北理工通信课程计划设计.doc
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1、|本科实验报告实验名称:锁相式数字频率合成器的设计课程名称:通信电路与系统实验时间:3 月 3 日-14 日任课教师: 实验地点:实验教师:学生姓名:实验类型: 原理验证 综合设计 自主创新学 号 /班 级 :组 号:学 院: 同组搭档:|专 业: 成 绩:锁相频率合成器的设计班级: 姓名: 评分:一、 设计任务和技术指标1. 工作频率范围:300kHz700kHz2. 电源电压:Vcc=5V3. 通过原理图确定电路,并画出电路图4. 计算元件参数选取电路元件(R1,R2,C1,R1,R2及环路滤波器的配置)5. 组装连接电路,并测试选取元件的正确性6. 调试并测量电路相关参数(测量相关频率点
2、,输出波形,频率转换时间 tc)7. 总结并撰写实验报告二、 设计方案锁相频率合成器原理锁相环(PLL)是一个相位误差控制系统,利用反馈控制原理实现频率及相位的同步技术。锁相环通过比较输入信号和压控振荡器输出频率之间的相位差,产生误差控制电压来调整压控振荡器的频率,以达到与输入信号同频。锁相环路的基本组成框图如图 1-1 所示。它由鉴相器(PD) 、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)三部分组成。其中,PD 和 LF 构成反馈控制器,而 VCO 就是它的控制对象。 ( ) u ti PD LF VCO( )u td ( )u tc ( )u to( )i ( )o|锁相环路的基本组成框图(
3、1-1)将一个或几个标准频率,经过加、减、乘、除四则运算,变成具有同稳定度和准确度的多个所需频率的技术称为频率合成技术。锁相式频率合成器,其优点是可以实现任意频率和带宽的频率合成,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方法。典型的直接式频率合成器组成框图如图 1-2 所示。它由参考振荡器、参考分频器、鉴相器(PD) 、环路滤波器(LF) 、压控振荡器(VCO)和可编程分频器等部分组成。直接式频率合成器(图 1-2)由图1-2可知,晶体振荡器的频率 经过M固定分频后得到步进参考频率 ,将if REFf信号作为鉴相器的基准与N分频器的输入进行比较,鉴相器的输出Ud正比于两路输入
4、REFf信号的相位差,Ud经过环路滤波器得到一个平均电压Uc,Uc控制压控振荡器(VCO)频率的变化,使鉴相器的两路输入信号相位差不断减小,直到鉴相器的输入为零或者某一直0f流电平,这时称为锁定。锁定后的频率为 即0/i REFfMfNf。当预置分频数N变化时,输出信号频率 随着发生变化。0(/)iREFfNMfA 0f锁相环中的滤波器时间常数据定了跟随输入信号的速度,同时也限制了锁相环的捕捉范围。三、 电路原理与设计1.CD4046锁相环工作原理CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路,其特点是电源电压范围宽(为3V18V) ,输入阻抗高(约100M),动态功耗小,在中心频率f0为10kH
5、z下功耗仅为600W,属微功耗器件。|CD4046是带有RC型VCO的锁相环路,属于低频锁相环路。采用 16 脚双列直插式,图1-3为CD4046的内部功能框图和构成锁相频率合成器时的外围元件连接图。从图中可以看出,CD4046主要由相位比较、压控振荡器(VCO) 、线性放大器、源跟随器、整形电路等部分构成。芯片内含有一个低功耗、高线性VCO,两个工作方式不同的鉴相器PDI和PDII,A1为PDI和PDII的公用输入基准信号放大器,源跟随器A2与VCO输入端相连是专门作FM解调输出之用的,此外还有一个6V左右的齐纳稳压管。CD4046的管脚排列图如图1-4。 D( )TextA1VCO A2P
6、DIPDI14416103259611278 15Vtfiuvui1133R4R2R1R5RCC( )fv1-3 CD4046 的内部功能图 1-4 CD4046 引脚图CD4046 引脚功能描述: 符号 引脚 名称功能Ph03 1 输出端(相位脉冲输出) 相位比较器 2 输出的相位差信号,为上升沿控制逻辑。环路人锁时为高电平,环路失锁时为低电平Ph11 14 相位比较器输入端(基准信号输入 ),相位比较器输入信号,输入允许将 0.1V 左右的小信号或方波信号在内部放大并再经过整形电路后,输出至相位比较器。PH12 3 相位比较器输入端(比较信号输入) 通常 PD 来自 VCO 的参考信号。P
7、H01 2 PD输出端 相位比较器 1 输出的相位差信号,它采用异或门结构,即鉴相特性为 。PH02 13 PD输出端 相位比较器的输出端,它采用,上升沿控制逻辑。VC01 9 压控振荡器的控制端。VC00 4 压控振荡器输出端INH 5 VCO 禁止端,1 有效 控制信号输入,高电平时禁止,低电平时允许压控振荡器工作。R1 11 VCO 外接电阻 R1R2 12 VCO 外接电阻 R2C1 6.7 并接振荡电容 C1,以控制 VCO 的振荡频率。|DEM0 10 解调信号输出端 15 内部独立的齐纳稳压二极管负极。2.参考振荡器工作原理参考振荡器可采用门电路(74LS 系列或 CD 系列)与
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