1、四川信息职业技术学院毕业设计说明书第 1 页 共 16 页“锁相环技术”是近几年来迅速发展起来的一门技术，由于它的环路结构简单，性能良好。在许多新型的电子设备中，特别是在通信系统中，得到广泛的应用。随着通信技术的发展，锁相环技术在调制解调中扮演着越来越重要的角色。锁相环技术所以能得到这么广泛的应用，是由于其独特的优良性能所决定的。本设计用到的锁相环的跟踪特性，可制成高性能的调制器和解调器，它具有低门限特性，可大大改善模拟信号和数字信号的解调质量。在数字通信系统中，由于数字信号具有丰富的低频成分，不宜进行无线传输或长距离电缆传输，因而同模拟调制一样，需要将基带信号进行高频正弦调制，即数字调制。与
2、模拟调制相比，数字调制并无本质区别，都属于正弦波调制，但是数字调制系统也有自身的特点，其技术要求与模拟调制系统也有不同。一般来说，数字调制技术可分为两种类型：一是利用模拟方法实现数字调制，即把数字基带信号当作模拟信号的特殊情况来处理；二是利用数字信号的离散取值特点去键控载波，从而实现数字调制，这种方法通常称为键控法。常用的数字调制方式有振幅键控（2ASK）、移频键控（2FSK ）、移相键控（2PSK）等。随着科技的发展，电子产品市场运作节奏也进一步加快，涉及诸多领域的现代电子技术已迈入一个全新的阶段，如何把锁相环的强大优势发挥出来，就是目前电路研究发展的方向了。把锁相环技术应用与高频 2FSK
3、 信号的接收解调中，从而使电路性能得到进一步的改善，这对数字电路来说也算是个不小的突破。四川信息职业技术学院毕业设计说明书第 2 页 共 16 页第 2 章 方案设计2.1 方案比较2FSK 信号波形图如 2-1 图所示，它是由调制信号去控制载波信号，用载波的频率来传递数字信息，即用所传递的数字消息控制载波的频率。图 2-1 2FSK 信号波形图根据设计要求及相关技术指标，可拟定键控法、模拟调制法等两种方案。2.1.1 键控法调制器选用图 2-2 所示方案，采用石英晶体振荡器构成两个不同频率的载波发生器，用模拟双向开关 CD4066 实现开关 1 和开关 2，最后用集成运放构成加法电路，最终实
4、现 2FSK 调制。解调器选用图 2-3 所示方案，以 LC 谐振回路实现带通滤波，然后用两个模拟乘法器实现相干解调，最后用集成运放构成抽样判决器，实现2FSK 信号的解调。图 2-2 2FSK 信号键控法产生原理框图四川信息职业技术学院毕业设计说明书第 3 页 共 16 页图 2-3 2FSK 相干解调法原理框图2.1.2 模拟调制法采用图 2-4、图 2-5 所示方案实现模拟调制解调，以高频锁相环 NE564 为主体，辅以适当外围元件即可实现。若要构成适用的发射器及接收器，只需增加合适的发射功放及接收滤波、解调放大电路即可。图 2-4 2FSK 信号模拟调制法产生原理框图图 2-5 2FS
5、K 模拟解调法原理框图2.2 方案论证比较而言，选用模拟调制法更为经济、可靠，它具有低门限特性，可大大改善模拟信号和数字信号的解调质量。而高频模拟锁相环 NE564 的最高工作频率可达到50MHz，采用 +5V 单电源供电，特别适用于高速数字通信中 2FSK、FM 调频信号的调制、解调，无需外接复杂的滤波器。实际上，此法案是几年前流行的一种方案。就目前接收机技术来说，锁相环因为起得天独厚的性能优势，在接收机技术上可以有广阔的发展前景。但是因为发送信号的频率比较高，那么如何能够把这种信号很好的解出来，这成了锁相环技术的一种考验。本文主要就是研究利用锁相环，接收高频信号，并把它解调出来。模拟调制法
6、的设计就是在目前接收解调以及锁相环技术的蓬勃发展下，把锁相环技术运用与接收解调中，抛弃原来的纯分离元器件电路，而是利用高频锁相环集成电路 NE564，从而把原始信号更好的还原出来。利用锁相环集成电路不但使电路更加简单，而且性能更好，充分体现了集成电路的优势。在未来的世界，锁相环电路将在通信领域大放光彩。随着集成电路技术的发展，目前市面上已有多类专用四川信息职业技术学院毕业设计说明书第 4 页 共 16 页2FSK 收发芯片，如 Microelectronic Integrated Systems 公司的TH7108、TH71112、MICRF500 芯片等。四川信息职业技术学院毕业设计说明书第
7、 5 页 共 16 页第 3 章 硬件设计要求使用高频模拟锁相环 NE564 为基础，设计 2FSK 的调制解调电路。3.1 器件介绍3.1.1 NE564 介绍高频模拟锁相环 NE564 是 Philips Semiconductors 公司(荷兰菲利浦公司的产品，同类国产产品的型号有 XD564、L564 等。NE564 最高工作频率可达到 50MHz，采用+5V 单电源供电，特别适用于高速数字通信中 FM 调频信号及 2FSK 移频键控信号的调制、解调，而无需外接复杂的滤波器。NE564 采用双极性工艺，其外部引脚图和内部组成框图分别如图 3-1 和图 3-2所示。其中，A 1 为限幅器
8、，可抑制 FM 调频信号的寄生调幅；相位比较器（鉴相器）PD 的内部含有限幅放大器，以提高对 AM 调幅信号的抗干扰能力；外接电容C3、C 4 组成低通滤波器，用来滤出比较器输出的直流误差电压的纹波；改变引脚的输 2 入电流可改变环路增益；压控振荡器 VCO 的内部接有固定电阻 R（R=100） ，只需外接一个定时电容 Ct 就可产生振荡，振荡频率 fv 与 Ct 的关系曲线如图 3-4 所示。VCO 有两个电压输出端，其中 VCO01 输出 TTL 电平，VCO 02 输出 ECL 电平。后置鉴相器由单位增益跨导放大器 A3 和施密特触发器 ST 组成，其中，A 3 提供解调FSK 信号时的
9、补偿直流电平及用作线性解调 FM 信号时的后置鉴相滤波器；ST 的回差电压可通过引脚 16 外接直流电压进行调整，以消除输出信号 TTL0 的相位抖动。1V+12LGC3PC14LP5LP6RF17BF8GND 9 VCO0110 V+211 VCO0212 FCL13 FCL14 AN015 HYS16 TTL0NE564图 3-1 NE564 的外部四川信息职业技术学院毕业设计说明书第 6 页 共 16 页图 3-2 NE564 的内部组成框图由图 3-1 可知，NE564 为双列直插 16 脚封装，各引脚的功能如表 3-1 所示。表 3-1 NE564 引脚的功能引脚编号 英文缩写 引脚
10、功能引脚编号 英文缩写 引脚功能1 V+1 VCC，接+5V 9 VCO01 VCO 输出 1，TTL电平2 LGC 环路增益控制端，电 流约为 200uA 10 V+2 VCC，接+5V3 PC1鉴相器输入端，来自分频器，占空比50%11 VCO02 VCO 输出2，ECL 电平4 LF 环路滤波引出端 12 FC1 振荡频率设置电 容引出端5 LF 环路滤波引出端 13 FC1 振荡频率设置电 容引出端6 RF1 信号输入端，占空比 50% 14 AN0 模拟输出端（用 于调解输出）7 BF 偏置滤波输入端 15 HYS 延迟设置端（设置门限值）8 GND 地端 16 TTL0 TTL 电
11、平输出端（调解输出）3.1.2 2CD4016 介绍CD4016 为 4 个独立的双向模拟开关，控制输入端在输入高电平时模拟开关导通，低电平时截止。输入输出为双向，即可以由 IN/OUT 到 OUT/IN，也可以反过来，此芯片广泛用于信号开关，削波，调制解调电路中。其引脚排列如 3-3 图所示。四川信息职业技术学院毕业设计说明书第 7 页 共 16 页11 I/O21 O /I32 O /I42 I/O52 CTL63 CTL7GN D 8 3 I/O9 3 O /I10 4 O /I11 4 I/O12 4 CTL13 1 CTL14 VCCCD 40 16图 3-3 CD4016 外部引脚
12、图3.1.3 锁相环的基本工作原理锁相环路的系统框图如图 3-4 所示，由鉴相器 PD(Phase Detector)、环路滤波器LF(Loop Filter)和压控振荡器 VCO 组成的，其中 LF 为低通滤波器。图 3-4 锁相环的基本组成框图各部分功能如下：1）鉴相器 PD：鉴相器是一个相位比较器，完成对输入信号相位与 VCO 输出信号相位进行比较，得误差相位 e(t)= i(t)- o(t)。2）环路滤波器 LF：环路滤波器(LF)是一个低通滤波器(LPF)，其作用是把鉴相器输出电压 ud(t)中的高频分量及干扰杂波抑制掉，得到纯正的控制信号电压 uC(t)。3）压控振荡器 VCO：压
13、控振荡器是一种电压-频率变换器，它的瞬时振荡频率o(t)是用控制电压 uC(t)控制振荡器得到，即用 uC(t)控制 VCO 的振荡频率，使 i 与o 的相位不断减小，最后保持在某一预期值。当锁相环路处于“失锁”状态时，u i(t)和 uo(t)进行相位比较，由 PD 输出一个与相位差成正比的误差电压 ud(t)。u d(t)经 LF 滤波，取出其中缓慢变化的直流或低频电压分量 uC(t)作为控制电压。显然，u C(t)也将随着相位差的变动作相应变化。u C(t)加到 VCO 上，从而控制 VCO 的振荡频率，使 o 不断改变，u i(t)和 uo(t)的相位差不断减小，直至锁相环路进入“锁定
14、”状态。四川信息职业技术学院毕业设计说明书第 8 页 共 16 页3.2 2FSK 调制电路设计利用锁相环 VCO 输出信号频率随输入信号大小而变化的特点，可将待传输调制信码直接送入 NE564 的 VCO 输入端，从而可以实现 2FSK 调制。图 3-5 是NE564 构成的 2FSK 调制器电路。调制信码从双态信号控制 CD4016 模拟开关 13 脚输入，NE564 的 6 脚电压在 5V 与 1.42V 之间转换（即 5VR6/(R5+R6)=1.42V） ，经缓冲放大器 A1 及相位比较器 PD 中的放大器放大后，直接控制 VCO 的输出频率。因此，9 脚输出的是 2FSK 信号。图
15、 3-5 NE564 构成的 2FSK 调制电路PD 输出端不再接滤波电容，而是接电位器 RP1，用于调整环路增益并可细调压控振荡器的固有频率 fv， fv 与 Ct 的关系如下图所示。图 3-6 f v 与 Ct 的关系曲线C1 是输入耦合电容，R 1、C 2 组成差分放大器 A1 的输入偏置电路滤波器，可滤除调制信码中的杂波。R 2（包含电位器 RP2）对引脚 2 提供输入电流 I2，可控制环路增益和 VCO 锁定范围，R 2 与电流 I2 的关系可表示为： 23.1IVC（3-1）四川信息职业技术学院毕业设计说明书第 9 页 共 16 页I2 一般为 200uA。调整时，可先设置 I2
16、的初值位 100uA，待环路锁定后再调节电位器 RP2 使环路增益和压控振荡器的锁定范围达到最佳值。R3 是压控振荡器输出端必须接的上拉电阻，一般为几千欧姆，这里取 2K。R 4是 VCO 输出 ECL 电平和鉴相器输入端之间的限流电阻，可取值 3K。压控振荡器的固有振荡频率可表示为： tvCf201（3-2）若已调 2FSK 信号中心频率 fv=5MHz，则 Ct=90pF（可取标称值 82pF 与 8.2pF可调电容并联构成） 。若调制信码的波特率为 500kBaud，则 9 脚输出 2FSK 信号频率范围为 fo=51MHz。3.3 2FSK 解调器电路设计NE564 构成的 2FSK
17、解调器电路如图 3-6 所示。已知输入信号 vi 的频率fi=51MHz，调制信码（由“0” 、 “1”组成的方波）的频率 fo=500kHz。已调制信号直接送入 NE564 的 VCO 输入端，与压控振荡器输出的 5MHz（9 脚输出）进行相位比较，输出信号经环路滤波后由 A2 放大，从 16 脚输出解调后的方波（ TTL 电平） 。电阻 R6 和电位器 RP2 用于调整施密特触发器的回差电压，可改善输出方波的波形。R7 为上拉电阻，增加 R7 的值亦可改善输出波形。图 3-7 NE564 构成的 2FSK 解调电路由于输入信号的频率 fi=51MHz，解调时必须使压控振荡器工作在 46MH
18、z 并保证 NE564 锁定，此时 16 脚输出才为高电平“1” ；超出此范围失锁，则 16 脚输出为低电平“0” 。因此，压控振荡器的固有振荡频率 fv 和捕捉带 fv 必须十分准确。四川信息职业技术学院毕业设计说明书第 10 页 共 16 页由已知条件可得：压控振荡器的固有振荡频率 fv=5MHz， fv=fimax-fimin=2.0MHz。由式（3-2 ）得 Ct=90pF，可取标称值 82pF 与 8.2pF 可调电容并联，以便精确调整固有振荡频率，使 fv=5MHz。外接电容 C3、 C4 与内部两个对应电阻（阻值 R=1.3K）分别组成一阶低通滤波器，其截止角频率可用下式描述： 31RC（33）滤波器的性能对环路入锁时间的快慢有一定影响，由于本例输出信号频率较高，低通滤波器的截止角频率也要相应提高，计算可取 C3=C4=300pF。制作实物电路时可通过观测 4 脚和 5 脚的输出波形调整电容的值，使输出波形更为清晰。电容 C6 的作用事滤除内部单位增益跨导放大器 A3 输出的补偿直流电压中的交流成分，因此，对 C6 的耐压有一定要求，通常取耐压大于电源电压的电解电容，这里取C6=10uF/8V。C 7 和 C8 为电源滤波电容，一般取 0.2uF。
