PLL课程设计报告

PLL 课程设计报告 频率合成器的设计与制作 系别 班级 姓名 学号 时间 1 目录目录 一 设计内容与要求 2 二 设计思路 2 三 方案论证与比较 2 1 压控振荡器的设计方案论证与选择 2 2 频率合成器的设计方案论证与选择 3 3 控制模块的设计方案论证与选择 3 4 功率放大电路方案选择与论证 3 5 电源方案选择与论证 3 四 系统组成 3 五 五 模块电路设计分工 4 六 单元电路设计 4 1 压控振荡器与调频电路设计 4 2 PLL 频率合成电路设计 4 3 环路滤波器的设计 5 七 总体电路设计 8 八 电路调试及注意事项 8 九 心得体会 8 十 致谢 8 十一 参考文献 9 附录一 10 2 锁相式数字频率合成器的设计与制作锁相式数字频率合成器的设计与制作 一 设计内容与要求一 设计内容与要求 1 设计内容 根据 锁相技术 介绍的原理和方法 结合实验室现有的仪器和设备 基于可编程的锁相环集 成电路 MC 2 设计一个频率合成器 2 设计要求 一个基于锁相环的正弦波发生器 要求通过拨码开关控制使在 5MHZ 108MHZ 间可稳定输出间隔 频率 二 设计思路二 设计思路 锁相环路工作原理框图如下 图 1 1 鉴相器将输入相位 1与输出相位 2进行比较 得到误差相位 并得到误差电压 Ud 误差电压经过环 路滤波器得到控制电压 Uc 控制点压加到压控振荡器上使之产生频率 来跟踪输入信号频率 若输入为 固定频率 再 Uc 的作用下 输出频率向输入频率靠拢 一旦达到两者相等时 若满足一定条件就能稳 定下来 达到锁定 锁定之后 被控的压控振荡器频率与输入信号频率相同 两者之间为一定的稳态和 相位差 设计一个频率合成器 使其输出 5MHz 到 108MHz 的频率信号 频点数为 200 个 频率间隔为 25KHz 该设计的核心是数字频率合成技术 利用锁相环的原理 使 VCO 的频率锁定在参考频率的稳定 度上 并使用前置分频器分频 控制部分采用拨码开关来完成 并附带电源电路 本实验分两步 第一 步制作 30MHz 以下的频率合成器 此时可不用前置分频器分频 第二步制作 30MHz 以上的频率合成器 三 方案论证与比较三 方案论证与比较 1 压控振荡器的设计方案论证与选择 方案一 采用分立元件构成 利用低噪声场效应管 J310 作振荡管 用两对变容二极管直接接入振荡 回路作为压控器件 电路属于电感三点式振荡器 该方法实现简单 但是调试困难 而且输出频率不易 灵活控制 方案二 采用压控振荡芯片 MC1648 和变容二极管 外接一个 LC 谐振回路构成变容二极管压控振荡 器 选取适当的电感 便可改变 MC1648 的输出频率 另外 MC1648 内部有放大电路和自动增益控制 可以实现输出频率稳幅 射极跟随器有隔离作用 可减小负载对振荡器工作状态的影响 由于采用了集 3 成芯片 电路设计简单 系统可靠性高 并且利用锁相环频率合成技术可以使输出频率稳定度进一步提 高 综上 拟定方案二利用压控振荡芯片 MC1648 和变容二极管 外加一个 LC 并联谐振回路来设计压控 振荡器 2 频率合成器的设计方案论证与选择 频率合成是整机的核心 为了得到高度稳定的频率输出 并且输出频率可调 可以采用锁相环频率 合成技术 输出频率稳定度与晶振的稳定度相当 达到 10 5 频率步进可以为任意值 方案一 模拟锁相环路法 通过环式的减法降频 将 VCO 的频率降低 与参考频率进行鉴相 优点 是 可以得到任意小的频率间隔 鉴相器的工作频率不高 频率变化范围不大 比较好做 带内带外噪 声和锁定时间易于处理 不需要昂贵的晶体滤波器 频率稳定度与参考晶振的频率稳定度相同 缺点是 分辨率的提高要通过增加循环次数来实现 电路超小型化和集成化比较困难 方案二 数字锁相环路法 通过数字逻辑电路把 VCO 压控振荡 的频率降低到鉴相器的参考频率 上 采用的是除法降频 除具有方案一的优点外 克服了方案一的缺点 还能与灵活方便的数字电路结 合 做成数控可变分频 得到任意的频率 并且便于集成化 大大简化电路连线 缩短电路制作时间 降低整机体积 综合考虑 本设计采用方案二 3 控制模块的设计方案论证与选择 方案一 采用位拨码开关控制 方案二 采用单片机控制 考虑到目前使用单片机控制成本较高电路较为复杂 作为实验 选用方案一更合适 4 功率放大电路方案选择与论证 方案一 采用电子管作为高频功放的电子器件 就高频大功率而言 电子管在输出功率和最高工作 频率方面仍占优势 方案二 采用晶体管作为高频功放的电子器件 晶体管具有体积小 重量轻 耗电省 使用寿命长 等优点 但其内部物理过程比电子管复杂得多 且其高频功放工作状态的计算十分困难 通常只进行定 性的分析与估算 再依靠实验调整到预期的状态 方案三 也可以采用 LM358 芯片作为放大器和滤波器使用 其特点是易于实现 易于调试 以及电 路简单等特点 结合本设计实际需要考虑 决定采用方案三 5 电源方案选择与论证 由于本次实验采用实验室的 12V 电源供电 而我们需要的是 12V 和 5V 的电源 故最后用三端稳压 管 7805 和 7809 进行稳压 可得到 5V 和 2V 四 系统组成四 系统组成 经过一系列的方案比较与论证 最终确定的系统组成框图如图 1 2 所示 由 MC MC1648 系列集成 电路组成数字锁相频率合成器 采用变容二极管调频 用户可使用简易拨码开关控制发射频率 同时通 过示波器监测发射频率向用户反馈信息 注 该系统组成框图中未包含前置分频器 4 图 1 2 系统组成框图 五 模块电路设计分工五 模块电路设计分工 由系统组成框图 我们将其分为三个设计模块 具体划分和分工如下 第一设计模块 PLL 频率合成及前置分频器和电源电路设计 汪彦俊 第二设计模块 压控振荡器电路设计 卢娜 第三设计模块 环路滤波器设计 曾倩文 六 模块电路设计六 模块电路设计 1 压控振荡器与调频电路设计 压控振荡器是频率合成电路的关键部分 采用集成的 VCO 芯片 MC1648 其工作电压 5V 输出频率 最高可达 225MHz 输出频谱纯度高 MC1648 内部含有放大电路和自动增益控制电路 可以稳定输出频率的幅度 该电路外围元器件少 调试方便 其内部电路如图 1 3 所示 图 1 3 MC1648 内部电路图 5 MC1648 的第 10 脚输出一个约 1 5V 的稳定电压 可作为变容二极管的一个偏压 谐振槽路从 10 脚 和 12 脚接入 与内部的 Q7 Q4 Q5 D1 Q8 组成一个移相 720 的正反馈正弦振荡电路 Q6 的基极连 接 Q7 的集电极 也形成正反馈 另外 MC1648 内部有放大电路和自动增益控制电路 D1 Q8 Q6 Q7 可以稳定输出频率的幅度 输出信号经 AGC 电路采样后从 5 脚接入 当振荡幅度 增大时 Q8 的基极电压增大 集电极电流增大 Q7 的 Ube减小从而放大倍数减小 输出幅度将减小 反 之 如果振荡幅度减小 则恒流源 Q8 的电流减小 Q6 Q7 的放大倍数将增大 输出幅度也因此增大 Q3 Q2 和射极跟随器 Q1为输出缓冲级 有隔离作用 可减小负载对振荡器工作状态的影响 从变容二极管的特性知道 其容量是其偏压的函数 并且在一定范围内近似线性 因此该槽路还可 作调频调制用 即将调制信号叠加到变容二极管的偏置端上 调制信号的变化必然引起变容二极管容量 的变化 从而必将引起振荡频率的变化 即实现了调频 为了使产品的稳定性更佳 在此多加一对变容 二极管专门作为调频用 以下为 MC1648 不同接法对应的频率 电压曲线 图 1 4 图 1 5 6 图 1 6 由于要求输出频率在 5MHZ 108MHZ 之间故选择图 1 6 的接法 2 PLL 频率合成电路设计 锁相环路主要由晶振 参考分频器 压控振荡器 VCO 鉴频 鉴相器 FD PD 低通滤波器 LPF 可编程分频器组成 它是应用数字逻辑电路将 VCO 频率一次或多次降低至鉴相器频率上 再 与参考频率在鉴相电路中进行比较 通过低通滤波器取出误差信号来控制 VCO 的频率 使之锁定在参考 频率的稳定度上 由于采用了大规模集成电路块 MC 将图中的晶振 参考分频器 鉴频鉴相器 可编程 分频器都集成在一个芯片中 不需要再单独设计 同时利用拨码开关来控制 MC 确定分频系数 A N 和 发射频率的对应关系 图 1 7 锁相环基本原理框图 图 1 8 MC 2 内部结构图 7 参考分频器是为了得到所需的频率间隔而设定的 频率合成器的输出频谱是不连续的 两个相邻频 率之间的最小间隔就是频率间隔 在 MC 2 中 外部稳定参考源由 OSCin输入 经 14 位分频将输入频率 R 然后送入 FD PD 中 R 值由 RA0 RA1 RA2设定 如下表所示 例如 当 RA0RA1RA2 101 时 R 2048 即对晶振频率进行 2048 分频 MC 参考分频器分频系数选择表 RA200001111 RA100110011 RA001010101 R81282565121024204824108192 表 1 1 鉴相器的作用实际上相当于一个模拟乘法器 鉴相器将参考分频器出来的很稳定的步长信号和压控 振荡器产生的频率经可编程分频之后得到的不稳定的频率信号进行比较 输出为两者之间的相位差 低 通滤波器将其中的高频分量滤掉 图 1 9 MC 2 典型电路 3 环路滤波器的设计 环路滤波器的作用是取出鉴相器输出的误差信号中的直流成分 以用于调节压控振荡器的输出频率 同时 压控振荡器还有调频的作用 调频使得输出频率随调制信号产生偏移 因此 锁相和调频是相互 矛盾的 锁相的目的是使输出频率稳定 而调频则要求输出频率随着调制信号的变化而变化 环路滤波 器正是解决这一矛盾的关键 由于振荡器中心频率不稳主要由温度 湿度 直流电源等外界因素引起 其变化是缓慢的 而音频调制信号幅度的变化相对来说是一种快变化 因此 将环路滤波器的通带上限 频率限制在几 Hz 内 只有慢变化因素引起的误差信号可以通过 而调制信号引起频偏时 它产生的误 差信号被滤除 不作用于锁相环 这样就既可以保证中心频率的稳定度 又不影响调频 在环路滤波器 后加以级放大器可调节输入压控振荡器的电压在何时范围内 图 1 10 环路滤波器及放大器设计电路 8 七 总体电路设计七 总体电路设计 晶振选用 2 048MHz 的温度补偿晶体 它的频率稳定度可达10 8 选择鉴相器 A 或鉴相器 B 均可 这里选用鉴相器 A PDout 输出接一个二阶低通滤波器滤波器 MC 2 的 LD 用来指示回路锁定 外接一个 LED 出现失锁时该 LED 将闪烁 振荡器部分采用了 MC 2 的片上振荡形式 两个电容均为 20P MC 2 的 固定分频器分频系数选择为 2048 2 048M 信号经分频后是 1000Hz 将该信号作为基准频率输入鉴相器 MC 2 的鉴相输出经过滤波后的直流电平为 2V 至 3V 之间 可以控制 MC1648 但是电压变化范围太 小 能控的频点有限 因此必须加放大器 而且 直接用滤波输出电压控制 MC1648 将很难调整到 MC 2 能锁定的几个频点 图 1 3 中 U1 部分为一 20HZ 的低通滤波器 U2 部分为放大器 MC 的频率设置 实际工作频率 参考频率 1000 再转化为二进制数 对应脚 23 22 25 24 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 这是在没有外加分频时的调整 如工作频率是 z 参考频率是 25KHz 100 25 1000 4000 在转化为二进制就是 100 参考 频率 故 23 22 25 24 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 分别为 000 时对应频率 12MHZ 100 时对应频 率 14 5MHZ 总体 Protel 电路图见附录 八 电路调试及注意事项八 电路调试及注意事项 1 本次设计的目的是要掌握 VCO 压控振荡器的基本工作原理并熟悉 MC 2 数字频率合成器的电路组 成与工作原理 加深对基本锁相环工作原理的理解 从中培养学生独立从事电子系统设计 研制及分析 问题和解决问题的能 2 锁相环电路调试比较麻烦 很容易失锁 在实现本电路的过程中应注意以下问题 1 MC 2 中的除 R 分频器在片内已内接了上拉电阻 所以 RA0 RA1 置 1 时只需悬空 不可接 高电平 2 MC 2 的鉴相输出经过滤波后的直流电平为 2V 至 3V 之间 可以控制 MC1648 但是电压变化 范围太小 能控的频点有限 因此必须加放大器 而且 直接用滤波输出电压控制 MC1648 将很难调整 到 MC 2 能锁定的几个频点 图 3 中 U2 是放大器 直接把滤波后的电压接入放大器 可能由于输入阻抗 不够大 电压将跌为零 放大器没有输出 这时需要加一级跟随器进行阻抗匹配 3 放大器 U2 放大倍数的选择 由于滤波输出电压已落在控制范围内 只是变化范围比较小 放 大倍数选得太大将会超出 MC1648 的最高控制电平 从而造成 MC 2 失锁 但是太小的话 变化范围又不 够 与直接用滤波电压没什么区别 图中所选 3K 和 5K 的电位器可略微放大 九 心得体会九 心得体会 在为期两周的锁相环课程设计中 我们遇到了很多以前在课堂上没有遇到 也没有想到的问题 虽 然通过大家的努力最终解决了遇到的问题 但这也暴露了我们在理论联系实际方面的薄弱 因此今后我 们应该多动手 勤于练习 多把课堂上的知识用在实际操作中 从而发现新的问题 加深对于课堂知识 的领悟与理解 融会贯通 深层次的学习课程 通过本次课程设计让我对锁相环技术的应用有了一个比较省刻的认识 特别是其组成部分以及工作 9 原理 锁相环的制作涉及到电感的制作 而电感几乎成了所有同学的难题 其他的电路检查了好多次都 是正确的 就是看不到输出正确的波形 此时我们通过手捏电感却能得到意想不到的效果 所以在此建 议在本课程设计中使用受外界干扰较小的 且比较精密的电感 也从另一个方面说明了锁相环路是一个 高精度的电路 它的锁定条件比较苛刻 所以在以后的制作中一定要注意压控振荡器启振电感的影响 也深刻的体会到学习及实际操作中要特别细心 不能有一丝一毫的马虎 我们学习的课程知识都是 很严密的 不能有一点差错 如果不仔细就会出错 这一点也体现在我们的课程设计中 这次课程设计 中所反映出来的问题教育我们 要培养认真严谨的科学研究态度 在科学事业上要严肃的对待每一个问 题 对任何事物都要认真不能觉得简单就不认真对待它 这次课程设计中所体现出来的问题 使我们意识到了自己的不足 我们应该一方面在学校组织的实 践