通电最终final报告

1、通信电子线路课程项目实施题目(选题号)：锁相频率器的设计和制作(C)组号：7任课教师：组长：1312457220%成员：13124564奕20%成员：1312454820%成员：1312455020%成员：1312455220%：二一五年五月十九日一、项目要求：采用集成CD4046 和可预制数分频器等制作一个锁相频率器电路。二、设计要求：1、输出频率范围：100KHz-300kHz2、频率间隔： 10kHz3、输出频率点数： 21 个4、频率稳定度：10-55、输出信号：或正弦波三、设计：原理框图（图 1）如下，锁相环路对稳定度的参考振动器锁定，环内串接可编程的分频器，通过改变分频器的分配比N

2、，从而就得到N 倍参考频率的稳定输出。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 f2，输入锁相环的相位比较器（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较，当锁相环路锁定后得到：f1/M=f2=f3/N=f4故 f3=Nf2(f2 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 f3。图 1 原理框图N 分频(f4)相位比较器压控振荡器(f3)M 分频(f2)1M 晶振（f1）低通滤波器（一）、标准信号源的设计：采用 CMOS CD4049:六反相缓冲器转换器和 1M 晶振以

3、及电容电阻组成 1MHz 振荡器。工作原理：1M 晶振等效为电感，与 C1，C2 组成电容三点式振荡电路；非门和 R1 实现一个 NPN 的三极管。5404 非门必需要一个电阻，不然它处于饱和截止区，而不是放大区，R1 相当于三极管的偏置作用，让 5404 处于放大区域，那么 5404 就是一个反相器，这个就实现了 NPN 三极管的作用，NPN 三极管在共发射极接法时也是一个反相器。如下图所示：一个正弦振荡电路要振荡的条件，起振系统放大倍数大于 1，这个容易实现，相位满足 2n，与晶振振荡频率相同的很小的振荡就被放大了。接下来主要讲解这个相位问题： 5404 因为是反相器，也就是说实现了 18

4、0移相，那么就需要 C1，C2 和 Y1 实现 180移相就可以，而当 C1，C2，Y1 形成谐振时，能够实现 180 移相。所得波形：（二）、M 分频的设计:本次课程设计采用的是 1M 的晶振，最终需要的是 10KHZ 的标准信号，因此中间需要设计个 100 分频的分频器，即 M=100.CD4518 是一个双 BCD 同步加计数器，由两个相同的同步 4 级计数器组成。CD4518 引脚功能(如上图)：1CP、2CP：时钟输入端。 1CR、2CR：清除端。 1EN、2EN：计数允许控制端。 1Q11Q4：计数器输出端。 2Q12Q4：计数器输出端。Vdd：正电源。Vss：地。该 CD4518

5、 计数器是单路系列脉冲输入（1 脚或 2 脚；9脚或 10 脚），4 路 BCD 码信号输出（3 脚6 脚；11脚14脚）。CD4518 控制功能：CD4518 有两个时钟输入端 CP 和 EN,若用时钟上升沿触发,信号由 CP 输入,此时EN 端为（1）,若用时钟下降沿触发,信号由 EN 输入,此时 CP 端为低吨平（0）,同时复位端 Reset 也保持低电平（0）,只有满足了这些条件时,电路才会处于计数状态.否则没办法工作。每单个单元有两个时钟输入端 CLK 和 EN，可用时钟脉冲的上升沿或下降沿触发。CD4518 工作方式：采用并行进位方式，只要输入一个时钟脉冲，计数单元Q1 翻转一次；

6、当 Q1 为 1，Q4 为 0 时，每输入一个时钟脉冲，计数单元 Q2 翻转一次；当Q1=Q2=1 时，每输入一个时钟脉冲Q3 翻转一次；当Q1=Q2=Q3=1 或Q1=Q4=1时，每输入一个时钟脉冲 Q4 翻转一次。这样从初始状态（“0”态）开始计数，每输入 10 个时钟脉冲，计数单元便自动恢复到“0”态。分析实验原理图：按上图所连接,因为 1MHZ 从CP 端输入，reset1 脚接地，EN=0,则 1QA4QA采用的是上升沿触发的;因为 2CP 接地，reset2 脚接地，EN2 接 1Q4,则 1QB4QB采用的是下升沿触发的：分析可知，1Mhz 的信号由 CP1 接入，1QA4QA

7、进行着周期为 T=10Tcp 的循环加法计数，Q4A 由 CP2 接入，每 T=10Tcp 有一个下降沿，1QB4QB 进行着周期为 10T 的循环加法计数，计数规律如上图所示。这样就可把 1MHz 的晶振信号变成 10KHz 的标准信号。所得波形：Q 时钟脉冲Q4Q3Q2Q110000200050100601091000101001110000（三）、N 分频的设计根据本次项目的要求，需设计一个 N=10-30 的分频计。: ：CD4522 是可预置 BCD 同步 1/N 减计数器。其引脚见上图。其中 ABCD 是预置端，Q0Q3 是计数器输出端，其余控制端的功能如下：一旦 PE（3）=1

8、时，A/B/C/D 值置进计数器;当使能端（四）、锁相环的设计:如图是 CD4046电原理框图，主要由相位比较、压控振荡器3000100104000100000001001十位 CLK（6）；个位 CF（13）=0000011190000011010000001011100000100120000001113000000101400000001(15)瞬间态00000000个位十位 PE(3)=11500010101置数（VCO）、线性放大器、源跟随器、整形电路等部分。比较器采用异或门结构，当两个输人端信号 Ui、Uo 的电平状态相异时（即一个，一个为低电平），输出端信号U为；反之，Ui、Uo

9、 电平状态相同时（即两个均为高，或均为低电平），U输出为低电平。当 Ui、Uo 的相位差在 0-180范围内变化时，U的脉冲宽度 m 亦随之改变，即占空比亦在改变。从比较器的输入和输出信号的波形（如图 3-6 所示）可知，其输出信号的频率等于输入信号频率的两倍，并且与两个输入信号之间的中心频率保持 90相移。从图中还可知，fout 不一定是对称波形。对相位比较器，它要求 Ui、Uo 的占空比均为50（即），这样才能使锁定范围为最大。CD4046框图图 3-6 输入输出波形相位比较器是一个由信号的上升沿控制的数字网络。它对输入信号占空比的要求不高，允许输入非对称波形，它具有很宽的捕捉频率范围，而

10、且不会锁定在输入信号的谐波。它提供数字误差信号和锁定信号（相位脉冲）两种输出，当达到锁定时，在相位比较器的两个输人信号之间保持 0相移。对相位比较器而言，当 14 脚的输入信号比 3 脚的比较信号频率低时，输出为逻 辑“0”；反之则输出逻辑“1”。如果两信号的频率相同而相位不同，当输人信号的相位滞后于比较信号时，相位比较器输出的为正脉冲，当相位超前时则输出为负脉冲。在这两种情况下，从 1 脚都有与上述正、负脉冲宽度相同的负脉冲产生。从相位比较器输出的正、负脉冲的宽度均等于两个输入脉冲上升沿之间的相位差。而当两个输入脉冲的频率和相位均相同时，相位比较器的输出为高阻态，则 1 脚输出。上述波形如图

11、 5 所示。由此可见，从 1 脚输出信号是负脉冲还是固定就可以判断两个输入信号的情况了CD4046 锁相环采用的是 RC 型压控振荡器，必须外接电容 C1 和电阻R1 作为充放电元件。当 PLL 对的输入信号的频率宽度有要求时还需要外接电阻 R2。由于 VCO 是一个电流控制振荡器，对定时电容 C1 的充电电流与从 9 脚输入的控制电压成正比，使 VCO 的振荡频率亦正比于该控制电压。当 VCO 控制电压为 0时，其输出频率最低；当输入控制电压等于电源电压 VDD 时，输出频率则线性地增大到最高输出频率。VCO 振荡频率的范围由 R1、R2 和 C1 决定。由于它的充电和放电都由同一个电容 C

12、1 完成，故它的输出波形是对称。压控振荡器的输出波形是 50%的。一般规定 CD4046 的最高频率为 1.2MHz(VDD=15V），若VDD15V，则 fmax 要降低一些。CD4046还有线性放大器和整形电路，可将 14 脚输入的 100mV 左右的微弱输入信号变成或脉冲信号送至两相位比较器。源是增益为 1 的放大器，VCO 的输出电压经源至 10 脚作 FM 解调用。二极管可单独使用，其稳压值为 5V，若与 TTL 电路匹配时，可用作辅助电源。所以这次的 CD4046 工作原理如下：输入信号 Ui 从 14 脚输入后，经放大器 A1 进行放大、整形后加到相位比较器、的输入端，开关 K

13、拨至 2 脚，则比较器将从 3 脚输入的比较信号Uo 与输入信号 Ui 作相位比较，从相位比较器输出的误差电压 U则反映出两者的相位差。U经 R3、R4 及 C2 滤波后得到一控制电压 Ud 加至压控振荡器 VCO 的输入端 9 脚，调整 VCO 的振荡频率 f3，使f3 迅速近信号频率 f2。VCO 的输出又经除法器 f4=f3/N 再进入相位比较器，继续与 Ui 进行相位比较，最后使得 f2f4，两者的相位差为一定值，实现了相位锁定。最后当N=30时，波形图为：（五）、锁相频率器电路图BCD 码值与频率对应表：（之后最高锁在 330k）四、 实验过程中遇到以及解决方法在这次的锁相环制作中，

14、通过各个元器件分开组合调试，第一个振荡器调试结果成功产生 1MHz 的，经过 100 分频出现 10KHz 的。但是经过 N分频无论如何都产生 300KHz 的，于是首先怀疑坏了，去换了新的，但是还是没有成功于是决定单独测试N 分频，果然输入单个进入，输出并没有得到分频，反而频率更大了。于是单独只做一片 CD4522 的分频，刚开始加的是正弦波，并出不来，后面经提示，加入了，成功出来了正弦波，于是确定这一片是正确的，于是两片级联，输出的波形没能得到分频，并且十分不稳定，于是发现可能是因为没加 4 个 100K 的电阻的原因，焊上了电阻然能分频了，但是仍然不能按照 8421 顺序分频，经排查，有的引脚没按 8421 顺序焊接，经过改进成功输出 N 分频，接入到 CD4046 后，发现还是出来。后面晚上回去重新检查了一遍后，发现 3；4 号引脚接反了，导致错误，重新焊完后，第二天调试成功！最终达到的状态是，能成功锁相在100K 到 328K。五、 实验元器件六、 实验分工：电路板焊接，线路图