锁相环CD4046设计频率合成器

1、目录一、设计和制作任务3二、主要技术指标3三、确定电路组成方案3四、设计方法4一、振荡源的设计4二、N分频的设计4三、1KHZB准信号源设计即M分频的设计5五、锁相环参数设计6六、电路板制作7七、调试步骤8八、实验小结8九、心得体会9十、参考文献9附录：各芯片的管脚图10锁相环CD4046设计频率合成器内容摘要：频率合成是以一个或少量的高准确度和高稳定度的标准频率作为参考频率,由此导出多个或大量的输出频率,这些输出的准确度与稳定度与参考频率是一致的.在通信、雷达、测控、仪器表等电子系统中有广泛的应用,频率合成器有直接式频率合成器、直接数字式频率合成器及锁相频率合成器三种根本模式,前两种属于开环

2、系统,因此是有频率转换时间短,分辨率较高等优点,而锁相频率合成器是一种闭环系统,其频率转换时间和分辨率均不如前两种好,但其结构简单,本钱低.并且输出频率的准确度不逊色与前两种,因此采用锁相频率合成.关键词：频率合成器CD4046一、设计和制作任务1 .确定电路形式,画出电路图.2 .计算电路元件参数并选取元件.3 .组装焊接电路.4 .调试并测量电路性能.5 .写出课程设计报告书*、主要技术指标1 .频率步进1kHz2 .频率稳定度&<1KHz3 .电源电压Vcc=5V三、确定电路组成方案原理框图如下,锁相环路对稳定度的参考振动器锁定,环内申接可编程的N,从而就得到N倍参考频率的

3、稳定输出分频器,通过改变分频器的分配比晶体振荡器输出的信号频率f1,经固定分频后M分频得到基准频率fl',输入锁相环的相位比拟器(PC).锁相环的VCO输出信号经可编程分频器(N分频)后输入到PC的另一端,这两个信号进行相位比拟,当锁相环路锁定后得到：f1/M=f1'=f2/N故f2=Nf'1(f1为基准频率)当N变化时,或者N/M变化时,就可以得到一系列的输出频率f20四、设计方法Ct30PT30PRlMCD4049(一)、振荡源的设计用CMOS1非门和1M晶体组成IMHzfg荡器,如图14.图中Rf使F1工作于线性放大区.晶体的等效电感,C1、C2构成谐振回路.C1

4、、C2可利用器件的分布电容不另接.(二)、N分频的设计F1、F2、F3使用CD40499U10OK10K方案一：用一片CD401祚分频器组成2-9KHZ频率合成器.4017构成二、三,一九等分频器,将上述4017组成的分频器代入图15中的1/N分频器,就组成29KHZ频率合成器.方案二：单片CD452额率合成器构成1-9kHz变化.CD4522g可预置数的二一制1/N减计数器.具引脚见附录.其中D1-D4是预置端,Q1-Q4是计数器输出端,其余限制端的功能如PE(3)=1时,D1D4值置进计数器EN(4)=0,且CP(6)时,计数器(Q1-Q4)减计数；CF(13)=1且计数器(Q1-Q4减至

5、I0时,QC(12)=1Cr(10)=1时,计数器清零.单片4522分频器,拨盘开关为BC那么开关,如当数据窗口显示3时那么A和1,2相连；当显示5时,那么A和14相连,其余类推.4个100K电阻用来保证当拨盘开关为某脚不和A相连,也就是悬空时,为低电平.工作过程是这样的：设拨盘开关拨到N,当某时刻PE(3)=1,那么N置到IC内的计数器中,下一个CP来时,计数器减计数变为N-1,一直到第N个CP来时,计数器为00这时由于CF(13)=1,所以QC(12)=1,也即PE(3)=1又恢复到开始状态,开始一个新的循环.很显然,每来个N个CPQC12就会出现一个高电平,也就是QC12应是CP的N分频

6、信号用改图电路代替上图中4017局部,组成19KHz频率合成器方案三：用三片4522组成1999HHZ®率合成器如下列图,最终应做到拨盘开关的数值是多少,VCC输出信号的频率就是多少KH乙999HH函率合成器图31方案比拟：虽然三个方案都能实现频率合成器,方案一和方案二差不多,原理简单,结构清楚,但是最终频率只能实现1-9kHz,而方案三虽然原理和结构上都比拟复杂,但是可以到达1-999KHz的频率变化,所以选择方案三.1M输入三、1KHZB准信号源设计即根据4518的输出波形图,可以看出4518包含二分频、四分频、十分频,用二片CD4518共4个计数器组成一个1000分频器,也就是

7、三个十分频器,这样就可把1MHz勺晶振信号变10KnrM分频的设计2344««CD4518成1KHz的标准信号.如下列图所示：1612114KtTfO_M1CP2cpCD45I82R1CP2CP2R%1kHzfiIkHi"k输出】510kHz通过前面的分析可以得到总体的设计电路图如下:基准频率产生CD4049JA9ji30Pg30P100kHz162U4Ten约41CPCD45182cpfi1kHzfiIkHi14输入信知100kl1310kHz15比拟信号相拉比拟器VCD161输出1电号CD40461Il126710k1/HF2cp5r小R100kx41DDCF

8、PEENQ4cpCD4522111*KDP：3DP2DP】D囿k13T41641616134cp,QcRCD4522I%tl10VDD而Q4cpVrt)DENFCD4522IIPEDP3DP2DPIDPP%12110PE1411|6:14112_1a-a,弦g-R1工100kx417sA4百位)I1拨1(0001)1I分频器小N2I1n比13发16100kx4r-CJ-CD-D-a-8SA式十位)拨7(0111)SA1(个位)拨5(0101)五、锁相环参数设计本设计中,M固定,N可变.基准频率f'1定为IKHz,改变N值,使N=1999那么可产生f2=1KHz999KHz的频率范围.锁

9、相环锁存范围：fmax=1M1.1MHzfmin=1001KHz那么fmax/fmin=1K11K使用相位比拟器PC21)假设R2w0°,那么由fmax/fmin=1K-11K由右图大概确定R2/R1的值约为(1-10)K选定R1=10©,可得R2=(100-500)KQ.NPISIfMAKrfMIN"3R之田已fMAXWHENVCOify=VDD.一fMINWHENVCO|jj-V3STypicalFr«qu«ncynClforR2=ink£p,woidiand1Mu有HruMwnm豆104IIJTIiC-»1浦Cl-VC

10、OTIMINGCAPACITDRLF)FICURE*.选止Vdd=5-10v,参照右图与fmin=1001kHz可求出C1=2*10-4uF2)假设R2=o°,由fo=fmax/2=500KHz,参照图5并选定Vdd=510V,可得C1=1.5*10-42*10-4uF又2fc=fmax+fmin=(1000.11001)kHz,2fl=fmax-fmin=(999999.9)kHz,12fc之一7TTypicalPerformanceCharacteristicsTyplCilCtrtltrFrtq(jncvsC1roRi-10kRiaokfl»nd1Mfi而10i耐10

11、31DZid1i1Q-5id-3to-210-1110to2Cl-VCOTIMINGCAPACITOR(yf)FIQURE5.T1=R3*C2最终算出令R3=10KQ,贝UC2=31.8pFR3*C2=2兀*fl/(2兀fc)2=0.318uF六、电路板制作在制作电路板之前,要先对整个电路结构及其在万用板的布局进行分析,然后画出实际的布线图.在焊电路板之前,应该要做一些准备工作,把各个元器件和工具都准备好,很重要的一点就是要选择一块比拟新的万用板,这样在焊接过程中比拟好焊,容易使锡粘到铜圈上.由于要产生1KHz-999KHz的较高频率,所以在焊接电路时要尽量使各个器件都贴在万用板上,减小各个器

12、件的引脚,从而降低对电路的影响.为了使整个电路在外观上更加的美观和稳定,所以在焊接时全部用锡来作为导线连接,如果稍微连错的话就不好改,所以在焊接时要非常的认真.焊接结果如下列图所示：七、调试步骤1、接上电源后,测试晶振产生的频率f0和经过各次分频后的频率fi晶振产生的频率f0(Hz)第一次十分频f1(Hz)第二次十分频f2(Hz)第三次十分频f3(Hz)1.010M101.2K10.10K1.010K2、把开关往左拨,即断开4046与4522的连接,测试4046本身的振动频率4046本身的振动频率f(MHz1.515MHz3、拨动拨码盘,测输出频率拨码盘输出频率f(Hz)4046(3)脚频率f

13、(Hz)输出波形1976Hz1.012K1010.04K1.012K100101.0K1.012K300301.2K1.012K900909.1K检测/、到9991.01M检测/、到八、实验小结在做实验过程中碰到一下几个问题:1、开始时,输出一直没有信号首先我先检查了振荡源,M分频,N分频及锁相环模块,先确定是那个模块出了问题.检查结果发现振荡源不起振,经过认真检查了电路,后来发现原来是自己没有认真阅读芯片资料,CD4049的电源是接1脚的,而我把电源给接16脚2、振荡源起振后,输出仍然没有信号1)检查M分频,用示波器观察4518各级分频器的输出信号,输出结果为1KHz,显然M分频模块正常工作

14、.2)检查锁相环局部,断开4046的鉴相器输入端(3)脚和4522的连线,让4046的3、4脚短接,即不分频.4046的14脚输入几KHz几百KHz的CMO胎号,4046的4脚输出信号能跟踪14脚输入信号,所以锁相部分也正常.3检查N分频,用函发源直接给4522的输入端输入100kHz信号,把拨码盘拨为100,观察输出信号是否为IKHz,结果发现没有输出信号,可以判断问题是出在N分频局部,然后搭成单级电路的方法检查每片4522是否正常,再接成级联的,拨盘开关置为100多,用示波器可以观察到分频器的输入、输出波形.3、输出波形不是方波当输入频率较小时,输出是一个比拟好的方波信号,如果输出频率到达

15、400KHz以上时,就会发现输出信号的边沿不够陡峭,为了解决这个问题,我在输出端在接了一个斯密特触发器74HC14起到整形的效果.4、当频率到700KHz以上时,发现频率偏差范围就比拟大,为了使能够调节,我通过一个定值电阻和电位器来作为锁相环的R1和R25、为什么当频率为900KHz以上时,4046的3引脚频率不能测到1KHN我想原因应该有多种可能,一种是可能锁相环的锁定范围不能到达900KHz但是4脚的输出频率为909.1KHz,从这个可以看出应该还是在锁相环的锁定范围的；另一种可能就是N分频的问题,当输入为100分频时,3脚可以测出1.012KHz,但是占空比已经是非常小的了,从示波器上只

16、能看到一条线,当输入为900时,3脚信号的占空比更小了,示波器可能测不出来.九、心得体会通过本次实验,使自己对锁相环的工作原理及其应用有了较深的理解,锁相环应用愈广,锁相环是在无线电发射中使频率较为稳定的一种方法.例如为相干解调提取参考载波、建立位同步等,也可以用于改善电视接收机的行同步和帧同步,以提升抗干扰水平.很重要的一点是,通过实验提升了发现问题,运用理论知识解决实际问题的水平.通过调试来发现自己的错误并分析及排除这些故障,结合自己在实验过程中碰到的问题,我觉得在调试过程中应该注意以下几点：A、调试时应该分模块进行调试,每个模块都测试成功之后再测试整体,这样可以更好的检查出问题所在.就比方这次实验,刚开始时,晶振不起振,这时我就用函发直接输入一个1MHz的频率作为频率源,检测M分频的输出是否正常,同样的做法来判断N分频是否正常.B、要学会从检测结果中分析出是那些出来问题.比方在检测M分频过