鎖相環(huán)CD4046設計頻率合成器

1、目錄一、設計和制作任務3二、主要技術指標3三、確定電路組成方案3四、設計方法4一、振蕩源的設計4二、N分頻的設計4三、1KHZB準信號源設計即M分頻的設計5五、鎖相環(huán)參數(shù)設計6六、電路板制作7七、調(diào)試步驟8八、實驗小結8九、心得體會9十、參考文獻9附錄：各芯片的管腳圖10鎖相環(huán)CD4046設計頻率合成器內(nèi)容摘要：頻率合成是以一個或少量的高準確度和高穩(wěn)定度的標準頻率作為參考頻率,由此導出多個或大量的輸出頻率,這些輸出的準確度與穩(wěn)定度與參考頻率是一致的.在通信、雷達、測控、儀器表等電子系統(tǒng)中有廣泛的應用,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,前兩種屬于開環(huán)

2、系統(tǒng),因此是有頻率轉換時間短,分辨率較高等優(yōu)點,而鎖相頻率合成器是一種閉環(huán)系統(tǒng),其頻率轉換時間和分辨率均不如前兩種好,但其結構簡單,本錢低.并且輸出頻率的準確度不遜色與前兩種,因此采用鎖相頻率合成.關鍵詞：頻率合成器CD4046一、設計和制作任務1 .確定電路形式,畫出電路圖.2 .計算電路元件參數(shù)并選取元件.3 .組裝焊接電路.4 .調(diào)試并測量電路性能.5 .寫出課程設計報告書*、主要技術指標1 .頻率步進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)路對穩(wěn)定度的參考振動器鎖定,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,通過改變分頻器的分配比晶體振蕩器輸出的信號頻率f1,經(jīng)固定分頻后M分頻得到基準頻率fl',輸入鎖相環(huán)的相位比擬器(PC).鎖相環(huán)的VCO輸出信號經(jīng)可編程分頻器(N分頻)后輸入到PC的另一端,這兩個信號進行相位比擬,當鎖相環(huán)路鎖定后得到：f1/M=f1'=f2/N故f2=Nf'1(f1為基準頻率)當N變化時,或者N/M變化時,就可以得到一系列的輸出頻率f20四、設計方法Ct30PT30PRlMCD4049(一)、振蕩源的設計用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分頻的設計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：單片CD452額率合成器構成1-9kHz變化.CD4522g可預置數(shù)的二一制1/N減計數(shù)器.具引腳見附錄.其中D1-D4是預置端,Q1-Q4是計數(shù)器輸出端,其余限制端的功能如PE(3)=1時,D1D4值置進計數(shù)器EN(4)=0,且CP(6)時,計數(shù)器(Q1-Q4)減計數(shù)；CF(13)=1且計數(shù)器(Q1-Q4減至

5、I0時,QC(12)=1Cr(10)=1時,計數(shù)器清零.單片4522分頻器,撥盤開關為BC那么開關,如當數(shù)據(jù)窗口顯示3時那么A和1,2相連；當顯示5時,那么A和14相連,其余類推.4個100K電阻用來保證當撥盤開關為某腳不和A相連,也就是懸空時,為低電平.工作過程是這樣的：設撥盤開關撥到N,當某時刻PE(3)=1,那么N置到IC內(nèi)的計數(shù)器中,下一個CP來時,計數(shù)器減計數(shù)變?yōu)镹-1,一直到第N個CP來時,計數(shù)器為00這時由于CF(13)=1,所以QC(12)=1,也即PE(3)=1又恢復到開始狀態(tài),開始一個新的循環(huán).很顯然,每來個N個CPQC12就會出現(xiàn)一個高電平,也就是QC12應是CP的N分頻

6、信號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,最終應做到撥盤開關的數(shù)值是多少,VCC輸出信號的頻率就是多少KH乙999HH函率合成器圖31方案比擬：雖然三個方案都能實現(xiàn)頻率合成器,方案一和方案二差不多,原理簡單,結構清楚,但是最終頻率只能實現(xiàn)1-9kHz,而方案三雖然原理和結構上都比擬復雜,但是可以到達1-999KHz的頻率變化,所以選擇方案三.1M輸入三、1KHZB準信號源設計即根據(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個計數(shù)器組成一個1000分頻器,也就是

7、三個十分頻器,這樣就可把1MHz勺晶振信號變10KnrM分頻的設計2344««CD4518成1KHz的標準信號.如下列圖所示：1612114KtTfO_M1CP2cpCD45I82R1CP2CP2R%1kHzfiIkHi"k輸出】510kHz通過前面的分析可以得到總體的設計電路圖如下:基準頻率產(chǎn)生CD4049JA9ji30Pg30P100kHz162U4Ten約41CPCD45182cpfi1kHzfiIkHi14輸入信知100kl1310kHz15比擬信號相拉比擬器VCD161輸出1電號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(個位)撥5(0101)五、鎖相環(huán)參數(shù)設計本設計中,M固定,N可變.基準頻率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R2=o°,由fo=fmax/2=500KHz,參照圖5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,要先對整個電路結構及其在萬用板的布局進行分析,然后畫出實際的布線圖.在焊電路板之前,應該要做一些準備工作,把各個元器件和工具都準備好,很重要的一點就是要選擇一塊比擬新的萬用板,這樣在焊接過程中比擬好焊,容易使錫粘到銅圈上.由于要產(chǎn)生1KHz-999KHz的較高頻率,所以在焊接電路時要盡量使各個器件都貼在萬用板上,減小各個器

12、件的引腳,從而降低對電路的影響.為了使整個電路在外觀上更加的美觀和穩(wěn)定,所以在焊接時全部用錫來作為導線連接,如果稍微連錯的話就不好改,所以在焊接時要非常的認真.焊接結果如下列圖所示：七、調(diào)試步驟1、接上電源后,測試晶振產(chǎn)生的頻率f0和經(jīng)過各次分頻后的頻率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、把開關往左撥,即斷開4046與4522的連接,測試4046本身的振動頻率4046本身的振動頻率f(MHz1.515MHz3、撥動撥碼盤,測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/、到9991.01M檢測/、到八、實驗小結在做實驗過程中碰到一下幾個問題:1、開始時,輸出一直沒有信號首先我先檢查了振蕩源,M分頻,N分頻及鎖相環(huán)模塊,先確定是那個模塊出了問題.檢查結果發(fā)現(xiàn)振蕩源不起振,經(jīng)過認真檢查了電路,后來發(fā)現(xiàn)原來是自己沒有認真閱讀芯片資料,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,輸出仍然沒有信號1)檢查M分頻,用示波器觀察4518各級分頻器的輸出信號,輸出結果為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,4046的4腳輸出信號能跟蹤14腳輸入信號,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,把撥碼盤撥為100,觀察輸出信號是否為IKHz,結果發(fā)現(xiàn)沒有輸出信號,可以判斷問題是出在N分頻局部,然后搭成單級電路的方法檢查每片4522是否正常,再接成級聯(lián)的,撥盤開關置為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輸入頻率較小時,輸出是一個比擬好的方波信號,如果輸出頻率到達

15、400KHz以上時,就會發(fā)現(xiàn)輸出信號的邊沿不夠陡峭,為了解決這個問題,我在輸出端在接了一個斯密特觸發(fā)器74HC14起到整形的效果.4、當頻率到700KHz以上時,發(fā)現(xiàn)頻率偏差范圍就比擬大,為了使能夠調(diào)節(jié),我通過一個定值電阻和電位器來作為鎖相環(huán)的R1和R25、為什么當頻率為900KHz以上時,4046的3引腳頻率不能測到1KHN我想原因應該有多種可能,一種是可能鎖相環(huán)的鎖定范圍不能到達900KHz但是4腳的輸出頻率為909.1KHz,從這個可以看出應該還是在鎖相環(huán)的鎖定范圍的；另一種可能就是N分頻的問題,當輸入為100分頻時,3腳可以測出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,當輸入為900時,3腳信號的占空比更小了,示波器可能測不出來.九、心得體會通過本次實驗,使自己對鎖相環(huán)的工作原理及其應用有了較深的理解,鎖相環(huán)應用愈廣,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.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的行同步和幀同步,以提升抗干擾水平.很重要的一點是,通過實驗提升了發(fā)現(xiàn)問題,運用理論知識解決實際問題的水平.通過調(diào)試來發(fā)現(xiàn)自己的錯誤并分析及排除這些故障,結合自己在實驗過程中碰到的問題,我覺得在調(diào)試過程中應該注意以下幾點：A、調(diào)試時應該分模塊進行調(diào)試,每個模塊都測試成功之后再測試整體,這樣可以更好的檢查出問題所在.就比方這次實驗,剛開始時,晶振不起振,這時我就用函發(fā)直接輸入一個1MHz的頻率作為頻率源,檢測M分頻的輸出是否正常,同樣的做法來判斷N分頻是否正常.B、要學會從檢測結果中分析出是那些出來問題.比方在檢測M分頻過