简易频率合成器

简易频率合成器一、技术指标1、 输出信号的频率范围：lkHz-99kHz2、 步进频率：1Khz3、 输出电平为方波二、设计原理总体设计原理的框图与描述1、CD4046锁相环电路设计(1)、锁相环基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)三部分组成，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较器，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。

⑵、鉴相器(PD)鉴相器主要由放大整形电路和相位比较器组成。比较器I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，输出端信号U屮为高电平；反之，Ui、Uo电平状态相同时，U屮输出为低电平。当Ui、Uo的相位差厶屮在0°-180°范围内变化时，U屮的脉冲宽度m亦随之改变，即占空比亦在改变。对相位比较器I,它要求Ui、Uo的占空比均为50%(即方波)，这样才能使锁定范围为最大。相位比较器II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II的两个输人信号之间保持0°相移。 图1鉴相器、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VC0,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、低通滤波器环路滤波器(LF)是一个线性低通滤波器，用来滤除误差电压ud(t)中的高频分量和噪声，更重要的是它对环路参数调整起到决定性作用。环路滤波器由线性原件电阻、电容、和运算放大器组成。它是一个线性系统、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：碍&)=人如［呼+耳⑴］ %(f)=卩阪匚珂％£+%(◎］式中的30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。则模拟乘法器的输出电压uD为：%=庄碍(加应)=疋人/伽如［呼+q(切匚珂现云+妬⑴］

=|EQ血sin［哄+Q(f)+由也+恥)］七冶皿帅｛:［廻f+耳⑵］—⑷忆+址⑴］｝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：= 3gsin｛［呼+$(£)］—［如+吒⑷］｝=%帅｛(少：一珂)』+［$(◎—竝⑵］｝式中的3i为输入信号的瞬时振荡角频率，0i(t)和0O(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:即则，瞬时相位差0即则，瞬时相位差0d为8(f)=J+為氐=(4一矶”+炖$)-轨(0对两边求微分，可得频差的关系式为肌二氐=(4一矶”+炖$)-轨(0对两边求微分，可得频差的关系式为肌二改爲—吒"*乳疑C)-現&)］dt dtdt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3u以30为中心，随输入信号电压uc(t)的变化而变化。该特性的表达式为叫C叫C)=%+%%&性图2压控振荡器压控特上式说明当uc(t)随时间而变时，压控振荡器的振荡频率3u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30=3i的状态不变。2、基准信号设计这次设计采用555芯片提供1Khz的基准信号。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4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来不及充电，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充二（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，则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5。

图5555多谐振荡器输出波形3、分频电路设计r~FPU374HC101<TEXT>V V2S3IN山dN山oo^ss8z00r~FPU374HC101<TEXT>V V2S3IN山dN山oo^ss8z00strzS3IN山dN山oo^ssss8z00s174HC101U4DJPSW£TEXT>IOcoCJ二!_!图6分频电路我们使用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。4、电路原理图

«TEXTi>COMPIMVCOINPFPC1OUT8DIMPC3OUTrtxiVCOuUTCX2IMHH.1[>B.K>[iZENERR2C1..un-iF.<.TEXT^U5:A-2s口aI」3..7.+H£lEiU4.■■=TEXT^.■TITI7+HC«TEXTi>COMPIMVCOINPFPC1OUT8DIMPC3OUTrtxiVCOuUTCX2IMHH.1[>B.K>[iZENERR2C1..un-iF.<.TEXT^U5:A-2s口aI」3..7.+H£lEiU4.■■=TEXT^.■TITI7+HC口卜•=T-EXT^°-ss31OA山OSss>no叫UII1J山OQK口口口1=1口三、电路焊接与调测1、元件清单元件名称数量NE5551CD4046174LS16028p插座114p插座116p插座310k五脚排阻210nf电容110k可调电阻3

10k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22、调试过程1）、压控振荡器调试与波形2）、鉴相器调试与波形TypicalWaveformsSIGNALIN{:DMPAKATOHINFHA^ECDMPI[>UiPHAjEtONtPAHAfOHSIGNALIN{:DMPAKATOHINFHA^ECDMPI[>UiPHAjEtONtPAHAfOHI豐丁LTLTLTLVCO|K(LOWPASSFILTEHOUTPUT1FIGURES.TypicalWa^&fornnEmployingPhasaComparatorIInLockedConditionPHASECOUPARATORII从图中可以见到相位比较器1输出波形为输入波形幅度异或的关系7nnvon- r~Vql 1l_JL跖Uuvol Ju 咖 SlCHAlIKCOUPAHATOnINPHASEPULSESPHASECOMPIIIOUT(LDWPASSFfLTEROUTPUT)FIGURE4,TypicalWaveformEmployingPhaseComparatorIIInLockedCondition从图中可以见到，当输人