器件的密度133.2电路调试133.2.1晶体振荡器与4000分频电路调试：133.2.2按要求合理装配晶体振荡器电路和4000分频电路。133.2.3.按调试说明调测本部分电路。133.3晶体振荡器电路和4000分频电路调试说明：13测试步骤144消抖动电路和预置分频电路的安装和调试：154.1.按要求合理安装和焊接消抖动电路、预置数电路、预分频电路。154.2.按调试说明调测本部分电路。154.3.预置数电路和预分频电路测试：15.指标要求：154.3.3.测试步骤：155锁相环电路和可变分频电路安装和调试：165.1.按要求合理安装和焊接CD4510可变分频电路、锁相环电路。165.2.按调试说明调测本部分电路。165.3.可变分频电路的测试：165.3.1.指标要求：165.3.3.测试步骤：165.4频率合成器总体电路调试说明：185.4.1.指标要求：185.4.3.测试步骤：186参考文献197小结 （心得）19附录A 电路设计的元器件清单20附录B 锁相式数字频率合成器电路原理图21附录C 数字频率合成器221 引言背景: 数字频率合成器是一种基础测量仪器,到目前为止已有30多年的历史,早期设计师们追求的目标主要是扩展测量范围,再加上提高测量的精度、稳定度等，这些也是人们衡量数字频率计的技术水平，决定数字频率计价格高低的主要依据。目前这些基本技术日益完善，成熟。应用现代技术可以轻松的将数字频率计的测频上限扩展到微波频段。随着科学技术的发展，用户对数字频率计也提出了新的要求。对低档产品要求操作简单方便，测量（足够）宽、可靠性高、价格低。而对于中高档产品要求有高的分辨率、高精度、高稳定度、高测量速率；除了通用频率计所具有的功能外，还要求有数据处理功能，统计分辨功能，时域分析功能等等，或者包含电压测量等其他功能，这些要求有的已经实现或者部分实现，但要真正完美的实现这些目标，对于生产厂家来说，还有许多工作要做，而不是表面看来似乎发展到头了。目前国外市场上的频率计数器, 都是基于脉冲计数的原理, 其功能除了直接测量频率值外, 还可测量信号周期、多周期、时间间隔、脉冲宽度、频率比、占空比、统计计数等, 有的甚至可以测量频率参数以外的参数, 如电压、相位、功率等。这种以频率测量为主体的多功能数字式测量仪器, 也称电子计数器。综观国内研制生产的数字式频率计, 虽然在采用大规模集成电路和专用集成电路、改进设计、强化多功能和小型化等方面取得很大进展, 但其技术性能与国外同类先进产品相比, 仍有差距。设计指标2 . 数字频率合成器的组成及工作原理2.1 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式频率合成器。直接接式频率合成器是由参考震荡器、参考分频器、鉴相器环路滤波器、压控振荡器和可编程分频器等部分组成。2.2 锁相环路的工作原理2.2.1锁相环路的组成它由鉴相器、环路滤波器、压控震荡器三部分组成。鉴相器和环路滤波器构成反馈控制器，压控振荡器就是它的控制对象。锁相环原理框图（1） 鉴相器它是一个相位比较装置，一般可用模拟乘法器来实现鉴相功能，相乘器作为鉴相器的鉴相特性可见它是正弦特性，相乘器作为鉴相器的一个通用数学模型供分析电路之用。鉴相器（2） 环路滤波器在锁相环路中环路滤波器就是一个低通滤波器有滤出，除鉴相器输出的误差电压中的高频分量和干扰分量得到控制电压。常用环路滤波器有低通滤波器、无源比例积分滤波器级有源比例积分滤波器。常用滤波器作用是减少高频信号的衰减，从而提高锁相环路的捕捉和跟踪范围。压控震荡期压控震荡期是震频率受控制电压控制的震荡器，是一种电压到频率的变换器，可以通过改变控制电压来改变压控震荡器的频率，压控震荡曲线一般为非线性。压控震荡期使震荡器的工作状态，受输入控制电压的控制，就可构成压控震荡器及可对震荡频率实现控制。RC积分滤波器 无源比例积分滤波器有源比例积分滤波器2.2.2锁相环路的基本特性（1） 捕捉与锁定特性环路的调节改变了锁相环路的失锁状态，经过环路捕捉过程最终达到锁定状态。（2） 自动跟踪特性锁相环路具有自动跟踪特性，相当于高频窄带滤波器不但能滤除噪音和干扰而且能跟踪输出信号的载频变化（3） 锁相环路的捕捉带和同步带 环路能捕捉的最大起始频差范围称捕捉带或捕捉范围 环路处于锁定和非锁定交替状态2.3 参考振荡器的工作原理参考振荡器课采用门电路（74LS系列或CD系列）与标称石英晶体构成振荡器。晶体工作于串联谐振频率与并联谐振频率之间时，晶体呈电感性，等效成一个电感与外接的电容构成三点式LC振荡器，通过外接的电容可对频率进行微调。根据晶体外接电容的要求，选用C1=C2=24pF.晶体XTAL的频率选4.096MHz。并联谐振型晶体振荡器2.4 参考分频器的工作原理在一片74LS390集成芯片中封装了2个二-五-十进制的异步计数器。每个二-五-十进制分别有各自的清零端CLR。1CP0二进制计数器时钟输入端：下降沿有效。1CP1五进制计数端时钟输入端：下降沿有效。1CLR清零端：高电平有效。当CLR=1时，输出1Q31Q21Q11Q0=0000.Q3、Q2、Q1、Q0为计数器的输出端：其中Q0是独立的，是二进制计数器的输出端；Q3Q2Q1是五进制计数器的输出端。由两片74LS390计数器构成4000分频器电路，产生1KHz基准参考信号。2.5 可变分频器和分频比控制电路的工作原理 由两片CD4510构成，预置数为99（个位预置数为9，十位预置数为9），时钟信号为99KHz，当经过99个时钟后，个位和十位计数器都减到0时，电路产生一个高电平信号送入两个计数器的PL端，将输入预置数据端的数“99”再预置到计数器中，进行又一轮的减法计数。因此，若Is信号输入为99KHz，则经过99分频器后，在PL端得到1KHz的信号。 分频比控制器由计数器来实现，两位十进制计数器74390实现个位和十位从09的加法，即实现从0199的可变置数，通过按键的按动从而实现199的分频比控制的可变分频器电路。2.6 消抖动电路的工作原理当开关向下时，R非为高电平，S非通过开关触点接地，但由于机械触点存在着抖动现象，S非端不是一个稳定的低电平，而是有一段时高时低的不规则脉冲出现。但当开关打下的瞬间，S非为低电平，此时R非=1，S非=0，触发器置“1”，输出Q=1。由于开关的抖动使得开关可能又迅速的弹起，此刻S非立刻变为高电平，即R非=1，SD 非=1，此时此刻触发器为保持状态，保持前一时刻的输出高电平状态，即Q=1。所以尽管输入由于开关的抖动使电信号产生不稳定的脉冲，但输出波形却为稳定的无瞬时抖动的脉冲信号。消抖动电路的工作原理2.7 数码显示电路的工作原理 显示译码器和数码显示器显示电路用来显示输出频率数值，由于f1=1KHZ,N分频后 f0=Nf i=N （KHZ）,因此分频比N即为此数值 （单位：kHz），故此将可变分频器初始值数据作为译码器输入数据。分频比控制计数器个位和十位输出的数据同时也是译码器的输入数据。数码显示电路如图所示。由共阴极七段数码器LC5011和显示译码器CD4511构成。CD4511的功能真值表2.8 数字频率合成器的电路设计（1） 首先，根据课题给定的设计指标要求，确定系统设计框图。1直接式频率合成器直接式频率合成器构成如图9.3.1所示。它仅在图9.1.1所示锁相环的反馈支路中插入一个可编程控制的分频器（N）。如图所示，高稳定度参考振荡信号经R次分频后，得到频率为fR的参考脉冲信号。同时压控振荡器输出经N次分频后得到频率为fN的脉冲信号，它们通过鉴相器进行比相。当环路处于锁定状态时，fR = fN = fo /N，则：直接式频率合成器组成框图直接式频率合成器的结构较简单，常用CD4046来实现2吞脉冲式频率合成器在实际应用中，特别在超高频工作的情况下，为降低N分频器的输入频率，通常在N分频器与压控振荡器之间插入高速前置分频器（P）（采用ECL工艺制造）。显然此时频率关系为fo=NPfR，频点间隔为PfR。为了在给定的频段内合成更多的离散频率，需减小上述方案之频率点间隔PfR。WEICI，为此，在实际通信设备中通常采用双模前置分频器（P/(P+1)）和含有吞食计数器的可编程分频器。其构成框图如图9.3.2所示，一般称它为吞脉冲式PLL频率合成器。在该方案中，通常N计数（分频）器的级数大于 A计数器的级数，即 NA。在计数循环开始时，模式控制信号MC=0，前置分频比为P+1，这样A计数器每次比另一前置分频模式（P）多吞食一个脉冲。由于N、A计数器同时开始计数，A先计满，输出使模式控制逻辑状态变为MC=1，前置分频比变为P，直到N计数器计满，输出将模式控制逻辑重置成MC=0状态。这样，计数链路的总分频比是：NS=A(P+1)+P(NA)=PN+Afo=(PN+A)fN=PNfR+AfR可见，合成频率点间隔变为fR。吞脉冲式频率合成器的主要产品有MC145152、MC145156等，除了VCO、LF以及双模前置分频器需外接外，此类集成锁相环路包含其它所有的组成部分，因此实际应用时并不复杂。吞脉冲式频率合成器组成框（2） 然后，根据系统框图，确定各个单元电路的结构，并进行元器件选择和参数计算。1） 集成锁相环路PLL及外接震荡元器件根据设计指标要求，集成锁相环路可选为CD4046，它包含PD和VCO,最高工作频率为1.4MHZ,满足设计要求。CD4046作为频率合成器时，3、4端之间应插入可变分频器N。2） 参考频率和环路滤波器 由于设计指标要求频率间隔为f=1kHz，因此选择参考频率FR=f=1kHz。3） 参考振荡器参考振荡器提供一个频率稳定的、准确的4MHz的方波信号。振荡器电路选用晶体振荡电路，不使电路具有更高的Q值，以提高频率的稳定性。又由于CMOS电路输入阻抗极高，选用CMOS与非门构成参考振荡器。4） 参考分频器 将4MHz的参考振荡频率分频为1kHz，因此分频比R=4000（=10x10x10x4），通常实现分频器的电路是计数器电路，因此选74LS390为参考分频器。5） 可变分频器 由于最大可变分频比N=99，且输出方式为十进制方式，因此，可变分频器N应选初始值可预置的十进制计数器。6） 分频比控制计数器及消抖动电路 分频比控制计数器是用来产生可变分频器所需要的分频比N，选用1片74LS390构成频率调节电路，另用一开关电路来控制计数脉冲的通断。 另外，通常使用的开关是由机械触点实现开关的闭合与断开，由于机械触点存在弹性，闭合后会产生反弹，为了稳定信号，增加消抖动电路。7） 显示译码器和数码显示器 显示电路用来显示输出频率数值，可讲可变分频器初始值数据作为译码器输入数据。分频比控制计数器个位和十位输出的数据同时也是译码器的输入数据。 （3） 在完成电路的初步设计后，再对电路进行仿真调试，目的是为了观察和测量电路的性能指标病调整部分元器件参数，从而达到各项指标的要求。 3电路安装与调试3.1 电子产品的安装布线原则3.1.1 根据元器件的形状和电路板的面积合理布置元器件的密度 1）用不同颜色的塑料导线表示电路中不同作用的连接线 2）元器件布置在印刷板的元件面，尽可能不要在焊接面布置元器件或连接线 3）相邻元器件就近安置，做到布置合理、密度适中 4）输入回路要远离输出回路 5）有电磁耦合的元器件应该进行自身屏蔽 6）发热的元器件应靠边安装在散热条件好的地方 7）工作频率较高的电路，连线要短，并且元器件应该就近放置 8）各种可调的元器件应该安装在便于调整的地方，所有元器件的标志一律向外3.2电路调试3.2.1晶体振荡器与4000分频电路调试：3.2.2按要求合理装配晶体振荡器电路和4000分频电路。3.2.3.按调试说明调测本部分电路。3.3晶体振荡器电路和4000分频电路调试说明：指标要求：晶体振荡器和4000分频电路相连应输出1KHz的方波信号。测试仪器： 5V直流稳压电源 1台双踪示波器 1台频率计 1台测试步骤1)对照原理图，检查焊接电路是否正确。晶体振荡器和4000分频测试电路2)焊接正确无误后，按照接线图，连接测试仪器。 图表 11) 打开电源，打开频率计电源，将频率计调至0000.00Hz频率计应显示1000.xx Hz。2)若不正确，用示波器监测晶体振荡器输出有无信号。分步检查电路。3)测试正确后，关闭电源。4消抖动电路和预置分频电路的安装和调试：4.1.按要求合理安装和焊接消抖动电路、预置数电路、预分频电路。4.2.按调试说明调测本部分电路。4.3.预置数电路和预分频电路测试：.指标要求： 分别按动开关置数，按动个位开关19下，个位数码管 ，应有显示相应数字，74LS390输出1Q3 1Q2 1Q1 1Q0应有相应输出。同理十位数测试方法相同测试仪器：5V直流稳压电源1台双踪示波器1台双踪示波器1台频率计 1台 4.3.3.测试步骤：1) 对照原理图，检查焊接电路2) 焊接正确无误后，按照接线图，连接测试仪器3) 打开电源，分别按动K1、K2，数码管应有相应显示。4) 若不正确，分别检查数码管电路、消抖动电路、74LS390计数器电路。5) 测试正确后，关闭电源。5锁相环电路和可变分频电路安装和调试：5.1.按要求合理安装和焊接CD4510可变分频电路、锁相环电路。5.2.按调试说明调测本部分电路。5.3.可变分频电路的测试：5.3.1.指标要求：1) 可变分频器可根据预置频率的不同，将输入信号（cp）N分频。2) 在锁相环的输出端（4脚）可测得所设置方波信号的频率（1k99k）。.测试仪器： 5V直流稳压电源1台双踪示波器 1台数字万用表 1只频率计 1台5.3.3.测试步骤：1) 对照原理图，检查焊接电路是否正确。2) 焊接正确无误后，按照接线图，连接测试仪器。 3) 打开电源，分别按动K1、K2，数码管应有相应显示。4) 用示波器和频率计监测锁相环CD4046的4脚应为所设置的频率，且输出1脚应为高电平。5) 若测试不正确，继续测试CD4510预分频电路的输入信号频率和输出信号频率。6) 测试正确后，关闭电源。CD4046的内部功能框图99分频器5.4频率合成器总体电路调试说明：5.4.1.指标要求：1）输出频率范围：fo= 1kHz99kHz；2）频率间隔：f =1kHz；3）基准频率采用晶体振荡频率，频率稳定度应优于1044）数字显示频率5）频率调节采用计数方式。测试仪器：5V直流稳压电源1台双踪示波器 1台数字万用表 1只频率计 1台5.4.3