高頻電路實習(xí)報告.doc

一、 實習(xí)名稱及選題意義實習(xí)名稱：集成鎖相環(huán)調(diào)頻、鑒頻的設(shè)計、安裝意義：1.通過高頻課程設(shè)計實習(xí)，使學(xué)生加強對高頻電子技術(shù)電路的理解，學(xué)會查尋資料方案比較，以及設(shè)計計算等環(huán)節(jié)。進一步提高分析解決實際問題的能力，創(chuàng)造一個動腦動手獨立開展電路實驗的機會，鍛煉分析解決高頻電子電路問題的實際本領(lǐng)，真正實現(xiàn)由課本知識向?qū)嶋H能力的轉(zhuǎn)化；通過典型電路的設(shè)計與制作，加深對基本原理的了解，增強學(xué)生的實踐能力。2.（1）熟悉集成壓控振蕩器（2）熟悉集成壓控振蕩器構(gòu)成的頻率調(diào)制器的工作原理。（3）. 研究集成電路頻率調(diào)制器的電壓調(diào)制特性.。二、總體方案上午下午星期二畫圖，設(shè)計電路板刻板星期三腐蝕，鉆孔焊接星期四測試測試星期五測試寫實習(xí)報告三、各部分設(shè)計與原理分析（一）鎖相環(huán) cd4046 原理及應(yīng)用鎖相的意義是相位同步的自動控制，能夠完成兩個電信號相位同步的自動控制閉環(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、自動控制及時鐘同步等技術(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輸入端的外部輸入信號ui與來自壓控振蕩器的輸出信號uo相比較，比較結(jié)果產(chǎn)生的誤差輸出電壓u正比于ui和uo兩個信號的相位差，經(jīng)過低通濾波器濾除高頻分量后，得到一個平均值電壓ud。這個平均值電壓ud朝著減小co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頻率獲得一致。這時兩個信號頻率相同，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，它還具有“捕捉”信號的能力，vco可在某一范圍內(nèi)自動跟蹤輸入信號的變化，如果輸入信號頻率在鎖相環(huán)的捕捉范圍內(nèi)發(fā)生變化，鎖相環(huán)能捕捉到輸人信號頻率，并強迫vco鎖定在這個頻率上。鎖相環(huán)應(yīng)用非常靈活，如果輸入信號頻率f1不等于vco輸出信號頻率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運算器，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。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：圖 2 1腳相位輸出端，環(huán)路人鎖時為高電平，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)壓管負極。 圖3是cd4046內(nèi)部電原理框圖，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。比較器采用異或門結(jié)構(gòu)，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u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。當(dāng)ui、uo的相位差在0-180范圍內(nèi)變化時，u的脈沖寬度m亦隨之改變，即占空比亦在改變。從比較器的輸入和輸出信號的波形（如圖4所示）可知，其輸出信號的頻率等于輸入信號頻率的兩倍，并且與兩個輸入信號之間的中心頻率保持90相移。從圖中還可知，fout不一定是對稱波形。對相位比較器，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 3相位比較器是一個由信號的上升沿控制的數(shù)字存儲網(wǎng)絡(luò)。它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)達到鎖定時，在相位比較器的兩個輸人信號之間保持0相移。對相位比較器而言，當(dāng)14腳的輸入信號比3腳的比較信號頻率低時，輸出為邏輯“0”；反之則輸出邏輯“1”。如果兩信號的頻率相同而相位不同，當(dāng)輸人信號的相位滯后于比較信號時，相位比較器輸出的為正脈沖，當(dāng)相位超前時則輸出為負脈沖。在這兩種情況下，從1腳都有與上述正、負脈沖寬度相同的負脈沖產(chǎn)生。從相位比較器輸出的正、負脈沖的寬度均等于兩個輸入脈沖上升沿之間的相位差。而當(dāng)兩個輸入脈沖的頻率和相位均相同時，相位比較器的輸出為高阻態(tài)，則1腳輸出高電平。上述波形如圖5所示。由此可見，從1腳輸出信號是負脈沖還是固定高電平就可以判斷兩個輸入信號的情況了。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對跟蹤的輸入信號的頻率寬度有要求時還需要外接電阻r2。由于vco是一個電流控制振蕩器，對定時電容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，其輸出頻率最低；當(dāng)輸入控制電壓等于電源電壓vdd時，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電容c1完成，故它的輸出波形是對稱方波。一般規(guī)定cd4046的最高頻率為1。2mhz(vdd=15v），若vdd15v，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變成方波或脈沖信號送至兩相位比較器。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。齊納二極管可單獨使用，其穩(wěn)壓值為5v，若與ttl電路匹配時，可用作輔助電源。 綜上所述，cd4046工作原理如下：輸入信號 ui從14腳輸入后，經(jīng)放大器a1進行放大、整形后加到相位比較器、的輸入端，圖3開關(guān)k撥至2腳，則比較器將從3腳輸入的比較信號uo與輸入信號ui作相位比較，從相位比較器輸出的誤差電壓u則反映出兩者的相位差。u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迅速逼近信號頻率f1。vco的輸出又經(jīng)除法器再進入相位比較器，繼續(xù)與ui進行相位比較，最后使得f2f1，兩者的相位差為一定值，實現(xiàn)了相位鎖定。若開關(guān)k撥至13腳，則相位比較器工作，過程與上述相同，不再贅述。下面介紹cd4046典型應(yīng)用電路。圖6是用cd4046的vco組成的方波發(fā)生器，當(dāng)其9腳輸入端固定接電源時，電路即起基本方波振蕩器的作用。振蕩器的充、放電電容c1接在6腳與7腳之間，調(diào)節(jié)電阻r1阻值即可調(diào)整振蕩器振蕩頻率，振蕩方波信號從4腳輸出。按圖示數(shù)值，振蕩頻率變化范圍在20hz至2khz。圖 6 圖7是cd4046鎖相環(huán)用于調(diào)頻信號的解調(diào)電路。如果由載頻為10khz組成的調(diào)頻信號，用400hz音頻信號調(diào)制，假如調(diào)頻信號的總振幅小于400mv時，用cd4046時則應(yīng)經(jīng)放大器放大后用交流耦合到鎖相環(huán)的14腳輸入端環(huán)路的相位比較器采用比較器，因為需要鎖相環(huán)系統(tǒng)中的中心頻率f0等于調(diào)頻信號的載頻，這樣會引起壓控振蕩器輸出與輸入信號輸入間產(chǎn)生不同的相位差，從而在壓控振蕩器輸入端產(chǎn)生與輸入信號頻率變化相應(yīng)的電壓變化，這個電壓變化經(jīng)源跟隨器隔離后在壓控振蕩器的解調(diào)輸出端10腳輸出解調(diào)信號。當(dāng)vdd為10v，r1為10k，c1為100pf時，鎖相環(huán)路的捕捉范圍為0.4khz。解調(diào)器輸出幅度取決于源跟隨器外接電阻r3值的大小。圖 7（二）附圖為提供設(shè)計圖1、調(diào)頻器調(diào)頻器由ic1中的vco及外圍元件組成，中心頻率由腳間所接電容1000pf和變?nèi)荻O管的靜態(tài)電容以及腳所接電阻決定。當(dāng)加上1khz的調(diào)制信號時，由于其瞬時電壓變化，變?nèi)荻O管的容量隨之變化，腳輸出的瞬時頻率隨調(diào)制信號變化，即輸出調(diào)頻波。2、鑒頻器鑒頻器由ic2及外圍元件組成。當(dāng)14腳未接輸入信號時，腳輸出信號的頻率應(yīng)與調(diào)頻器的中心頻率接近。當(dāng)14腳接ic1腳信號（未調(diào)制），則腳的輸出信號頻率完全等于14腳的輸入信號頻率。當(dāng)14腳接ic1腳輸出的vfm時，由于vco的頻率跟蹤vfm的變化，所以腳輸出的是解調(diào)電壓。四、實習(xí)設(shè)計指標(biāo)要求：1.觀測輸入調(diào)制信號為直流時的調(diào)頻方波，觀察輸入調(diào)制信號為正弦波和方波時的調(diào)頻方波，了解定時元件rt、ct對4046集成電路調(diào)頻器工作的影響。（1）、用萬用表測各管腳的直流電壓值。（2）、調(diào)節(jié)rw，使變?nèi)荻O管兩端的電壓變化，從ic1腳測量對應(yīng)頻率和波形。（3）、用頻率計分別測量ic1（調(diào)頻器，未調(diào)制）和ic2（鑒頻器）的腳輸出信號的頻率，調(diào)節(jié)rw使兩者頻率接近相等。（4）、觀察鎖定時兩者的頻率關(guān)系：將ic1（未調(diào)制）的腳輸出接ic2的14腳輸入，分別測量ic1和ic2腳的輸出頻率。（5）、觀察頻率調(diào)制情況：附圖1a點接1khz的正弦調(diào)制信號，用示波器從ic1的腳觀察波形的變化。（6）、觀察解調(diào)輸出情況：將ic1腳輸出接ic2的14腳，附圖2a點仍接1khz的正弦調(diào)制信號，用示波器觀察ic2的腳輸出波形，并與附圖2中a點的調(diào)制信號比較。五、實驗結(jié)果與心得體會實驗設(shè)計制作的電路板如下：并附上制版圖紙實驗結(jié)果：1. 在設(shè)計電路的時候，我們充分的發(fā)揮了自己的能力，通過“繞”和“鉆”把版面的布局盡可能的美觀和實用。我覺得這方面我們做的還是比較好的。2. 在制版的過程中，我們吸取了上個學(xué)期模電教訓(xùn)，認真的刻板并多次檢查電路是否存在錯誤，但是在腐蝕的過程中，掌握的時間不夠精確導(dǎo)致腐蝕有點過度，版面老化。這是我們的一個失誤。3. 在定位打孔方面，我們做過精確地測量所以元件布置的挺合理，除了我們沒有分清楚不同電容的腳間距造成兩個電容有點失誤之外，其他的一切都很好。還有就是我們的焊接還是焊的比較不錯的，沒有出現(xiàn)虛焊之類的問題，還比較美觀。4. 在測試方面，我們的電路一通電就起振了，但是鎖相的頻率的跳動范圍比較大對鎖相造成了一定困難。其實我們很早就已經(jīng)解調(diào)出來了，但是由于我們對這一知識不夠熟識而錯過。因此，我們白白的浪費了一天的時間。5. 總體來說，這一次的實習(xí)還是比較成功的，最后解調(diào)出來的波形與輸入波形基本一致，沒有什么干擾，只是相位有點偏差。心得：在此次實習(xí)過程中，我們遇到了的問題不是很多，但是比較麻煩。解決這些問題的時候我們也學(xué)到了很多，實習(xí)需要的是細心，耐心以及責(zé)任心。在實習(xí)前把相關(guān)的知識點弄面這是很重要的，這會有助于我們更好的完成實驗。遇到問題，我們不應(yīng)該太過于依靠老師，我們得學(xué)會自己檢查，實在是檢查不出來的時候，才應(yīng)該向老師請教。只有自己親自去思考，才能學(xué)到知識。六、參考文獻1 國防科技大學(xué) 高吉祥主編電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗與課程設(shè)計第二版2 萬心平,張厥盛.集成鎖相環(huán)路-原理、特性、應(yīng)用.北京：人民郵電出版社1990.3 電