基于锁相环的频率合成器的设计

一、设计和制作任务    3

二、主要技术指标    3

三、确定电路组成方案    3

四、设计方法    3

（一）、振荡源的设计    3

（二）、N分频的设计    4

（三）、1KHZ标准信号源设计（即M分频的设计）    5

五、锁相环参数设计    6

六、电路板制作    7

七、调试步骤    7

八、实验小结    8

九、心得体会    9

  附录：各芯片的管脚图……………………………………………………………10

基于锁相环的频率合成器的设计

内容摘要：

频率合成是以一个或少量的高准确度和高稳定度的标准频率作为参考频率，由此导出多个或大量的输出频率，这些输出的准确度与稳定度与参考频率是一致的。在通信、雷达、测控、仪器表等电子系统中有广泛的应用，

频率合成器有直接式频率合成器、直接数字式频率合成器及锁相频率合成器三种基本模式，前两种属于开环系统，因此是有频率转换时间短，分辨率较高等优点，而锁相频率合成器是一种闭环系统，其频率转换时间和分辨率均不如前两种好，但其结构简单，成本低。并且输出频率的准确度不逊色与前两种，因此采用锁相频率合成。

一、设计和制作任务

1． 确定电路形式，画出电路图。

2．计算电路元件参数并选取元件。

3．组装焊接电路。

4．调试并测量电路性能。

5．写出课程设计报告书

二、主要技术指标

1．频率步进   1kHz

2．频率稳定度≤1KHz

3． 电源电压   Vcc=5V

4. 频率输出范围 1KHz-999KHz

三、确定电路组成方案

原理框图如下，锁相环路对稳定度的参考振动器锁定，环内串接可编程的分频器，通过改变分频器的分配比N，从而就得到N倍参考频率的稳定输出。晶体振荡器输出的信号频率f1，经固定分频后（M分频）得到基准频率f1’，输入锁相环的相位比较器（PC）。锁相环的VCO输出信号经可编程分频器（N分频）后输入到PC的另一端，这两个信号进行相位比较，当锁相环路锁定后得到：

f1/M=f1’=f2/N    故 f2=Nf’1          (f’1为基准频率)

当N变化时，或者N/M变化时，就可以得到一系列的输出频率f2。

四、设计方法

（一）、振荡源的设计

用CMOS与非门和1M晶体组成

1MHz振荡器，如图14。图中Rf 使

F1工作于线性放大区。晶体的等效

电感，C1、C2构成谐振回路。C1、

C2可利用器件的分布电容不另接。

F1、F2、F3使用CD4049。

（二）、N分频的设计

方案一：用一片CD4017作分频器组成2-9KHZ频率合成器。

4017构成二、三，┅九等分频器，将上述4017组成的分频器代入图15中的1/N分频器，就组成2——9KHZ频率合成器。

方案二：单片CD4522频率合成器构成1-9kHz变化。

CD4522是可预置数的二一十进制1/N减计数器。其引脚见附录。其中D1-D4是预置端，Q1—Q4是计数器输出端，其余控制端的功能如下：

PE（3）=1时，D1—D4值置进计数器EN（4）=0，且CP（6）时，计数器（Q1—Q4）减计数；CF（13）=1且计数器（Q1—Q4）减到0时，QC(12)=1            

Cr(10) =1时，计数器清零。               

单片4522分频器，拨盘开关为BCD码开关，如当数据窗口显示3时则A和1，2相连；当显示5时，则A和14相连，其余类推。4个100K电阻用来保证当拨盘开关为某脚不

和A相连，也就是悬空时，为低电平。工作过程是这样的：设拨盘开关拨到N，当某时刻PE（3）=1，        

则N置到IC内的计数器中，下一个CP来时，计数器减计数变为N-1，……，一直到第N个CP来时，计数器为0。这时由于CF（13）=1，所以QC（12）=1，也即PE（3）=1又恢复到开始状态，开始一个新的循环。很显然，每来个N个CP，QC（12）就会出现一个高电平，也就是QC（12）应是CP的N分频信号。用改图电路代替上图中4017部分，组成1－9KHz频率合成器

方案三：用三片4522组成1——999HHZ频率合成器

如下图，最终应做到拨盘开关的数值是多少，VCO输出信号的频率就是多少KHz。

                图3   1——999HHZ频率合成器

方案比较：

  虽然三个方案都能实现频率合成器，方案一和方案二差不多，原理简单，结构清晰，但是最终频率只能实现1-9kHz，而方案三虽然原理和结构上都比较复杂，但是可以达到1-999KHz的频率变化，所以选择方案三。

（三）、1KHZ标准信号源设计（即M分频的设计）

     根据4518的输出波形图，可以看出4518包含二分频、四分频、十分频，用二片CD4518（共4个计数器）组成一个1000分频器，也就是三个十分频器，这样就可把1MHz的晶振信号变成1KHz的标准信号。如下图所示：

通过前面的分析可以得到总体的设计电路图如下：

五、锁相环参数设计

本设计中，M固定，N可变。基准频率f’1定为1KHz，改变N值，使N=1~999，则可产生f2=1KHz—999KHz的频率范围。锁相环锁存范围：

fmax=1M~1.1MHz

fmin=100~1KHz

则fmax/fmin=1K~11K

使用相位比较器PC2

1）若R2≠∞，则由fmax/fmin=1K-11K

由右图大概确定R2/R1的值约为（1-10）K

选定R1=10KΩ,可得R2=（100-500）KΩ。

选定Vdd=5-10v,参照右图与fmin=100~1kHz可求出

C1=2*10-4uF

2）若R2=∞，由fo=fmax/2=500KHz,参照图5并选定Vdd=5~10v，可得C1=1.5*10-4~2*10-4uF

又 2fc=fmax+fmin=(1000.1~1001)kHz,

2fl=fmax-fmin=(999~999.9)kHz,

     T1=R3*C2  最终算出

R3*C2=2π*fl/(2πfc)2 =0.318uF    

令R3=10KΩ，则C2≈31.8pF

六、电路板制作   

在制作电路板之前，要先对整个电路结构及其在万用板的布局进行分析，然后画出实际的布线图。在焊电路板之前，应该要做一些准备工作，把各个元器件和工具都准备好，很重要的一点就是要选择一块比较新的万用板，这样在焊接过程中比较好焊，容易使锡粘到铜圈上。由于要产生1KHz-999KHz的较高频率，所以在焊接电路时要尽量使各个器件都贴在万用板上，减小各个器件的引脚，从而降低对电路的影响。

为了使整个电路在外观上更加的美观和稳定，所以在焊接时全部用锡来作为导线连接，如果稍微连错的话就不好改，所以在焊接时要非常的认真。

七、调试步骤

1、接上电源后，测试晶振产生的频率f0和经过各次分频后的频率fi。

在做实验过程中碰到一下几个问题：

1、开始时，输出一直没有信号

首先我先检查了振荡源，M分频，N分频及锁相环模块，先确定是那个模块出了问题。检查结果发现振荡源不起振，经过认真检查了电路，后来发现原来是自己没有认真阅读芯片资料，CD4049的电源是接1脚的，而我把电源给接16脚了。

2、振荡源起振后，输出仍然没有信号

   1）检查M分频，用示波器观察4518各级分频器的输出信号，输出结果为1KHz，显然M分频模块正常工作。

2）检查锁相环部分，断开4046的鉴相器输入端（3）脚和4522的连线，让4046的（3）、（4）脚短接，即不分频。4046的（14）脚输入几KHz～几百KHz的CMOS信号，4046的（4）脚输出信号能跟踪（14）脚输入信号，所以锁相部分也正常。

3）检查N分频，用函发源直接给4522的输入端输入100kHZ信号，把拨码盘拨为100，观察输出信号是否为1KHz，结果发现没有输出信号，可以判断问题是出在N分频部分，然后搭成单级电路的方法检查每片4522是否正常，再接成级联的，拨盘开关置为100多，用示波器可以观察到分频器的输入、输出波形。

3、输出波形不是方波

当输入频率较小时，输出是一个比较好的方波信号，如果输出频率达到400KHz以上时，就会发现输出信号的边沿不够陡峭，为了解决这个问题，我在输出端在接了一个斯密特触发器74HC14，起到整形的效果。

4、当频率到700KHz以上时，发现频率偏差范围就比较大，为了使能够调节，我通过一个定值电阻和电位器来作为锁相环的R1和R2。

5、为什么当频率为900KHz以上时，4046的3引脚频率不能测到1KHz？

我想原因应该有多种可能，一种是可能锁相环的锁定范围不能达到900KHz，但是4脚的输出频率为909.1KHz，从这个可以看出应该还是在锁相环的锁定范围的；另一种可能就是N分频的问题，当输入为100分频时，3脚可以测出1.012KHz，但是占空比已经是非常小的了，从示波器上只能看到一条线，当输入为900时，3脚信号的占空比更小了，示波器可能测不出来。

九、心得体会

通过本次实验，使自己对锁相环的工作原理及其应用有了较深的理解，锁相环应用愈广，锁相环是在无线电发射中使频率较为稳定的一种方法。例如为相干解调提取参考载波、建立位同步等，也可以用于改善电视接收机的行同步和帧同步，以提高抗干扰能力。

很重要的一点是，通过实验提高了发现问题，运用理论知识解决实际问题的能力。通过调试来发现自己的错误并分析及排除这些故障，结合自己在实验过程中碰到的问题，我觉得在调试过程中应该注意以下几点：

A、调试时应该分模块进行调试，每个模块都测试成功之后再测试整体，这样可以更好的检查出问题所在。就比如这次实验，刚开始时，晶振不起振，这时我就用函发直接输入一个1MHz的频率作为频率源，检测M分频的输出是否正常，同样的做法来判断N分频是否正常。

B、要学会从检测结果中分析出是那些出来问题。比如在检测M分频过程中，发现第二片的4518输入为10KHz，但是输出没有信号，由此可以看出问题出在第二片的4518，我先检查了这块芯片的连线图是否正确，发现没有错误，可能是芯片出了问题，更换芯片后发现M分频正常工作，输出为1KHz。

 附录：各芯片的管脚图  

4049                              4518     

4046