高頻電路實(shí)習(xí)報(bào)告

1、一、 實(shí)習(xí)名稱及選題意義實(shí)習(xí)名稱：集成鎖相環(huán)調(diào)頻、鑒頻的設(shè)計(jì)、安裝意義：1.通過(guò)高頻課程設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)，使學(xué)生加強(qiáng)對(duì)高頻電子技術(shù)電路的理解，學(xué)會(huì)查尋資料方案比較，以及設(shè)計(jì)計(jì)算等環(huán)節(jié)。進(jìn)一步提高分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力，創(chuàng)造一個(gè)動(dòng)腦動(dòng)手獨(dú)立開展電路實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，鍛煉分析解決高頻電子電路問(wèn)題的實(shí)際本領(lǐng)，真正實(shí)現(xiàn)由課本知識(shí)向?qū)嶋H能力的轉(zhuǎn)化；通過(guò)典型電路的設(shè)計(jì)與制作，加深對(duì)基本原理的了解，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力。2.（1）熟悉集成壓控振蕩器（2）熟悉集成壓控振蕩器構(gòu)成的頻率調(diào)制器的工作原理。（3）. 研究集成電路頻率調(diào)制器的電壓調(diào)制特性.。二、總體方案上午下午星期二畫圖，設(shè)計(jì)電路板刻板星期三腐蝕，鉆孔焊接星期四測(cè)試

2、測(cè)試星期五測(cè)試寫實(shí)習(xí)報(bào)告三、各部分設(shè)計(jì)與原理分析（一）鎖相環(huán) cd4046 原理及應(yīng)用鎖相的意義是相位同步的自動(dòng)控制，能夠完成兩個(gè)電信號(hào)相位同步的自動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)叫做鎖相環(huán)，簡(jiǎn)稱pll。它廣泛應(yīng)用于廣播通信、頻率合成、自動(dòng)控制及時(shí)鐘同步等技術(shù)領(lǐng)域。鎖相環(huán)主要由相位比較器（pc）、壓控振蕩器（vco）、低通濾波器三部分組成，如圖1所示。 圖 1壓控振蕩器的輸出uo接至相位比較器的一個(gè)輸入端，其輸出頻率的高低由低通濾波器上建立起來(lái)的平均電壓ud大小決定。施加于相位比較器另一個(gè)輸入端的外部輸入信號(hào)ui與來(lái)自壓控振蕩器的輸出信號(hào)uo相比較，比較結(jié)果產(chǎn)生的誤差輸出電壓u正比于ui和uo兩個(gè)信號(hào)的相位差，

3、經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除高頻分量后，得到一個(gè)平均值電壓ud。這個(gè)平均值電壓ud朝著減小co輸出頻率和輸入頻率之差的方向變化，直至vco輸出頻率和輸入信號(hào)頻率獲得一致。這時(shí)兩個(gè)信號(hào)頻率相同，兩相位差保持恒定（即同步）稱作相位鎖定。當(dāng)鎖相環(huán)入鎖時(shí)，它還具有“捕捉”信號(hào)的能力，vco可在某一范圍內(nèi)自動(dòng)跟蹤輸入信號(hào)的變化，如果輸入信號(hào)頻率在鎖相環(huán)的捕捉范圍內(nèi)發(fā)生變化，鎖相環(huán)能捕捉到輸人信號(hào)頻率，并強(qiáng)迫vco鎖定在這個(gè)頻率上。鎖相環(huán)應(yīng)用非常靈活，如果輸入信號(hào)頻率f1不等于vco輸出信號(hào)頻率f2，而要求兩者保持一定的關(guān)系，例如比例關(guān)系或差值關(guān)系，則可以在外部加入一個(gè)運(yùn)算器，以滿足不同工作的需要。 過(guò)去的鎖相環(huán)多

4、采用分立元件和模擬電路構(gòu)成，現(xiàn)在常使用集成電路的鎖相環(huán)，cd4046是通用的cmos鎖相環(huán)集成電路，其特點(diǎn)是電源電壓范圍寬（為3v18v），輸入阻抗高(約100m)，動(dòng)態(tài)功耗小，在中心頻率f0為10khz下功耗僅為600w，屬微功耗器件。圖2是cd4046的引腳排列，采用 16 腳雙列直插式，各引腳功能如下：圖 2 1腳相位輸出端，環(huán)路人鎖時(shí)為高電平，環(huán)路失鎖時(shí)為低電平。 2腳相位比較器的輸出端。 3腳比較信號(hào)輸入端。 4腳壓控振蕩器輸出端。 5腳禁止端，高電平時(shí)禁止，低電平時(shí)允許壓控振蕩器工作。 6、7腳外接振蕩電容。 8、16腳電源的負(fù)端和正端。 9腳壓控振蕩器的控制端。 10腳解調(diào)輸出端

5、，用于fm解調(diào)。 11、12腳外接振蕩電阻。 13腳相位比較器的輸出端。 14腳信號(hào)輸入端。 15腳內(nèi)部獨(dú)立的齊納穩(wěn)壓管負(fù)極。 圖3是cd4046內(nèi)部電原理框圖，主要由相位比較、壓控振蕩器（vco）、線性放大器、源跟隨器、整形電路等部分構(gòu)成。比較器采用異或門結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩個(gè)輸人端信號(hào)ui、uo的電平狀態(tài)相異時(shí)（即一個(gè)高電平，一個(gè)為低電平），輸出端信號(hào)u為高電平；反之，ui、uo電平狀態(tài)相同時(shí)（即兩個(gè)均為高，或均為低電平），u輸出為低電平。當(dāng)ui、uo的相位差在0-180范圍內(nèi)變化時(shí)，u的脈沖寬度m亦隨之改變，即占空比亦在改變。從比較器的輸入和輸出信號(hào)的波形（如圖4所示）可知，其輸出信號(hào)的頻率等于輸

6、入信號(hào)頻率的兩倍，并且與兩個(gè)輸入信號(hào)之間的中心頻率保持90相移。從圖中還可知，fout不一定是對(duì)稱波形。對(duì)相位比較器，它要求ui、uo的占空比均為50（即方波），這樣才能使鎖定范圍為最大。圖 3相位比較器是一個(gè)由信號(hào)的上升沿控制的數(shù)字存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。它對(duì)輸入信號(hào)占空比的要求不高，允許輸入非對(duì)稱波形，它具有很寬的捕捉頻率范圍，而且不會(huì)鎖定在輸入信號(hào)的諧波。它提供數(shù)字誤差信號(hào)和鎖定信號(hào)（相位脈沖）兩種輸出，當(dāng)達(dá)到鎖定時(shí)，在相位比較器的兩個(gè)輸人信號(hào)之間保持0相移。對(duì)相位比較器而言，當(dāng)14腳的輸入信號(hào)比3腳的比較信號(hào)頻率低時(shí)，輸出為邏輯“0”；反之則輸出邏輯“1”。如果兩信號(hào)的頻率相同而相位不同，當(dāng)輸人信號(hào)

7、的相位滯后于比較信號(hào)時(shí)，相位比較器輸出的為正脈沖，當(dāng)相位超前時(shí)則輸出為負(fù)脈沖。在這兩種情況下，從1腳都有與上述正、負(fù)脈沖寬度相同的負(fù)脈沖產(chǎn)生。從相位比較器輸出的正、負(fù)脈沖的寬度均等于兩個(gè)輸入脈沖上升沿之間的相位差。而當(dāng)兩個(gè)輸入脈沖的頻率和相位均相同時(shí)，相位比較器的輸出為高阻態(tài)，則1腳輸出高電平。上述波形如圖5所示。由此可見(jiàn)，從1腳輸出信號(hào)是負(fù)脈沖還是固定高電平就可以判斷兩個(gè)輸入信號(hào)的情況了。圖 5cd4046鎖相環(huán)采用的是rc型壓控振蕩器，必須外接電容c1和電阻r1作為充放電元件。當(dāng)pll對(duì)跟蹤的輸入信號(hào)的頻率寬度有要求時(shí)還需要外接電阻r2。由于vco是一個(gè)電流控制振蕩器，對(duì)定時(shí)電容c1的充電

8、電流與從9腳輸入的控制電壓成正比，使vco的振蕩頻率亦正比于該控制電壓。當(dāng)vco控制電壓為0時(shí)，其輸出頻率最低；當(dāng)輸入控制電壓等于電源電壓vdd時(shí)，輸出頻率則線性地增大到最高輸出頻率。vco振蕩頻率的范圍由r1、r2和c1決定。由于它的充電和放電都由同一個(gè)電容c1完成，故它的輸出波形是對(duì)稱方波。一般規(guī)定cd4046的最高頻率為1。2mhz(vdd=15v），若vdd15v，則fmax要降低一些。cd4046內(nèi)部還有線性放大器和整形電路，可將14腳輸入的100mv左右的微弱輸入信號(hào)變成方波或脈沖信號(hào)送至兩相位比較器。源跟蹤器是增益為1的放大器，vco的輸出電壓經(jīng)源跟蹤器至10腳作fm解調(diào)用。齊納

9、二極管可單獨(dú)使用，其穩(wěn)壓值為5v，若與ttl電路匹配時(shí)，可用作輔助電源。 綜上所述，cd4046工作原理如下：輸入信號(hào) ui從14腳輸入后，經(jīng)放大器a1進(jìn)行放大、整形后加到相位比較器、的輸入端，圖3開關(guān)k撥至2腳，則比較器將從3腳輸入的比較信號(hào)uo與輸入信號(hào)ui作相位比較，從相位比較器輸出的誤差電壓u則反映出兩者的相位差。u經(jīng)r3、r4及c2濾波后得到一控制電壓ud加至壓控振蕩器vco的輸入端9腳，調(diào)整vco的振蕩頻率f2，使f2迅速逼近信號(hào)頻率f1。vco的輸出又經(jīng)除法器再進(jìn)入相位比較器，繼續(xù)與ui進(jìn)行相位比較，最后使得f2f1，兩者的相位差為一定值，實(shí)現(xiàn)了相位鎖定。若開關(guān)k撥至13腳，則相

10、位比較器工作，過(guò)程與上述相同，不再贅述。下面介紹cd4046典型應(yīng)用電路。圖6是用cd4046的vco組成的方波發(fā)生器，當(dāng)其9腳輸入端固定接電源時(shí)，電路即起基本方波振蕩器的作用。振蕩器的充、放電電容c1接在6腳與7腳之間，調(diào)節(jié)電阻r1阻值即可調(diào)整振蕩器振蕩頻率，振蕩方波信號(hào)從4腳輸出。按圖示數(shù)值，振蕩頻率變化范圍在20hz至2khz。圖 6 圖7是cd4046鎖相環(huán)用于調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)電路。如果由載頻為10khz組成的調(diào)頻信號(hào)，用400hz音頻信號(hào)調(diào)制，假如調(diào)頻信號(hào)的總振幅小于400mv時(shí)，用cd4046時(shí)則應(yīng)經(jīng)放大器放大后用交流耦合到鎖相環(huán)的14腳輸入端環(huán)路的相位比較器采用比較器，因?yàn)樾枰i相

11、環(huán)系統(tǒng)中的中心頻率f0等于調(diào)頻信號(hào)的載頻，這樣會(huì)引起壓控振蕩器輸出與輸入信號(hào)輸入間產(chǎn)生不同的相位差，從而在壓控振蕩器輸入端產(chǎn)生與輸入信號(hào)頻率變化相應(yīng)的電壓變化，這個(gè)電壓變化經(jīng)源跟隨器隔離后在壓控振蕩器的解調(diào)輸出端10腳輸出解調(diào)信號(hào)。當(dāng)vdd為10v，r1為10k，c1為100pf時(shí)，鎖相環(huán)路的捕捉范圍為0.4khz。解調(diào)器輸出幅度取決于源跟隨器外接電阻r3值的大小。圖 7（二）附圖為提供設(shè)計(jì)圖1、調(diào)頻器調(diào)頻器由ic1中的vco及外圍元件組成，中心頻率由腳間所接電容1000pf和變?nèi)荻O管的靜態(tài)電容以及腳所接電阻決定。當(dāng)加上1khz的調(diào)制信號(hào)時(shí)，由于其瞬時(shí)電壓變化，變?nèi)荻O管的容量隨之變化，腳輸

12、出的瞬時(shí)頻率隨調(diào)制信號(hào)變化，即輸出調(diào)頻波。2、鑒頻器鑒頻器由ic2及外圍元件組成。當(dāng)14腳未接輸入信號(hào)時(shí)，腳輸出信號(hào)的頻率應(yīng)與調(diào)頻器的中心頻率接近。當(dāng)14腳接ic1腳信號(hào)（未調(diào)制），則腳的輸出信號(hào)頻率完全等于14腳的輸入信號(hào)頻率。當(dāng)14腳接ic1腳輸出的vfm時(shí)，由于vco的頻率跟蹤vfm的變化，所以腳輸出的是解調(diào)電壓。四、實(shí)習(xí)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求：1.觀測(cè)輸入調(diào)制信號(hào)為直流時(shí)的調(diào)頻方波，觀察輸入調(diào)制信號(hào)為正弦波和方波時(shí)的調(diào)頻方波，了解定時(shí)元件rt、ct對(duì)4046集成電路調(diào)頻器工作的影響。（1）、用萬(wàn)用表測(cè)各管腳的直流電壓值。（2）、調(diào)節(jié)rw，使變?nèi)荻O管兩端的電壓變化，從ic1腳測(cè)量對(duì)應(yīng)頻率和波形。

13、（3）、用頻率計(jì)分別測(cè)量ic1（調(diào)頻器，未調(diào)制）和ic2（鑒頻器）的腳輸出信號(hào)的頻率，調(diào)節(jié)rw使兩者頻率接近相等。（4）、觀察鎖定時(shí)兩者的頻率關(guān)系：將ic1（未調(diào)制）的腳輸出接ic2的14腳輸入，分別測(cè)量ic1和ic2腳的輸出頻率。（5）、觀察頻率調(diào)制情況：附圖1a點(diǎn)接1khz的正弦調(diào)制信號(hào)，用示波器從ic1的腳觀察波形的變化。（6）、觀察解調(diào)輸出情況：將ic1腳輸出接ic2的14腳，附圖2a點(diǎn)仍接1khz的正弦調(diào)制信號(hào)，用示波器觀察ic2的腳輸出波形，并與附圖2中a點(diǎn)的調(diào)制信號(hào)比較。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與心得體會(huì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)制作的電路板如下：并附上制版圖紙實(shí)驗(yàn)結(jié)果：1. 在設(shè)計(jì)電路的時(shí)候，我們充分的發(fā)揮

14、了自己的能力，通過(guò)“繞”和“鉆”把版面的布局盡可能的美觀和實(shí)用。我覺(jué)得這方面我們做的還是比較好的。2. 在制版的過(guò)程中，我們吸取了上個(gè)學(xué)期模電教訓(xùn)，認(rèn)真的刻板并多次檢查電路是否存在錯(cuò)誤，但是在腐蝕的過(guò)程中，掌握的時(shí)間不夠精確導(dǎo)致腐蝕有點(diǎn)過(guò)度，版面老化。這是我們的一個(gè)失誤。3. 在定位打孔方面，我們做過(guò)精確地測(cè)量所以元件布置的挺合理，除了我們沒(méi)有分清楚不同電容的腳間距造成兩個(gè)電容有點(diǎn)失誤之外，其他的一切都很好。還有就是我們的焊接還是焊的比較不錯(cuò)的，沒(méi)有出現(xiàn)虛焊之類的問(wèn)題，還比較美觀。4. 在測(cè)試方面，我們的電路一通電就起振了，但是鎖相的頻率的跳動(dòng)范圍比較大對(duì)鎖相造成了一定困難。其實(shí)我們很早就已經(jīng)

15、解調(diào)出來(lái)了，但是由于我們對(duì)這一知識(shí)不夠熟識(shí)而錯(cuò)過(guò)。因此，我們白白的浪費(fèi)了一天的時(shí)間。5. 總體來(lái)說(shuō)，這一次的實(shí)習(xí)還是比較成功的，最后解調(diào)出來(lái)的波形與輸入波形基本一致，沒(méi)有什么干擾，只是相位有點(diǎn)偏差。心得：在此次實(shí)習(xí)過(guò)程中，我們遇到了的問(wèn)題不是很多，但是比較麻煩。解決這些問(wèn)題的時(shí)候我們也學(xué)到了很多，實(shí)習(xí)需要的是細(xì)心，耐心以及責(zé)任心。在實(shí)習(xí)前把相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)弄面這是很重要的，這會(huì)有助于我們更好的完成實(shí)驗(yàn)。遇到問(wèn)題，我們不應(yīng)該太過(guò)于依靠老師，我們得學(xué)會(huì)自己檢查，實(shí)在是檢查不出來(lái)的時(shí)候，才應(yīng)該向老師請(qǐng)教。只有自己親自去思考，才能學(xué)到知識(shí)。六、參考文獻(xiàn)1 國(guó)防科技大學(xué) 高吉祥主編電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)第二版2 萬(wàn)心平,張厥盛.集成鎖相環(huán)路-原理、特性、應(yīng)用.北京：人民郵電出版社1990.3 電