電子產(chǎn)品設(shè)計報告

1、南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子產(chǎn)品設(shè)計報告作者 學(xué)號 系部 專業(yè) 題目 數(shù)字頻率合成器的設(shè)計 指導(dǎo)教師 完成時間： 2016年 11 月 28 日 電子產(chǎn)品設(shè)計報告摘要(題目)：數(shù)字頻率合成器的設(shè)計摘要：電子產(chǎn)品設(shè)計是產(chǎn)品開發(fā)和性能好壞關(guān)鍵的一環(huán)。電子產(chǎn)品的形成，基本上分為兩段：設(shè)計與生產(chǎn)。將一個或幾個標(biāo)準(zhǔn)頻率，經(jīng)過加、減、乘、除四則運(yùn)算，變成具有同樣穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的多個所需頻率的技術(shù)稱為頻率合成技術(shù)。頻率合成器是現(xiàn)代通信設(shè)備的重要組成部分，頻率合成技術(shù)是將一個高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度的基準(zhǔn)頻率經(jīng)過四則運(yùn)算，產(chǎn)生同樣穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的任意頻率。鎖相式頻率合成器是利用鎖相環(huán)的窄帶跟蹤特性來得到不同的頻率。該方

2、法結(jié)構(gòu)簡單，便于集成，且頻譜純度高，目前使用廣泛。 關(guān)鍵詞：設(shè)計、生產(chǎn)、頻率合成器、鎖相環(huán)目錄1.引言12.數(shù)字頻率合成器的設(shè)計與制作22.1鎖相環(huán)路的基本組成及工作原理22.1.1鎖相環(huán)路的基本組成22.1.2鎖相環(huán)路的基本特性62.2鎖相環(huán)頻率合成器的組成與工作原理62.2.1直接式頻率合成器82.2.2吞脈沖式頻率合成器83頻率合成器的調(diào)試123.1晶體振蕩器與4000分頻電路調(diào)試123.2消抖動電路和預(yù)置分頻電路的安裝和調(diào)試：123.3鎖相環(huán)電路和可變分頻電路安裝和調(diào)試：133.4頻率合成器總體電路調(diào)試說明：144.結(jié)論165.參考文獻(xiàn)17附錄1：數(shù)字頻率合成器原理圖18附錄二：數(shù)字頻

3、率合成器元器件清單18附錄三：實物圖191.引言隨著通信、雷達(dá)、宇航和遙控遙測技術(shù)的不斷發(fā)展，對頻率源的頻率穩(wěn)定度、頻譜純度、頻率范圍和輸出頻率的個數(shù)提出越來越高的要求。為了提高頻率穩(wěn)定度，經(jīng)常采用晶體振蕩器等方法來解決，但它不能滿足頻率個數(shù)多的要求，因此，目前大量采用頻率合成技術(shù)。頻率合成是通信、測量系統(tǒng)中常用的一種技術(shù),它是將一個或若干個高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度的參考頻率經(jīng)過各種處理技術(shù)生成具有同樣穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的大量離散頻率的技術(shù)。頻率合成的方法很多，可分為直接式頻率合成器、間接式頻率合成器、直接式數(shù)字頻率合成器( DDS)。直接合成法是通過倍頻器、分頻器、混頻器對頻率進(jìn)行加、減、乘、除運(yùn)算，

4、得到各種所需頻率。該方法頻率轉(zhuǎn)換時間快(小于100ns)，但是體積大、功耗大，目前已基本不被采用。鎖相式頻率合成器是利用鎖相環(huán)（PLL）的窄帶跟蹤特性來得到不同的頻率。該方法結(jié)構(gòu)簡化、便于集成，且頻譜純度高，目前使用比較廣泛。直接數(shù)字頻率合成器（Direct Digital Frequency Synthesis簡稱： DDS）是一種全數(shù)字化的頻率合成器，由相位累加器、波形ROM，D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器構(gòu)成，DDS技術(shù)是一種新的頻率合成方法，它具有頻率分辨率高、頻率切換速度快、頻率切換時相位連續(xù)、輸出相位噪聲低和可以產(chǎn)生任意波形等優(yōu)點。但合成信號頻率較低、頻譜不純、輸出雜散等。2.數(shù)字頻率合

5、成器的設(shè)計與制作2.1鎖相環(huán)路的基本組成及工作原理鎖相環(huán)路早在30年代就已提出，并被用在同步接受機(jī)中。50年代鎖相技術(shù)被用于提取彩色電視機(jī)的色同步信號。隨后，鎖相技術(shù)又被應(yīng)用在空間技術(shù)中，采用鎖相環(huán)路作成的窄帶跟蹤接受機(jī)接受微弱的衛(wèi)星信號，達(dá)到了很好的效果。但由于分離元件的鎖相環(huán)路過于復(fù)雜，且成本過高，受技術(shù)條件的限制，不可能在工業(yè)和民用電子設(shè)備中被廣泛地采用。到了60年代末，由于集成電路技術(shù)的發(fā)展，鎖相環(huán)路也實現(xiàn)了集成化、單片化，一般只需外接少量阻容元件便能實現(xiàn)鎖相功能，而且調(diào)整簡單、成本低、性能可靠、使用方便，因此廣泛應(yīng)用于通信、電視、音響、雷達(dá)、自動控制、遙控遙測、精密儀器等方面。122

6、.12.1.1鎖相環(huán)路的基本組成鎖相環(huán)路的基本組成框圖如圖9.1.1所示。它由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）三部分組成，其中，PD和LF構(gòu)成反饋控制器，而VCO就是它的控制對象。圖2.1.1 鎖相環(huán)路的基本組成框圖如圖2.1.1所示，若輸入信號ui(t)的頻率wi和VCO振蕩信號（即輸出信號）uo(t)的頻率wo不相等（此時稱鎖相環(huán)路處于失鎖狀態(tài)），由于兩信號的相位差是頻差的積分，故兩信號之間必然存在隨時間變化的相位差。鑒相器對兩信號的相位進(jìn)行比較，輸出一個與相位差成比例的誤差電壓ud(t)。該電壓經(jīng)LF（實際就是低通濾波器LpF）后，取出其中緩慢變化的直流或低頻電壓

7、分量uc(t)作為控制電壓。顯然，uc(t)將隨著相位差的變化作相應(yīng)的變化。而uc(t)加到VCO的控制輸入端，從而控制VCO的振蕩頻率，使其隨uc(t)變化而變化，于是uo(t)與ui(t)的相位差不斷減小，最終可能等于某一較小的恒定值，即二者的相位被“鎖定”。容易理解，當(dāng)相位被鎖定后，輸入信號頻率wi與輸出信號頻率wo必然相等。l 鑒相器（PD）鑒相器系一相位比較裝置，用來檢測輸出信號uo(t)與輸入信號ui(t)之間的相位差，并把轉(zhuǎn)化為誤差電壓ud(t)。就一般情況而言，uo(t)與ui(t)均有初相角，因此可設(shè)輸出電壓和輸入電壓分別為uo(t)=Uomcoswot +qo(t)ui(t

8、)=Uomsinwit +q¢i(t)式中，q¢i(t)為以wit為參考相位的瞬時初相位。一般可用模擬乘法器來實現(xiàn)鑒相器的功能。此類鑒相器也稱為相乘型鑒相器。l 環(huán)路濾波器（LF）環(huán)路濾波器是一個低通濾波器，它對環(huán)路的正常工作有重大影響，因此它也是鎖相環(huán)路中的一個基本環(huán)節(jié)。環(huán)路濾波器的作用是把鑒相器輸出電壓中的高頻分量及干擾雜波抑制掉，而讓鑒相器輸出電壓中的低頻分量或直流分量通過。圖9.1.4所示電路為較常用的濾波器，一般R2<< R1，其作用是減少高頻信號的衰減，從而提高鎖相環(huán)路的捕捉和跟蹤（頻率）范圍，但抗高頻干擾的性能下降。此類濾波器也稱為比例積分濾波器。

9、（a） （b）圖9.1.4 比例積分濾波器（仿真電路）（a）無源比例積分濾波器 （b）有源比例積分濾波器l 鑒相器PDI和PDII鑒相器PDI一個數(shù)字邏輯異或門，當(dāng)兩個輸人端信號Ui、Uo的電平狀態(tài)相異時（即一個高電平，一個為低電平），輸出端信號為高電平；反之，Ui、Uo電平狀態(tài)相同時（即兩個均為高，或均為低電平），U輸出為低電平。如圖2.1.2 圖2.1.2 CD4046的內(nèi)部組成框圖由于CMOS門輸出電平在0VDD之間變化。所以只要用簡單的積分電路就可以取出平均電平，因而使鎖項環(huán)路的捕捉范圍加大。該鑒相器主要應(yīng)用在調(diào)頻波的解調(diào)電路中。鑒相器PDII是一個由信號的上升沿控制的數(shù)字存儲網(wǎng)絡(luò)。它

10、對輸入信號占空比的要求不高，允許輸入非對稱波形，它具有很寬的捕捉頻率范圍，而且不會鎖定在輸入信號的諧波。它提供數(shù)字誤差信號和鎖定信號（相位脈沖）兩種輸出，當(dāng)達(dá)到鎖定時，在相位比較器的兩個輸人信號之間保持0°相移。由于數(shù)字比相器僅在ui和uv的上跳邊沿起作用，因而該鑒相器能接收任意占空比的輸入脈沖，即非常窄的脈沖。PDII的工作過程可用圖4.2.12所示波形圖來表示。14腳ui信號出現(xiàn)上跳變時，13腳也上跳輸出高電平，當(dāng)3腳uv信號出現(xiàn)上跳變時，13腳下跳輸出低電平；ui、uv同時觸發(fā)時，13腳呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。因此，PDII可以使uv和ui嚴(yán)格同步，它常被應(yīng)用在鎖相頻率合成器中。采用PD

11、II的鎖項環(huán)其鎖定范圍等于捕捉范圍，與環(huán)路濾波器關(guān)系不大。PDII的直流輸出電壓Ud應(yīng)為13腳波形在一周期內(nèi)的平均值。圖2.1.3 CD4046鑒相器PDII的輸入與輸出波形l 壓控振蕩器（VCO）壓控振蕩器是瞬時角頻率受控制電壓控制的一種振蕩器，實際上是一種電壓-頻率變換器。壓控振蕩器的電路形式很多，圖9.1.4所示電路為用變?nèi)荻O管D1的電容Cj來調(diào)節(jié)振蕩器的頻率的電路，這是一種簡單的壓控振蕩器。圖2.1.4 壓控振蕩器的仿真1.2.2.1.2.1.2.2.1.2鎖相環(huán)路的基本特性捕捉與鎖定特性仿真2.1.4 鎖相環(huán)路基本特性的測量仿真線路：圖2.1.6所示電路，各元器件參數(shù)如圖中所示。圖

12、2.1.6 鎖相環(huán)路的仿真122.12.2鎖相環(huán)頻率合成器的組成與工作原理頻率合成器可以根據(jù)實現(xiàn)方法的不同分為三類：混頻濾波式、脈控鎖相式和數(shù)字鎖相式頻率合成器。其中數(shù)字鎖相式頻率合成器是一種用數(shù)字方法控制分頻比的鎖相環(huán)路，產(chǎn)生相應(yīng)的離散頻率。它將先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)和鎖相技術(shù)結(jié)合起來，賦予鎖相環(huán)頻率合成器以良好的性能，因此，這里將重點介紹這類頻率合成器。l 常用集成鎖相環(huán)路CD4046簡介過去的鎖相環(huán)大多采用分立元件和模擬電路構(gòu)成，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，鎖相環(huán)路也實現(xiàn)了集成化、單片化，而且性能可靠、使用方便，因此廣泛應(yīng)用于廣播通信、電視、音響、雷達(dá)、自動控制、遙控遙測、精密儀器等方面。CD404

13、6是通用的CMOS鎖相環(huán)集成電路，其特點是電源電壓范圍寬（為3V18V），輸入阻抗高(約100M)，動態(tài)功耗小，在中心頻率f0為10kHz下功耗僅為600W，屬微功耗器件。CD4046是帶有RC型VCO的鎖相環(huán)路，屬于低頻鎖相環(huán)路。采用 16 腳雙列直插式，圖4.2.11為CD4046的內(nèi)部功能框圖和構(gòu)成鎖相頻率合成器時的外圍元件連接圖。從圖中可以看出，CD4046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。圖4芯片內(nèi)含有一個低功耗、高線性VCO，兩個工作方式不同的鑒相器PDI和PDII，A1為PDI和PDII的公用輸入基準(zhǔn)信號放大器，源跟隨器A2與VCO輸

14、入端相連是專門作FM解調(diào)輸出之用的，此外還有一個6V左右的齊納穩(wěn)壓管。各引腳功能如下：1腳相位輸出端，環(huán)路入鎖時為高電平，環(huán)路失鎖時為低電平。2腳相位比較器的輸出端。3腳比較信號輸入端。4腳壓控振蕩器輸出端。5腳禁止端，高電平時禁止，低電平時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，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腳信號輸入端。15腳內(nèi)部獨立的齊納穩(wěn)壓管負(fù)極。圖4.2.11 CD4046的內(nèi)部組成框圖2.2.1直接式頻率合成器直接式頻率合成器構(gòu)成如圖2.2.1所示。它僅在圖9.1.1所示

15、鎖相環(huán)的反饋支路中插入一個可編程控制的分頻器（N）。如圖所示，高穩(wěn)定度參考振蕩信號經(jīng)R次分頻后，得到頻率為fR的參考脈沖信號。同時壓控振蕩器輸出經(jīng)N次分頻后得到頻率為fN的脈沖信號，它們通過鑒相器進(jìn)行比相。當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時，fR = fN = fo /N，則：圖2.2.1 直接式頻率合成器組成框圖顯然，只要改變分頻比N，即可達(dá)到改變輸出頻率fo的目的，從而實現(xiàn)了由fR合成fo的任務(wù)。在該電路中，輸出頻率點間隔Df=fR。直接式頻率合成器的結(jié)構(gòu)較簡單，常用CD4046來實現(xiàn)。122.12.22.2.12.2.2吞脈沖式頻率合成器在實際應(yīng)用中，特別在超高頻工作的情況下，為降低N分頻器的輸入頻率

16、，通常在N分頻器與壓控振蕩器之間插入高速前置分頻器（÷P）（采用ECL工藝制造）。顯然此時頻率關(guān)系為fo=NPfR，頻點間隔為PfR。為了在給定的頻段內(nèi)合成更多的離散頻率，需減小上述方案之頻率點間隔PfR。WEICI，為此，在實際通信設(shè)備中通常采用雙模前置分頻器（÷P/(P+1)）和含有吞食計數(shù)器的可編程分頻器。其構(gòu)成框圖如圖9.3.2所示，一般稱它為吞脈沖式PLL頻率合成器。在該方案中，通常N計數(shù)（分頻）器的級數(shù)大于 A計數(shù)器的級數(shù)，即 NA。在計數(shù)循環(huán)開始時，模式控制信號MC=0，前置分頻比為P+1，這樣A計數(shù)器每次比另一前置分頻模式（P）多吞食一個脈沖。由于N、A計數(shù)

17、器同時開始計數(shù)，A先計滿，輸出使模式控制邏輯狀態(tài)變?yōu)镸C=1，前置分頻比變?yōu)镻，直到N計數(shù)器計滿，輸出將模式控制邏輯重置成MC=0狀態(tài)。這樣，計數(shù)鏈路的總分頻比是：NS=A(P+1)+P(NA)=PN+Afo=(PN+A)fN=PNfR+AfR可見，合成頻率點間隔變?yōu)閒R。吞脈沖式頻率合成器的主要產(chǎn)品有MC145152、MC145156等，除了VCO、LF以及雙模前置分頻器需外接外，此類集成鎖相環(huán)路包含其它所有的組成部分，因此實際應(yīng)用時并不復(fù)雜。圖2.2.2 吞脈沖式頻率合成器組成框圖l 基準(zhǔn)頻率振蕩器的工作原理 基準(zhǔn)頻率振蕩器可采用門電路（74LS系列或CD系列）與標(biāo)稱石英晶體構(gòu)成振蕩器。石

18、英晶體振振器的電路符號、等效電路、電抗曲線如圖4.2.14所示。圖4.2.14 石英晶體振振器的電路符號、等效電路、電抗曲線從石英晶體諧振器的電抗特性可以看出，在串、并聯(lián)諧振頻率之間很狹窄的工作頻帶內(nèi)，它呈電感性。因而石英振蕩器可以工作于感性區(qū)，也可以工作于串聯(lián)諧振頻率上，但不能使用容性區(qū)。根據(jù)晶體在振蕩電路中的不同作用，振蕩電路可分為兩類：一類是石英晶體在電路中作為等效電感元件使用，這類振蕩器稱為并聯(lián)型晶體振蕩器；另一類是把石英晶體作為串聯(lián)諧振元件使用，使它工作于串聯(lián)諧振頻率上，稱為串聯(lián)型晶體振蕩器。圖4.2.15 串聯(lián)諧振型晶體振蕩器圖4.2.15是工作于串聯(lián)諧振狀態(tài)的TTL門電路振蕩器，

19、當(dāng)電路頻率為串聯(lián)諧振頻率時，晶體的等效電抗接近零（發(fā)生串聯(lián)諧振），串聯(lián)諧振頻率信號最容易通過N1、N2閉環(huán)回路，這個頻率信號通過兩級反相后形成反饋振蕩，晶體同時也擔(dān)任著選頻作用。也就是說在工作于串聯(lián)諧振狀態(tài)的振蕩電路，它的頻率取決于晶體本身具有的頻率參數(shù)。圖4.2.16 并聯(lián)諧振型晶體振蕩器圖4.2.16是工作于并聯(lián)諧振狀態(tài)的CMOS門電路振蕩器，晶體等效一個電感（晶體工作于串聯(lián)諧振頻率與并聯(lián)諧振頻率之間時，晶體呈電感性）與外接的電容構(gòu)成三點式LC振蕩器，通過外接的電容可對頻率進(jìn)行微調(diào)。電阻R接在反相器N3的輸入與輸出端，其目的是將N3偏置在線性放大區(qū)，反相器成為具有很強(qiáng)放大能力的放大電路，一

20、般電阻R的取值為1M30 MW。N3放大器的輸出端信號通過晶體、C1、C2構(gòu)成型選頻反饋網(wǎng)絡(luò)，返回N3放大器的輸入端，形成反饋振蕩，由此可見它的振蕩頻率是由型諧振電路所決定的（當(dāng)然，主要還是晶體所決定）。反饋系數(shù)由C1、C2之比決定。根據(jù)晶體外接電容的要求，可選C1=C2=24pF。晶體XTAL的頻率選4.096MHz（該頻率點附近的頻率穩(wěn)定度較高）。即 U1與Rf 、晶體、C1、C2構(gòu)成電容三點式振蕩電路，產(chǎn)生一個近似正弦波的波形。為防止負(fù)載電路對振蕩電路的干擾和提高帶載能力，N3輸出信號需再通過N4的緩沖、放大整形接到負(fù)載，輸出變?yōu)榫匦尾ā? 頻率合成器的調(diào)試3.1 晶體振蕩器與4000分

21、頻電路調(diào)試1. 指標(biāo)要求：晶體振蕩器和4000分頻電路相連應(yīng)輸出1KHz的方波信號。2. 測試儀器： 5V直流穩(wěn)壓電源 1臺 雙蹤示波器 1臺 頻率計 1臺3. 測試步驟1) 對照原理圖，檢查焊接電路是否正確。圖4-1 晶體振蕩器和4000分頻測試電路2) 焊接正確無誤后，按照接線圖，連接測試儀器3) 打開電源，打開頻率計電源，將頻率計調(diào)至0000.00Hz頻率計應(yīng)顯示1000.xx Hz。4) 若不正確，用示波器監(jiān)測晶體振蕩器輸出有無信號。分步檢查電路。5) 測試正確后，關(guān)閉電源。1233.13.2 消抖動電路和預(yù)置分頻電路的安裝和調(diào)試：1. 指標(biāo)要求：分別按動開關(guān)置數(shù)，按動個位開關(guān)19下，

22、個位數(shù)碼管應(yīng)有顯示相應(yīng)數(shù)字，74LS390輸出應(yīng)有相應(yīng)輸出。同理十位數(shù)測試方法相同。2. 測試儀器： +5V直流穩(wěn)壓電源 1臺 雙蹤示波器 1臺 頻率計 1臺3. 測試步驟：1) 對照原理圖，檢查焊接電路是否正確。圖4-2 消抖動電路和預(yù)置分頻電路2) 焊接正確無誤后，按照接線圖，連接測試儀器。3) 打開電源，分別按動K1、K2，數(shù)碼管應(yīng)有相應(yīng)顯示。4) 若不正確，分別檢查數(shù)碼管電路、消抖動電路、74LS390計數(shù)器電路。5) 測試正確后，關(guān)閉電源。3.3 鎖相環(huán)電路和可變分頻電路安裝和調(diào)試：1. 指標(biāo)要求：1) 可變分頻器可根據(jù)預(yù)置頻率的不同，將輸入信號（cp）N分頻。 2) 在鎖相環(huán)的輸出

23、端（4腳）可測得所設(shè)置方波信號的頻率（1k99k）。2. 測試儀器： 5V直流穩(wěn)壓電源 1臺 雙蹤示波器 1臺 數(shù)字萬用表 1只 頻率計 1臺3. 測試步驟：1) 對照原理圖，檢查焊接電路是否正確。2) 焊接正確無誤后，按照接線圖，連接測試儀器。 3) 打開電源，分別按動K1、K2，數(shù)碼管應(yīng)有相應(yīng)顯示。4) 用示波器和頻率計監(jiān)測鎖相環(huán)CD4046的4腳應(yīng)為所設(shè)置的頻率，且輸出1腳應(yīng)為高電平。5) 若測試不正確，繼續(xù)測試CD4510預(yù)分頻電路的輸入信號頻率和輸出信號圖4-3 可變分頻電路頻率。6) 測試正確后，關(guān)閉電源。1233.13.23.33.4 頻率合成器總體電路調(diào)試說明：1. 指標(biāo)要求：

24、1) 輸出頻率范圍：fo= 1kHz99kHz；2) 頻率間隔：Df =1kHz；3) 基準(zhǔn)頻率采用晶體振蕩頻率，頻率穩(wěn)定度應(yīng)優(yōu)于10的-4次方；4) 數(shù)字顯示頻率；5) 頻率調(diào)節(jié)采用計數(shù)方式。2. 測試儀器： +5V直流穩(wěn)壓電源 1臺 雙蹤示波器 1臺 數(shù)字萬用表 1臺 頻率計 1臺3. 測試步驟：1) 將各部分電路正確連線，檢查無誤后按接線圖連接被測電路。 2) 測試接線圖：圖 4-4 總體電路調(diào)試接線圖3) 按接線圖接好連線后, 打開電源。4) 按動開關(guān)k1 19次，LED數(shù)碼管個位應(yīng)有相應(yīng)顯示。同理按動k2測試。5) 將頻率分別設(shè)定在4K、55K、99K分別檢查LED數(shù)碼管，并分別用頻率計測試鎖相環(huán)的4腳對地，頻率應(yīng)和數(shù)碼管顯示的相同，且用示波器監(jiān)測波形，記錄輸出波形。6) 測試正確后，記錄測試數(shù)據(jù)和輸出波形。關(guān)閉電源。4.結(jié)論通過本次實驗，使自己對電子產(chǎn)品設(shè)計有了一定的了解，對鎖相環(huán)的工作原理及其應(yīng)用有了較深的理解，鎖相環(huán)應(yīng)用愈廣，鎖相環(huán)是在無線電發(fā)射中使頻率較為穩(wěn)定的一種方法。第一部分，電路5V的電壓，通