鎖相環(huán)cd4046設(shè)計(jì)頻率合成器課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、<p>　　基于鎖相環(huán)的頻率合成器</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p>　　學(xué) 院： </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學(xué) 號(hào)

2、： </p><p>　　班 級(jí)： </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　設(shè)計(jì)和制作任務(wù)……………………………………………3</p><p>　　二、主要技術(shù)指標(biāo) ……………………………………………3</p>

3、<p>　　三、確定電路組成方案 …………………………………………3</p><p>　　四、設(shè)計(jì)方法 ……………………………………………………4</p><p>　?。ㄒ唬?、振蕩源的設(shè)計(jì) ………………………………………………………………4</p><p>　?。ǘ?、N分頻的設(shè)計(jì) ………………………………………………………………4</p>

4、<p>　?。ㄈ?KHZ標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源設(shè)計(jì)（即M分頻的設(shè)計(jì)） …………………………5</p><p>　　五、鎖相環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)…………………………………………………………………6</p><p>　　六、調(diào)試步驟……………………………………………………………………………7</p><p>　　七、實(shí)驗(yàn)小結(jié)…………………………………………………………………

5、…………8</p><p>　　八、電路板制作………………………………………………………………………8</p><p>　　九、心得體會(huì)……………………………………………………………………………9</p><p>　　附錄：各芯片的管腳圖……………………………………………………………10</p><p>　　鎖相環(huán)CD4046設(shè)計(jì)頻率合成器&

6、lt;/p><p><b>　　內(nèi)容摘要：</b></p><p>　　頻率合成是以一個(gè)或少量的高準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)頻率作為參考頻率，由此導(dǎo)出多個(gè)或大量的輸出頻率，這些輸出的準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度與參考頻率是一致的。在通信、雷達(dá)、測(cè)控、儀器表等電子系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用，</p><p>　　頻率合成器有直接式頻率合成器、直接數(shù)字式頻率合成器及鎖相頻率合成

7、器三種基本模式，前兩種屬于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，因此是有頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，分辨率較高等優(yōu)點(diǎn)，而鎖相頻率合成器是一種閉環(huán)系統(tǒng)，其頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間和分辨率均不如前兩種好，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。并且輸出頻率的準(zhǔn)確度不遜色與前兩種，因此采用鎖相頻率合成。</p><p>　　關(guān)鍵詞：頻率合成器 CD4046</p><p><b>　　設(shè)計(jì)和制作任務(wù)</b></p><

8、p>　　確定電路形式，畫(huà)出電路圖。</p><p>　　計(jì)算電路元件參數(shù)并選取元件。</p><p><b>　　組裝焊接電路。</b></p><p>　　調(diào)試并測(cè)量電路性能。</p><p><b>　　寫(xiě)出課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)</b></p><p><b>

9、　　二、主要技術(shù)指標(biāo)</b></p><p>　　1．頻率步進(jìn) 1kHz</p><p>　　2．頻率穩(wěn)定度 ≤1KHz</p><p>　　3． 電源電壓 Vcc=5V</p><p>　　三、確定電路組成方案</p><p>　　原理框圖如下，鎖相環(huán)路對(duì)穩(wěn)定度的參考振動(dòng)器鎖定，環(huán)內(nèi)串接可編程的分

10、頻器，通過(guò)改變分頻器的分配比N，從而就得到N倍參考頻率的穩(wěn)定輸出。晶體振蕩器輸出的信號(hào)頻率f1，經(jīng)固定分頻后（M分頻）得到基準(zhǔn)頻率f1’，輸入鎖相環(huán)的相位比較器（PC）。鎖相環(huán)的VCO輸出信號(hào)經(jīng)可編程分頻器（N分頻）后輸入到PC的另一端，這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行相位比較，當(dāng)鎖相環(huán)路鎖定后得到：</p><p>　　f1/M=f1’=f2/N 故 f2=Nf’1 (f’1為基準(zhǔn)頻率)</p>

11、;<p>　　當(dāng)N變化時(shí)，或者N/M變化時(shí)，就可以得到一系列的輸出頻率f2。</p><p><b>　　四、設(shè)計(jì)方法</b></p><p>　?。ㄒ唬?、振蕩源的設(shè)計(jì)</p><p>　　用CMOS與非門(mén)和1M晶體組成</p><p>　　1MHz振蕩器，如圖14。圖中Rf 使</p>&l

12、t;p>　　F1工作于線性放大區(qū)。晶體的等效</p><p>　　電感，C1、C2構(gòu)成諧振回路。C1、</p><p>　　C2可利用器件的分布電容不另接。</p><p>　　F1、F2、F3使用CD4049。</p><p>　?。ǘ分頻的設(shè)計(jì)</p><p>　　方案一：用一片CD4017作分頻器組成

13、2-9KHZ頻率合成器。</p><p>　　4017構(gòu)成二、三，┅九等分頻器，將上述4017組成的分頻器代入圖15中的1/N分頻器，就組成2——9KHZ頻率合成器。</p><p>　　方案二：?jiǎn)纹珻D4522頻率合成器構(gòu)成1-9kHz變化。</p><p>　　CD4522是可預(yù)置數(shù)的二一十進(jìn)制1/N減計(jì)數(shù)器。其引腳見(jiàn)附錄。其中D1-D4是預(yù)置端，Q1—Q4是計(jì)

14、數(shù)器輸出端，其余控制端的功能如下：</p><p>　　PE（3）=1時(shí)，D1—D4值置進(jìn)計(jì)數(shù)器EN（4）=0，且CP（6）時(shí)，計(jì)數(shù)器（Q1—Q4）減計(jì)數(shù)；CF（13）=1且計(jì)數(shù)器（Q1—Q4）減到0時(shí)，QC(12)=1 </p><p>　　Cr(10) =1時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。 </p><p>　　單片4522分頻

15、器，撥盤(pán)開(kāi)關(guān)為BCD碼開(kāi)關(guān)，如當(dāng)數(shù)據(jù)窗口顯示3時(shí)則A和1，2相連；當(dāng)顯示5時(shí)，則A和14相連，其余類(lèi)推。4個(gè)100K電阻用來(lái)保證當(dāng)撥盤(pán)開(kāi)關(guān)為某腳不</p><p>　　和A相連，也就是懸空時(shí)，為低電平。工作過(guò)程是這樣的：設(shè)撥盤(pán)開(kāi)關(guān)撥到N，當(dāng)某時(shí)刻PE（3）=1， </p><p>　　則N置到IC內(nèi)的計(jì)數(shù)器中，下一個(gè)CP來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)變?yōu)镹-1，……，一直到第N個(gè)CP來(lái)時(shí)

16、，計(jì)數(shù)器為0。這時(shí)由于CF（13）=1，所以QC（12）=1，也即PE（3）=1又恢復(fù)到開(kāi)始狀態(tài)，開(kāi)始一個(gè)新的循環(huán)。很顯然，每來(lái)個(gè)N個(gè)CP，QC（12）就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)高電平，也就是QC（12）應(yīng)是CP的N分頻信號(hào)。用改圖電路代替上圖中4017部分，組成1－9KHz頻率合成器</p><p>　　方案三：用三片4522組成1——999HHZ頻率合成器</p><p>　　如下圖，最終應(yīng)做到撥盤(pán)

17、開(kāi)關(guān)的數(shù)值是多少，VCO輸出信號(hào)的頻率就是多少KHz。</p><p>　　圖3 1——999HHZ頻率合成器</p><p><b>　　方案比較：</b></p><p>　　雖然三個(gè)方案都能實(shí)現(xiàn)頻率合成器，方案一和方案二差不多，原理簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)清晰，但是最終頻率只能實(shí)現(xiàn)1-9kHz，而方案三雖然原理和結(jié)構(gòu)上都比較復(fù)雜，但是可以達(dá)到1-9

18、99KHz的頻率變化，所以選擇方案三。</p><p>　?。ㄈ?、1KHZ標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源設(shè)計(jì)（即M分頻的設(shè)計(jì)）</p><p>　　根據(jù)4518的輸出波形圖，可以看出4518包含二分頻、四分頻、十分頻，用二片CD4518（共4個(gè)計(jì)數(shù)器）組成一個(gè)1000分頻器，也就是三個(gè)十分頻器，這樣就可把1MHz的晶振信號(hào)變成1KHz的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。如下圖所示：</p><p>　　通過(guò)

19、前面的分析可以得到總體的設(shè)計(jì)電路圖如下：</p><p><b>　　五、鎖相環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)中，M固定，N可變?；鶞?zhǔn)頻率f’1定為1KHz，改變N值，使N=1~999，則可產(chǎn)生f2=1KHz—999KHz的頻率范圍。鎖相環(huán)鎖存范圍：</p><p>　　fmax=1M~1.1MHz</p><

20、p>　　fmin=100~1KHz</p><p>　　則fmax/fmin=1K~11K</p><p>　　使用相位比較器PC2</p><p>　　若R2≠∞，則由fmax/fmin=1K-11K</p><p>　　由右圖大概確定R2/R1的值約為（1-10）K</p><p>　　選定R1=10KΩ,可

21、得R2=（100-500）KΩ。</p><p>　　選定Vdd=5-10v,參照右圖與fmin=100~1kHz可求出</p><p>　　C1=2*10-4uF</p><p>　　若R2=∞，由fo=fmax/2=500KHz,參照?qǐng)D5并選定Vdd=5~10v，可得C1=1.5*10-4~2*10-4uF</p><p>　　又 2fc

22、=fmax+fmin=(1000.1~1001)kHz,</p><p>　　2fl=fmax-fmin=(999~999.9)kHz,</p><p>　　T1=R3*C2 最終算出</p><p>　　R3*C2=2π*fl/(2πfc)2 =0.318uF </p><p>　　令R3=10KΩ，則C2≈31.8pF</p

23、><p><b>　　六、調(diào)試步驟</b></p><p>　　1、接上電源后，測(cè)試晶振產(chǎn)生的頻率f0和經(jīng)過(guò)各次分頻后的頻率fi。</p><p>　　2、把開(kāi)關(guān)往左撥，即斷開(kāi)4046與4522的連接，測(cè)試4046本身的振動(dòng)頻率</p><p>　　3、撥動(dòng)撥碼盤(pán)，測(cè)輸出頻率</p><p><

24、b>　　七、實(shí)驗(yàn)小結(jié)</b></p><p>　　在做實(shí)驗(yàn)過(guò)程中碰到一下幾個(gè)問(wèn)題：</p><p>　　開(kāi)始時(shí)，輸出一直沒(méi)有信號(hào)</p><p>　　首先我先檢查了振蕩源，M分頻，N分頻及鎖相環(huán)模塊，先確定是那個(gè)模塊出了問(wèn)題。檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)振蕩源不起振，經(jīng)過(guò)認(rèn)真檢查了電路，后來(lái)發(fā)現(xiàn)原來(lái)是自己沒(méi)有認(rèn)真閱讀芯片資料，CD4049的電源是接1腳的，而我把電

25、源給接16腳了。</p><p>　　2、振蕩源起振后，輸出仍然沒(méi)有信號(hào)</p><p>　　1）檢查M分頻，用示波器觀察4518各級(jí)分頻器的輸出信號(hào)，輸出結(jié)果為1KHz，顯然M分頻模塊正常工作。</p><p>　　2）檢查鎖相環(huán)部分，斷開(kāi)4046的鑒相器輸入端（3）腳和4522的連線，讓4046的（3）、（4）腳短接，即不分頻。4046的（14）腳輸入幾KHz～

26、幾百KHz的CMOS信號(hào)，4046的（4）腳輸出信號(hào)能跟蹤（14）腳輸入信號(hào)，所以鎖相部分也正常。</p><p>　　3）檢查N分頻，用函發(fā)源直接給4522的輸入端輸入100kHZ信號(hào)，把撥碼盤(pán)撥為100，觀察輸出信號(hào)是否為1KHz，結(jié)果發(fā)現(xiàn)沒(méi)有輸出信號(hào)，可以判斷問(wèn)題是出在N分頻部分，然后搭成單級(jí)電路的方法檢查每片4522是否正常，再接成級(jí)聯(lián)的，撥盤(pán)開(kāi)關(guān)置為100多，用示波器可以觀察到分頻器的輸入、輸出波形。&

27、lt;/p><p>　　3、當(dāng)頻率到700KHz以上時(shí)，發(fā)現(xiàn)頻率偏差范圍就比較大，為了使能夠調(diào)節(jié)，我通過(guò)一個(gè)定值電阻和電位器來(lái)作為鎖相環(huán)的R1和R2。</p><p>　　4、為什么當(dāng)頻率為900KHz以上時(shí)，4046的3引腳頻率不能測(cè)到1KHz？</p><p>　　我想原因應(yīng)該有多種可能，一種是可能鎖相環(huán)的鎖定范圍不能達(dá)到900KHz，但是4腳的輸出頻率為909.1

28、KHz，從這個(gè)可以看出應(yīng)該還是在鎖相環(huán)的鎖定范圍的；另一種可能就是N分頻的問(wèn)題，當(dāng)輸入為100分頻時(shí)，3腳可以測(cè)出1.012KHz，但是占空比已經(jīng)是非常小的了，從示波器上只能看到一條線，當(dāng)輸入為900時(shí)，3腳信號(hào)的占空比更小了，示波器可能測(cè)不出來(lái)。</p><p>　　八、電路板制作 </p><p>　　在制作電路板之前，要先對(duì)整個(gè)電路結(jié)構(gòu)及其在萬(wàn)用板的布局進(jìn)行分析，然后畫(huà)出實(shí)際的布

29、線圖。在焊電路板之前，應(yīng)該要做一些準(zhǔn)備工作，把各個(gè)元器件和工具都準(zhǔn)備好，焊接電路時(shí)連接各芯片引腳的線盡量靠近引腳，盡量使各個(gè)器件都貼在萬(wàn)用板上，減小各個(gè)器件的引腳，從而降低對(duì)電路的影響。</p><p>　　為了使整個(gè)電路在外觀上更加的美觀和穩(wěn)定，所以在焊接時(shí)全部用錫來(lái)作為導(dǎo)線連接，在布局和連線上要格外小心，如果稍微連錯(cuò)的就會(huì)影響輸出結(jié)果，也不好改動(dòng)，，所以在焊接時(shí)要非常的認(rèn)真。</p><p

30、>　　焊接結(jié)果如下圖所示：</p><p>　　示波器輸出波形如下圖所示：</p><p><b>　　心得體會(huì)</b></p><p>　　這也許是自己做過(guò)最順利的一次課程設(shè)計(jì)，主要原因是在焊電路板之前有細(xì)心研究過(guò)排版問(wèn)題，由于這次給的焊板區(qū)分模塊少，連在一起的焊腳多，很容易就把本不該相連的線連在一起而出錯(cuò)，一出錯(cuò)就得不到結(jié)果，第一次調(diào)

31、試時(shí)，沒(méi)有得出結(jié)果，原因就是把連在4049上的C1和C2兩個(gè)電容一不小心接到了第二排第一個(gè)4522芯片的引腳上，有了這次的教訓(xùn)，我以后每焊一個(gè)模塊首先檢查是否有線漏焊，然后檢查連線是否連對(duì)，其次檢查是否與別的焊腳連接到一起。對(duì)照著原理圖從4049模塊、三個(gè)4522模塊、鎖相環(huán)模塊依次焊接在焊板上，每焊一個(gè)模塊仔細(xì)檢查一遍，這樣雖然進(jìn)度不算快，但是每個(gè)點(diǎn)都是仔細(xì)完成的，因而只調(diào)試了一次便出了結(jié)果，每一個(gè)焊腳我也是非常小心的焊，所以沒(méi)有出現(xiàn)

32、虛焊等現(xiàn)象，芯片引腳的連線盡量靠近引腳，示波器出的方波也幾乎接近理想圖像。這次的課程設(shè)計(jì)讓我的基礎(chǔ)理論知識(shí)、動(dòng)手實(shí)踐能力經(jīng)歷了一次檢驗(yàn)，暴露了自己的許多不扎實(shí)的方面，又一次讓自己知道需要變得更加細(xì)心，還有很多知識(shí)需要去學(xué)。在兩天的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，認(rèn)識(shí)到自身許多的不足，也為自己這次的努力而高興，同時(shí)非常感謝蘇老師的指導(dǎo)。</p><p>　　附錄：各芯片的管腳圖 </p><p>　　（a）4