鎖相環(huán)倍頻器

鎖相環(huán)倍頻器摘要倍頻器(frequencymultiplier)使輸出信號(hào)頻率等于輸入信號(hào)頻率整數(shù)倍的電路。輸入頻率為fl,則輸出頻率為fO=nfl,系數(shù)n為任意正整數(shù)，稱倍頻次數(shù)。倍頻器用途廣泛，如發(fā)射機(jī)采用倍頻器后可使主振器振蕩在較低頻率，以提高頻率穩(wěn)定度；調(diào)頻設(shè)備用倍頻器來增大頻率偏移；在相位鍵控通信機(jī)中,倍頻器是載波恢復(fù)電路的一個(gè)重要組成單元。利用非線性電路產(chǎn)生高次諧波或者利用頻率控制回路都可以構(gòu)成倍頻器。倍頻器也可由一個(gè)壓控振蕩器和控制環(huán)路構(gòu)成。它的控制電路產(chǎn)生一控制電壓,使壓控振蕩器的振蕩頻率嚴(yán)格地鎖定在輸入頻率fl的倍乘值fO=nf1上。目錄課題目……………4課題介紹…………4關(guān)鍵詞……………4鎖相環(huán)介紹………………………4CD4046介紹……………………6CD4518介紹……………………10鎖相環(huán)倍頻器設(shè)計(jì)電路及工作原理…………………12電路元件清單……………………13焊接與制作………………………13十實(shí)物圖……………14十一心得體會(huì)…………14十二參考文獻(xiàn)…………15十三致謝………………15題目鎖相環(huán)倍頻器一．本次課程設(shè)計(jì)主要是配合《模擬電子技術(shù)》和數(shù)字電子技術(shù)》理論課程而設(shè)置的一次實(shí)踐性課程，祈禱鞏固所學(xué)知識(shí)，加強(qiáng)綜合實(shí)力，培養(yǎng)電路設(shè)計(jì)能力，提高實(shí)驗(yàn)技術(shù)，啟發(fā)創(chuàng)新思想的效果。二．課程介紹倍頻器有晶體管倍頻器、變?nèi)荻O管倍頻器、階躍恢復(fù)二極管倍頻器等。用其他非線性電阻、電感和電容也能構(gòu)成倍頻器，如鐵氧體倍頻器等。非線性電阻構(gòu)成的倍頻器，倍頻噪聲較大。這是因?yàn)榉蔷€性變換過程中產(chǎn)生的大量諧波使輸出信號(hào)相位不穩(wěn)定而引起的。倍頻次數(shù)越高，倍頻噪聲就越大，使倍頻器的應(yīng)用受到限制。在要求倍頻噪聲較小的設(shè)備中，可采用根據(jù)鎖相環(huán)原理構(gòu)成的鎖相環(huán)倍頻器和同步倍頻器。三．關(guān)鍵詞鎖相環(huán)CD4046CD4518四．鎖相環(huán)介紹鎖相環(huán)（phase-lockedloop）:為無線電發(fā)射中使頻率較為穩(wěn)定的一種方法，。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甲正比于Ui和Uo兩個(gè)信號(hào)的相位差，經(jīng)過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VCO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)的頻率相同，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fl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。過去的鎖相環(huán)多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3V-18V），輸入阻抗高（約100MQ）,動(dòng)態(tài)功耗小，在中心頻率fO為10kHz下功耗僅為600口W，屬微功耗器件。60年代初隨著數(shù)字通信系統(tǒng)的發(fā)展，鎖相環(huán)應(yīng)用愈廣，例如為相干解調(diào)提取參考載波,建立位同步等。具有門限擴(kuò)展能力的調(diào)頻信號(hào)鎖相鑒頻器也是在60年代初發(fā)展起來的。在電子儀器方面，鎖相環(huán)在頻率合成器和相位計(jì)等儀器中起了重要作用.五.CD4046介紹圖2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：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I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，用于FM解調(diào)。11、12腳外接振蕩電阻。13腳相位比較器II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圖3是CD4046內(nèi)部電原理框圖，主要由相位比較1、11、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I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甲為高電平；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甲輸出為低電平。當(dāng)Ui、Uo的相位差A(yù)?在0°-180°范圍內(nèi)變化時(shí)，U甲的脈沖寬度m亦隨之改變，即占空比亦在改變。從比較器I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I,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4相位比較器II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II的兩個(gè)輸人信號(hào)之間保持0°相移。對(duì)相位比較器II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)的相位滯后于比較信號(hào)時(shí)，相位比較器II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II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II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，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Cl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VDD<15V，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1、11的輸入端，圖3開關(guān)K撥至2腳，則比較器I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甲則反映出兩者的相位差。U甲經(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I,繼續(xù)與Ui進(jìn)行相位比較，最后使得f2=f1，兩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，則相位比較器II工作，過程與上述相同。六.CD4518介紹CD4518是二、十進(jìn)制（8421編碼）同步加計(jì)數(shù)器，內(nèi)含兩個(gè)單元的加計(jì)數(shù)器，其功能表如真值表所示。每單個(gè)單元有兩個(gè)時(shí)鐘輸入端CLK和EN，可用時(shí)鐘脈沖的上升沿或下降沿觸發(fā)。由表可知，若用ENABLE信號(hào)下降沿觸發(fā)，觸發(fā)信號(hào)由EN端輸入，CLK端置“0”；若用CL°CK信號(hào)上升沿觸發(fā)，觸發(fā)信號(hào)由CL°CK端輸入，ENABLE端置“1”。RESET端是清零端，RESET端置“1”時(shí)，計(jì)數(shù)器各端輸出端Q1?Q4均為“0”，只有RESET端置“0”時(shí)，CD4518才開始計(jì)數(shù)。CD4518采用并行進(jìn)位方式，只要輸入一個(gè)時(shí)鐘脈沖，計(jì)數(shù)單元Q1翻轉(zhuǎn)一次；當(dāng)Q1為1,Q4為0時(shí)，每輸入一個(gè)時(shí)鐘脈沖，計(jì)數(shù)單元Q2翻轉(zhuǎn)一次；當(dāng)Q1=Q2=1時(shí)，每輸入一個(gè)時(shí)鐘脈沖Q3翻轉(zhuǎn)一次；當(dāng)Q1=Q2=Q3=1或Q1=Q4=1時(shí)，每輸入一個(gè)時(shí)鐘脈沖Q4翻轉(zhuǎn)一次。這樣從初始狀態(tài)（“0”態(tài)）開始計(jì)數(shù)，每輸入10個(gè)時(shí)鐘脈沖，計(jì)數(shù)單元便自動(dòng)恢復(fù)到“0”態(tài)。若將第一個(gè)加計(jì)數(shù)器的輸出端Q4A作為第二個(gè)加計(jì)數(shù)器的輸入端ENB的時(shí)鐘脈沖信號(hào)，便可組成兩位8421編碼計(jì)數(shù)器，依次下去可以進(jìn)行多位串行計(jì)數(shù)。CD4520/CC4520為二進(jìn)制加計(jì)數(shù)器，由兩個(gè)相同的內(nèi)同步4級(jí)計(jì)數(shù)器構(gòu)成。計(jì)數(shù)器級(jí)為D型觸發(fā)器，具有內(nèi)部可交換CP和EN線，用于在時(shí)鐘上升沿或下降沿加計(jì)數(shù)。在單個(gè)單元運(yùn)算中，EN輸入保持高電平，且在CP上升沿進(jìn)位。CR線為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。計(jì)數(shù)器在脈動(dòng)模式可級(jí)聯(lián)，通過將Q3連接至下一計(jì)數(shù)器的EN輸入端可實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)，同時(shí)后者的CP輸入保持低電平。引腳功能：引腳符號(hào)功能19CLOCK時(shí)鐘輸入端715RESET消除端210ENABLE計(jì)數(shù)允許控制端3456Q1A-Q4A計(jì)數(shù)輸出端11121314Q1B-Q4B計(jì)數(shù)輸出端8vss地16VDD電源正圖6圖6為CD4518引腳圖七．鎖相環(huán)倍頻器設(shè)計(jì)電路及工作原理圖7圖7用CD4046與BCD加法計(jì)數(shù)器CD4518構(gòu)成的100倍頻電路。剛開機(jī)時(shí)，f2可能不等于f1,假定f2<fl,此時(shí)相位比較器II輸U(kuò)甲為高電平，經(jīng)濾波后Ud逐漸升高使VCO輸出頻率f2迅速上升，f2增大值至f2=f1,如果此時(shí)Ui滯后U0,貝V相位比較器II輸出U甲為低電平。U甲經(jīng)濾波后得到的Ud信號(hào)開始下降，這就迫使VCO對(duì)f2進(jìn)行微調(diào)，最后達(dá)到f2/N=f1，并且f2與fl的相位差△e=o°。，進(jìn)入鎖定狀態(tài)。如果此后fl又發(fā)生變化，鎖