鎖相環(huán)CD4046設(shè)計(jì)頻率合成器

1、目錄一、設(shè)計(jì)和制作任務(wù)3二、主要技術(shù)指標(biāo)3三、確定電路組成方案3四、設(shè)計(jì)方法4一、振蕩源的設(shè)計(jì)4二、N分頻的設(shè)計(jì)4三、1KHZB準(zhǔn)信號(hào)源設(shè)計(jì)即M分頻的設(shè)計(jì)5五、鎖相環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)6六、電路板制作7七、調(diào)試步驟8八、實(shí)驗(yàn)小結(jié)8九、心得體會(huì)9十、參考文獻(xiàn)9附錄：各芯片的管腳圖10鎖相環(huán)CD4046設(shè)計(jì)頻率合成器內(nèi)容摘要：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,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器三種根本模式,前兩種屬于開(kāi)環(huán)

2、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,本錢低.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.關(guān)鍵詞：頻率合成器CD4046一、設(shè)計(jì)和制作任務(wù)1 .確定電路形式,畫出電路圖.2 .計(jì)算電路元件參數(shù)并選取元件.3 .組裝焊接電路.4 .調(diào)試并測(cè)量電路性能.5 .寫出課程設(shè)計(jì)報(bào)告書*、主要技術(shù)指標(biāo)1 .頻率步進(jìn)1kHz2 .頻率穩(wěn)定度&<1KHz3 .電源電壓Vcc=5V三、確定電路組成方案原理框圖如下,鎖相環(huán)路對(duì)穩(wěn)定度的參考振動(dòng)器鎖定,環(huán)內(nèi)申接可編程的N,從而就得到N倍參考頻率的

3、穩(wěn)定輸出分頻器,通過(guò)改變分頻器的分配比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fl',輸入鎖相環(huán)的相位比擬器(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)行相位比擬,當(dāng)鎖相環(huán)路鎖定后得到：f1/M=f1'=f2/N故f2=Nf'1(f1為基準(zhǔn)頻率)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f20四、設(shè)計(jì)方法Ct30PT30PRlMCD4049(一)、振蕩源的設(shè)計(jì)用CMOS1非門和1M晶體組成IMHzfg蕩器,如圖14.圖中Rf使F1工作于線性放大區(qū).晶體的等效電感,C1、C2構(gòu)成諧振回路.C1

4、、C2可利用器件的分布電容不另接.(二)、N分頻的設(shè)計(jì)F1、F2、F3使用CD40499U10OK10K方案一：用一片CD401祚分頻器組成2-9KHZ頻率合成器.4017構(gòu)成二、三,一九等分頻器,將上述4017組成的分頻器代入圖15中的1/N分頻器,就組成29KHZ頻率合成器.方案二：?jiǎn)纹珻D452額率合成器構(gòu)成1-9kHz變化.CD4522g可預(yù)置數(shù)的二一制1/N減計(jì)數(shù)器.具引腳見(jiàn)附錄.其中D1-D4是預(yù)置端,Q1-Q4是計(jì)數(shù)器輸出端,其余限制端的功能如PE(3)=1時(shí),D1D4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減至

5、I0時(shí),QC(12)=1Cr(10)=1時(shí),計(jì)數(shù)器清零.單片4522分頻器,撥盤開(kāi)關(guān)為BC那么開(kāi)關(guān),如當(dāng)數(shù)據(jù)窗口顯示3時(shí)那么A和1,2相連；當(dāng)顯示5時(shí),那么A和14相連,其余類推.4個(gè)100K電阻用來(lái)保證當(dāng)撥盤開(kāi)關(guān)為某腳不和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)撥盤開(kāi)關(guān)撥到N,當(dāng)某時(shí)刻PE(3)=1,那么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),計(jì)數(shù)器為00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)CPQC12就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)高電平,也就是QC12應(yīng)是CP的N分頻

6、信號(hào)用改圖電路代替上圖中4017局部,組成19KHz頻率合成器方案三：用三片4522組成1999HHZ®率合成器如下列圖,最終應(yīng)做到撥盤開(kāi)關(guān)的數(shù)值是多少,VCC輸出信號(hào)的頻率就是多少KH乙999HH函率合成器圖31方案比擬：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)清楚,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)上都比擬復(fù)雜,但是可以到達(dá)1-999KHz的頻率變化,所以選擇方案三.1M輸入三、1KHZB準(zhǔn)信號(hào)源設(shè)計(jì)即根據(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

7、三個(gè)十分頻器,這樣就可把1MHz勺晶振信號(hào)變10KnrM分頻的設(shè)計(jì)2344««CD4518成1KHz的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào).如下列圖所示：1612114KtTfO_M1CP2cpCD45I82R1CP2CP2R%1kHzfiIkHi"k輸出】510kHz通過(guò)前面的分析可以得到總體的設(shè)計(jì)電路圖如下:基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生CD4049JA9ji30Pg30P100kHz162U4Ten約41CPCD45182cpfi1kHzfiIkHi14輸入信知100kl1310kHz15比擬信號(hào)相拉比擬器VCD161輸出1電號(hào)CD40461Il126710k1/HF2cp5r小R100kx41DDCF

8、PEENQ4cpCD4522111*KDP：3DP2DP】D囿k13T41641616134cp,QcRCD4522I%tl10VDD而Q4cpVrt)DENFCD4522IIPEDP3DP2DPIDPP%12110PE1411|6:14112_1a-a,弦g-R1工100kx417sA4百位)I1撥1(0001)1I分頻器小N2I1n比13發(fā)16100kx4r-CJ-CD-D-a-8SA式十位)撥7(0111)SA1(個(gè)位)撥5(0101)五、鎖相環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中,M固定,N可變.基準(zhǔn)頻率f'1定為IKHz,改變N值,使N=1999那么可產(chǎn)生f2=1KHz999KHz的頻率范圍.鎖

9、相環(huán)鎖存范圍：fmax=1M1.1MHzfmin=1001KHz那么fmax/fmin=1K11K使用相位比擬器PC21)假設(shè)R2w0°,那么由fmax/fmin=1K-11K由右圖大概確定R2/R1的值約為(1-10)K選定R1=10©,可得R2=(100-500)KQ.NPISIfMAKrfMIN"3R之田已fMAXWHENVCOify=VDD.一fMINWHENVCO|jj-V3STypicalFr«qu«ncynClforR2=ink£p,woidiand1Mu有HruMwnm豆104IIJTIiC-»1浦Cl-VC

10、OTIMINGCAPACITDRLF)FICURE*.選止Vdd=5-10v,參照右圖與fmin=1001kHz可求出C1=2*10-4uF2)假設(shè)R2=o°,由fo=fmax/2=500KHz,參照?qǐng)D5并選定Vdd=510V,可得C1=1.5*10-42*10-4uF又2fc=fmax+fmin=(1000.11001)kHz,2fl=fmax-fmin=(999999.9)kHz,12fc之一7TTypicalPerformanceCharacteristicsTyplCilCtrtltrFrtq(jncvsC1roRi-10kRiaokfl»nd1Mfi而10i耐10

11、31DZid1i1Q-5id-3to-210-1110to2Cl-VCOTIMINGCAPACITOR(yf)FIQURE5.T1=R3*C2最終算出令R3=10KQ,貝UC2=31.8pFR3*C2=2兀*fl/(2兀fc)2=0.318uF六、電路板制作在制作電路板之前,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,然后畫出實(shí)際的布線圖.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,很重要的一點(diǎn)就是要選擇一塊比擬新的萬(wàn)用板,這樣在焊接過(guò)程中比擬好焊,容易使錫粘到銅圈上.由于要產(chǎn)生1KHz-999KHz的較高頻率,所以在焊接電路時(shí)要盡量使各個(gè)器件都貼在萬(wàn)用板上,減小各個(gè)器

12、件的引腳,從而降低對(duì)電路的影響.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,如果稍微連錯(cuò)的話就不好改,所以在焊接時(shí)要非常的認(rèn)真.焊接結(jié)果如下列圖所示：七、調(diào)試步驟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晶振產(chǎn)生的頻率f0(Hz)第一次十分頻f1(Hz)第二次十分頻f2(Hz)第三次十分頻f3(Hz)1.010M101.2K10.10K1.010K2、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4046本身的振動(dòng)頻率f(MHz1.515MHz3、撥動(dòng)撥碼盤,測(cè)輸出頻率撥碼盤輸出頻率f(Hz)4046(3)腳頻率f

13、(Hz)輸出波形1976Hz1.012K1010.04K1.012K100101.0K1.012K300301.2K1.012K900909.1K檢測(cè)/、到9991.01M檢測(cè)/、到八、實(shí)驗(yàn)小結(jié)在做實(shí)驗(yàn)過(guò)程中碰到一下幾個(gè)問(wèn)題:1、開(kāi)始時(shí),輸出一直沒(méi)有信號(hào)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,而我把電源給接16腳2、振蕩源起振后,輸出仍然沒(méi)有信號(hào)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

14、.2)檢查鎖相環(huán)局部,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幾百KHz的CMO胎號(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.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),把撥碼盤撥為100,觀察輸出信號(hào)是否為IKHz,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分頻局部,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.3、輸出波形不是方波當(dāng)輸入頻率較小時(shí),輸出是一個(gè)比擬好的方波信號(hào),如果輸出頻率到達(dá)

15、400KHz以上時(shí),就會(huì)發(fā)現(xiàn)輸出信號(hào)的邊沿不夠陡峭,為了解決這個(gè)問(wèn)題,我在輸出端在接了一個(gè)斯密特觸發(fā)器74HC14起到整形的效果.4、當(dāng)頻率到700KHz以上時(shí),發(fā)現(xiàn)頻率偏差范圍就比擬大,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R25、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1KHN我想原因應(yīng)該有多種可能,一種是可能鎖相環(huán)的鎖定范圍不能到達(dá)900KHz但是4腳的輸出頻率為909.1KHz,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

16、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).九、心得體會(huì)通過(guò)本次實(shí)驗(yàn),使自己對(duì)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(wú)線電發(fā)射中使頻率較為穩(wěn)定的一種方法.例如為相干解調(diào)提取參考載波、建立位同步等,也可以用于改善電視接收機(jī)的行同步和幀同步,以提升抗干擾水平.很重要的一點(diǎn)是,通過(guò)實(shí)驗(yàn)提升了發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的水平.通過(guò)調(diào)試來(lái)發(fā)現(xiàn)自己的錯(cuò)誤并分析及排除這些故障,結(jié)合自己在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中碰到的問(wèn)題,我覺(jué)得在調(diào)試過(guò)程中應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：A、調(diào)試時(shí)應(yīng)該分模塊進(jìn)行調(diào)試,每個(gè)模塊都測(cè)試成功之后再測(cè)試整體,這樣可以更好的檢查出問(wèn)題所在.就比方這次實(shí)驗(yàn),剛開(kāi)始時(shí),晶振不起振,這時(shí)我就用函發(fā)直接輸入一個(gè)1MHz的頻率作為頻率源,檢測(cè)M分頻的輸出是否正常,同樣的做法來(lái)判斷N分頻是否正常.B、要學(xué)會(huì)從檢測(cè)結(jié)果中分析出是那些出來(lái)問(wèn)題.比方在檢測(cè)M分頻過(guò)