1、苏州工业园区职业技术学院毕业设计（论文）毕业设计（论文）2005 届2005 年 05 月 30 日课题名称： 基于锁相环路的调频鉴频器 专业名称： 工业电子 姓 名： 周培培 学 号： 200200100 班 级： 电子 02305 指导教师： 李红益 苏州工业园区职业技术学院毕业论文（设计）- 1 -苏州工业园区职业技术学院毕 业 设 计 （ 论 文 ） 任 务 书系 部 ： 电 子 工 程 系 设 计 （ 论 文 ） 题 目 ： 基 于 锁 相 环 路 的 调 频 鉴 频 器指 导 教 师 ： 李 红 益 职 称 ： 工 程 师 类 别 ： 毕 业 设 计学 生 ： 周 培 培 专 业
2、： 工 业 电 子 班 级 ： 电 子 023051、 设 计 （ 论 文 ） 的 主 要 任 务 及 目 标介绍锁相环路、CD4046 的工作原理和调频鉴频电路；完成一篇 5000 字左右的设计报告。2、 设 计 （ 论 文 ） 的 主 要 内 容（1） 、锁相环路、调频、鉴频的工作原理。（2） 、锁相环路、调频、鉴频的电路图。（3） 、CD4046 的功能引脚、内部电原理框图。苏州工业园区职业技术学院毕业论文（设计）- 2 -3、 主 要 参 考 文 献【 1】 陈 邦 媛 ： 射 频 通 信 电 路 ， 科 学 出 版 社【 2】 高 吉 祥 ： 高 频 电 子 线 路 ， 电 子 工
3、业 出 版 社【 3】 申 功 迈 钮 文 良 ： 高 频 电 子 线 路 ， 西 安 电 子 科 技 大 学出 版 社4、 进 度 安 排设 计 （ 论 文 ） 各 阶 段 任 务 起 止 日 期1 资料收集、课题选择 3.15 以前2 方案设计、模块规划 3.154.103 原理图设计、PCB 制作 4.104.304 论文书写、修改 5.016.015 思路总结、答辩准备 6.016.10苏州工业园区职业技术学院毕业论文（设计）摘 要锁 相 环 路 是 一 个 闭 环 的 自 动 相 位 控 制 系 统 。 它 在 现 代 电 子 系 统 中 有 广 泛 的 应 用 。这 次 毕 业 设
4、 计 我 介 绍 了 调 频 、 鉴 频 电 路 ， 锁 相 环 电 路 ， 常 用 的 4046 芯 片 。在 这 篇 文 章 中 我 主 要 分 析 了 锁 相 调 频 电 路 和 锁 相 鉴 频 电 路 ， 这 两 个 电 路 都 用了 4046 这 个 芯 片 ， 文 章 中 我 也 仔 细 的 介 绍 了 4046 的 引 脚 和 内 部 原 理 框 图 。关 键 词 ： 锁 相 环 调 频 鉴 频 CD4046苏州工业园区职业技术学院毕业论文（设计）目 录一 、 引 言 1二 、 调 频 、 鉴 频 的 原 理 1（ 一 ） 调 频 原 理 1（ 二 ） 鉴 频 原 理 2三 、
5、锁 相 环 电 路 2（ 一 ） 锁相环路主要特点 2（ 二 ） 锁相环路的跟踪特性 3（ 三 ） 锁相环路的工作原理 3（ 四 ） 锁相环路的基本特性 3四 、 CD4046 的工作原理 3（ 一 ） 引脚功能 3（ 二 ） CD4046 内部电原理框图 4五、锁相调频、鉴频电路 6（一）锁相调频电路 6（二）锁相鉴频电路 7结 束 语 8参 考 文 献 9苏州工业园区职业技术学院毕业论文（设计）苏州工业园区职业技术学院毕业论文（设计）1一、引言锁相环路（PLL）和 AGC、AFC 电路一样，也是一种反馈控制电路。它是一种相位误差控制系统，是将考信号与输出信号之间是相位进行比较，产生相位误差
6、电压来调整输出信号的相位，以达到同频的状态下。两个信号之间的稳定相差亦可做得很小。锁相环路早期应用于电视接收机的同步系统，使电视图象的同步性能得到了很大的改善。20 世纪 50 年代后期，随着空间技术的发展，锁相技术用于接收来自空间的微弱信号，显示了很大的优越性，它能把深埋在噪声中的信号（噪声比约-10-30dB）提取出来。因此，锁相环路技术得到迅速发展。到了 60 年代中、后期，随着微电字技术的发展，集成锁相环路也应运而生，因此，其应用范围越来越宽，在雷达、制导、导航、遥控、遥测、通信、仪器、测量、计算机乃至一般工业都有不同程度的应用，遍及整个电子技术领域，而且正朝着多用途，集成化，系列化，
7、高性能的方向进一步发展。锁相环路可分为模拟锁相环与数字锁相环。模拟锁相环的显著特征里相位比较器（鉴相器）输出的误差信号是连续的，对环路输出信号的相位调节是连续的，而不是离散的。二、调频、鉴频的原理（一）调频原理调频的实现有两种方法：直接调频和间接调频。直接调频是用调制信号直接控制主振荡回路元件的参考量 L 或 C，使主振荡频率受到控制，并接调制信号的规律变化，直接调频电路简单，频偏较大，但中心频率不易稳定。间接调频是先将调制信号积分，然后对载波进行调相，从而得到调频信号。间接调频电路的核心是调相，因此，在调制时可以部长主振荡电路中进行，易于保持中心频率的稳定，但不易获得大的频偏。调频电路的主要
8、要求如下：1、调制特性为线性调频拨的频率偏移与调制电压的关系称为调制特性。在一定的调制电压范围内，尽量提高调频电路调制特性线性度。这样才能保证不失真地传输信息。2、调制灵敏度要高单位调制电压变化所产生的频率偏移为调制灵敏度。提高灵敏度可提高调制信号的控制作用。但过高的灵敏度会对调频电路性能带来不利影响。3、中心频率的稳定度要高调频波的中心频率就是载波频率。为了保证接收机能正常接收调频信号。要求调频电路中心频率要有足够的稳定度。4、最大频偏在正常调制电压作用下，所能达到的最大频率偏移称为最大频偏fm ，这是根据对调频指数 mf 的要求确定的要求其数值在整个调制信号所占有的频带内保持恒定。不同的调
9、频系统要求有不同的最大频偏值fm。苏州工业园区职业技术学院毕业论文（设计）2调频的优点是容易得到较大频偏，缺点是频率稳定度不高，易产生调频失真。间接调频的优点是产生振荡过程与调制过程分开，可利用中心频率高度稳定的晶振，调制失真较小，间接调频的主要问题是如何实现调相。（二）鉴频原理调频波的解调称为鉴频。在调频波中，调制信息包含在已调信息瞬时频率的变化中。因此，鉴频就是把已调信号瞬时频率的变化转换成电压或电流的变化。鉴频特性曲线描述输出电压 U0 与输入信号频率 f 之间的关系。鉴频电路的主要性能指标：1、鉴频灵敏度 SD：指在调频波的中心频率 fc 附近，单位频偏所产生是输出电压的大小，即 SD
10、=u0/f。2、线性范围（带宽）：指鉴频特性近似为直线的范围，它表明鉴频器不失真解调时所允许的最大频率变化范围。3、非线性失真：在线性范围内鉴频特性只是近似线性，实际上仍存在着非线性失真。希望非线性失真尽量小。 三、锁相环电路锁相环路也是一种可以实现频率跟踪的自动控制电路，是通过对相位的控制来实现对频率的控制，可以实现无误差的频率跟踪。锁相技术是一种相位负反馈控制技术，锁相环电路具有极其优良的性能。（一）锁相环路主要特点1、锁定时无剩余频差。2、具有良好的窄带载波跟踪性能。3、具有良好的宽带调制跟踪性能。锁相技术是一种相位负反馈技术，它是通过比较输入信号和压控震荡器的输出信号的相位，取出与这两
11、个信号的相位差成正比的电压作为误差电压来控制振荡器的频率，达到使其与输入信号频率相等的目的。锁相的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环，简称 PLL。它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域。锁相环主要由相位比较器（PC） 、压控振荡器（ VCO） 、低通滤波器三部分组成，见图 3.1。图 3.1 锁相环电路框图苏州工业园区职业技术学院毕业论文（设计）3（二）锁相环路的跟踪特性当环路锁定后，如果输入信号频率 W，或 VCO 振荡频率 W0 跟踪 W0 跟踪 W1 而变化，维持 W0=W1 的锁定状态，这个过程称为跟踪过程或同步过程
12、。相对的，能够维持环路锁定所允许的最大固有频差| W1|；称为锁相环路的同步带或跟踪带，用W H 表示。由于环路锁定后，W1 或 W0 的变化也同样引起鉴相器的两个输入信号相位差的变化，因此，跟踪的基本原理与捕捉是类似的。但是，在环路锁定的情况下，缓慢的增大最大固有频差| W1|（例如改变 Wi） ，会使鉴相器输出的误差电压 Ud（t）产生缓慢变化，这时，环路滤波器对 Ud（t）的衰减很小，加到 VCO 的控制电压 Uc（t ）几乎等于 Ud（t ） ，从而使跟踪过程中环路的控制能力增强。因为在捕捉过程中的控制能力较差。因此，由于环路滤波器的存在，使锁相环路的捕捉带小于同步带。不难理解，A d
13、 和 AO 越大，环路滤波器直流增益就越大（或通频带越宽） ，环路的同步带 WH 也就越大。同样的，同步带还与VCO 的频率控制范围有关，只有当 VCO 的频率控制范围较大时，这时W H 的影响才可忽略，否则将W H 减小。（三）锁相环路的工作原理由于锁相环路能够自动控制相位，即利用输入信号与压控震荡器的输出信号的相位误差来减少相位的误差，最后达到相位缩定的目的。当相位锁定，即两个信号间的相位差为固定值时，必有两者间的频率相等。所以，锁相环只存在剩余相差，没有剩余频差。（四）锁相环路的基本特性（1）锁定后没有频差：在没有干扰和输入信号频率不变的情况下，环路一经锁定，环路的输出信号频率与输入信号
14、频率相等，没有剩余频差，只有不大的固定相差。（2）有自动跟踪特性：锁相环路在锁定时，输出信号频率能在一定范围内跟踪输入信号频率。（3）有良好的窄带特性：锁相环路相当于一个高频窄带滤波器，他不但能够滤除噪声和干扰，而且能跟踪输入信号的载频变化，从受噪声污染的未调和已调的输入信号中提取纯净的载波。四、CD4046 的工作原理CD4046 为 CMOS 单片集成锁相环的电路。它内部由线性压控振荡器（VCO） 、相位比较器及其他辅助电路组成。可用于频率合成器、鉴频器、FM 或 FSK 调制与解调器、数据传输位同不会法语载波提取及电压频率变换等设备。（一）引脚功能1 脚相位输出端，环路人锁时为高电平，环
15、路失锁时为低电平。PD 03-相位比较器 2输出的相位差信号，也为上升沿控制逻辑。2 脚相位比较器的输出端。PD 01-相位比较器 1 输出的相位差信号，它采用异或门结构，即鉴相特性为 PD01=PDI1+PDI2。苏州工业园区职业技术学院毕业论文（设计）43 脚比较信号输入端。PD I2-两个相位比较器输入信号，通常 PDI2 为来自 VCO 的参考信号。4 脚压控振荡器输出端。5 脚禁止端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作。INH-控制信号输入，若 INT=L，允许 VCO 工作和源极跟随器输出；若 INH=H，则相反，电路处于微功耗状态。6、7 脚外接振荡电容。C 1-接于 67
16、 端的电容，控制 VCO 的振荡频率。8、16 脚电源的负端和正端。V cc-正电源，通常选 5V 或 10V、15V 。9 脚压控振荡器的控制端。在锁相环电路中，通常 VCO1 来自相位差低通滤波输出，以平均电压控制 VCO 的振荡频率。其输出直接（或经分频）作为参考信号加到相位比较器。10 脚解调输出端，用于 FM 解调。SF 0源极跟随器输出。11、12 脚外接振荡电阻。R 1、R 2-外接电阻至地，分别控制 VCO 的最高和最低振荡频率13 脚相位比较器的输出端。PD 02-相位比较器 2 输出的三态相位差信号，它采用PDI1， PDI2 上升沿控制逻辑。14 脚信号输入端。PD I1
17、 输入允许将 0.1V 左右的小信号或方波经内部放大整形电路，送至相位比较器。15 脚内部独立的齐纳稳压管负极。其稳压值 V=58V，若与 TTL 电路匹配时，可作辅助电源。（二）CD4046 内部电原理框图下图 4.1 是 CD4046 内部电原理框图，主要由相位比较 、压控振荡器（VCO） 、线性放大器、源跟随器、整形电路等部分构成。比较器采用异或门结构，当两个输人端信号 Ui、Uo 的电平状态相异时（即一个高电平，一个为低电平） ，输出端信号 U 为高电平；反之，Ui、Uo 电平状态相同时（即两个均为高，或均为低电平） ，U 输出为低电平。当 Ui、Uo 的相位差 在 0-180范围内变
18、化时， U 的脉冲宽度 m 亦随之改变，即占空比亦在改变。从比较器的输入和输出信号的波形（如图 4.2 所示）可知，其输出信号的频率等于输入信号频率的两倍，并且与两个输入信号之间的中心频率保持 90相移。从图中还可知，fout 不一定是对称波形。对相位比较器 ，它要求 Ui、Uo 的占空比均为50（即方波） ，这样才能使锁定范围为最大。相位比较器是一个由信号的上升沿控制的数字存储网络。它对输入信号占空比的要求不高，允许输入非对称波形，它具有很宽的捕捉频率范围，而且不会锁定在输入信号的谐波。它提供数字误差信号和锁定信号（相位脉冲）两种输出，当达到锁定时，在相位比较器的两个输人信号之间保持 0相移。对相位比较器而言，当 14 脚的输入信号比 3 脚的比较信号频率低时，输出为逻辑“0”；反之则输出逻辑“1”。如果两信号的频率相同而相位不同，当输人信号的相位滞后于比较信
