《高频电子线路技术》设计报告设计时间：2015年1月5日~2015年1 月9日班级：2013级应用电子技术3班姓名：***报告页数：34 页广东工业大学课程设计报告设计题目利用锁相环设计制作频率合成器学院信息工程学院专业应用电子技术班3班学号########姓名*** (合作者########号***)成绩评定_______教师签名_______目录设计任务 (4)设计要求 (4)设计方案及比较 (4)系统电路设计及参数计算 (12)产品制作及调试 (13)电路原理图 (15)实验结果和数据处理 (18)实验测试数据 (21)问题与讨论 (23)心得体会： (25)附录 (26)参考文献 (34)设计任务：1、熟悉锁相环和频率合成器的基本结构原理，熟悉相关芯片的性能参数及使用方法。
2、利用锁相环设计的频率合成器，当输入频率100Hz时，用一片CD4046、三片CD4522时，实现输出100Hz~99.9kHz。
设计要求：1、测VCO曲线，即压控振荡器曲线；2、测VCO中心频率f。
；3、测VCO增益：K=△f/△V；4、测锁相环锁定范围：f L~f H；5、求频率合成器的阶数。
设计方案及比较（设计可行性分析）1~999可变分频器方案方案一：采用三级74HC160十进制同步加法计数器进行1~999任意可变分频。
采用置数法分频。
其优点是74HC160常用，且价格相对较低。
其缺点是74HC160为同步置数，电路实现和拨码置数的计算较为复杂。
方案二：采用CD4522十进制异步减法计数器实现1~999任意可变分频。
其缺点是新片成本相对较高，其优点是实现容易，且拨码置数比较容易。
考虑到实现的容易，选用方案二。
锁相环基本原理：锁相环（PLL）是一个相位跟踪系统。
它包括三个基本部件，鉴相器（PD）环路滤波器（LF）和压控振荡器（vco）设参考信号（1）式中ur为参考信号的幅度，ωr为参考信号的载波角频率θr(t)为参考信号以其载波相位ωrt为参考时的瞬时相位若参考信号是未调载波时，则θr(t)=θ1=常数。
设输出信号为（2）式中Uo为输出信号的振幅，ωo为压控振荡器的自由振荡角频率，θo (t)为参考信号，以其载波相位ωot为参考时的瞬时相位, 在VCO未受控制前他是常数，受控之后他是时间函数。
则两信号之间的瞬时相位差为（3）由频率和相位之间的关系可得两信号之间的瞬时频差为（4）鉴相器是相位比较器，他把输出信号uo(t)和参考信号ur(t)的相位进行比较，产生对应于两信号相位差θe (t)的误差电压ud(t)。
环路滤波器的作用是滤除误差电压ud(t)中的高频成分和噪声，以保证环路所要求的性能，提高系统的稳定性。
压控振荡器受控制电压uc(t)的控制，uc(t)使压控振荡器的频率向参考信号的频率靠近，于是两者频率之差越来越小，直至频差消除而被锁定。
因此，锁相环的工作原理可简述如下：首先鉴相器把输出信号uo(t)和参考信号ur(t)的相位进行比较，产生一个反应两信号的相位差θe(t)大小的误差电压ud(t)，ud(t)经过环路滤波器的过滤得到控制电压uc(t)。
uc(t)调整VCO的频率向参考信号的频率靠拢，直至最后两者频率相等而相位同步实现锁定锁定后两信号之间的相位差表现为一固定的稳态值。
即（5）此时，输出信号的频率已偏离了原来的自由频率ωo[控制电压uc(t)=0]时的频率，其偏移量由式（4）和式（5）得到为这时输出信号的工作频率已变为（6）。
由此可见，通过过锁相环路的相位跟踪作用，最终可以实现输出信号与参考信号同步，两者之间不存在频差而只存在很小稳态相差。
定度的参考振动器锁定，环内串接任意数值的分频器，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。
原理框图如下，锁相环路对稳系统设计总体思路系统原理框图及工作原理分析1、100Hz信号源设计（使用555定时器）555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
555 定时器的内部电路框图如下图所示：它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS 触发器，一个放电管T 及功率输出级。
它提供两个基准电压VCC /3 和2VCC /3555 定时器的功能主要由两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制RS 触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压，当5 脚悬空时，则电压比较器C1 的反相输入端的电压为2VCC /3，C2 的同相输入端的电压为VCC /3。
若触发输入端TR 的电压小于VCC /3，则比较器C2 的输出为0，可使RS 触发器置1，使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH 的电压大于2VCC/3，同时TR 端的电压大于VCC /3，则C1 的输出为0，C2 的输出为1，可将RS 触发器置0，使输出为低电平。
它的各个引脚功能如下：1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。
2脚：低触发端TR。
3脚：输出端Vo4脚：是直接清零端。
当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
5脚：VC为控制电压端。
若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。
6脚：高触发端TH。
7脚：放电端。
该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 ~ 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 ~ 18V。
一般用5V。
下图是设计出来的方波发生电路：R3接入电路有效电阻为R3*上升时间：T1=0.693×（R1+R2+R3）×C4上升时间：T1=0.693×（R1+R3）×C4频率：f=1.44/【（R1+R2+R3+ R2）×C4】占空比：q=（R1+R2+R3*）/（R1+R2+R3*+ R2）从理论上来计算，我们是不可能得到标准的占空比为50%的方波，但是从(R1+R3*）>> R2看，我们可以认为所得到的波形是标准方波。
实测可调频率范围：74.15Hz<f<152.86Hz2、拨盘处的设计拨盘我们用的芯片是CD4522。
CD4522是一个可预置数的二一十进制1/N减计数器。
结构图如图所示。
其中Q1—Q4是计数器输出端，D1-D4是预置端，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)=1Cr(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，即悬空时，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。
所以应用以上原理，我们使用四片CD4522组成可以置900K-1M 的分频器，四个拨码开关的数值是多少，VCO输出信号的频率就是置数大小的十分之一。
3、CD4046锁相环设计与之前做过的实验原理一样，100HZ的参考信号从14脚输入，VCO OUT是4脚，把其接到N分频中的VCO OUT,而3脚的信号是N分频后的，本次选择使用的是PD2，所以14脚与3脚的信号将加到PD2进行比相，将得到的相位差转变成电压差，通过低通滤波器送到9脚，进行控制VCO的振荡频率，就是通过这个比较电压差，让VCO输出频率在一定范围内将随着输入信号的频率变化而变化。
系统电路设计及参数计算锁相环参数设计本设计中使用的是VCO震荡R2脚悬空，即R2是无穷大的，所以芯片的12脚悬空。
我们设计f的范围是0---1MHZ，中心频率通过右图来决定R1和C1的大小，把中心频率放在650KHZ，取电源电压VDD=5V。
f=100Hz，则R2=33M，但VCO频率范围应小于100Hz，取R2=∞。
综合该图及计算，最终选择了C=20pf，其次需要计算的是低通滤波器RC的参数，2fc=fmax+fmin=10kHz,2fl=fmax-fmin=99.8KHz,由若选RC组成的无源比例积分电路来做低通滤波器，则有取fr=100Hz=10fH= ，则RC=0.016（ms）。
若取C=68nF，则R≈105k。
最终取R14=100k。
这里选无源比例积分滤波器作环路滤波器,取C2=68nF，R14=100k ，R15=5.1k 。
产品制作及调试制作：在protuse里面仿真，下面是仿真图：仿真的波形：分析：从仿真波形中看出，分频器开始工作，正常分频。
但输出的信号没变，说明锁相器CD4046没有正常工作，不能进行信号相位比较后,改变输出频率的大小。
检查电路连接无误。
确认工作原理正误（无误）初步猜测仿真软件出错。
进行下一步实践验证。
画原理图—>画PCB图—>制PCB板—>元器件焊接使用DXP软件制作PCB的原理图以及布线图画出电路原理图及PCB图电路原理图PCB布线设计图焊接作品图1器件清单：名称封装数量10nf 0805贴片 1100nf 0805贴片 2+10uf 0805贴片 220p 0805贴片 168nf 0805贴片 1LED 绿色LED 1VC 排针 1GND 排针 1分频信号检测端排针 1信号选择排针 1信号输出端排针 1 47K 0805贴片 1100K 0805贴片 15K 0805贴片 1200R 0805贴片 150K 0805贴片 14.7K 0805贴片 110K 0805贴片1210K 0805贴片 1 6脚自锁开关6脚自锁开关 14位拨码器4位拨码器 3 7805 U1 1555 U2 14522 U3, U5, U6 34046 U4 1 PCB单层覆铜板10*7.5(cm*cm) 1实验结果和数据处理实验结果：检测：接上9V直流电源后，把555定时器产生出来的f i频率100Hz 的方波送入CD4046的第14脚，调CD4522各预置端，设置不同的分频比N，分别测不同分频比时CD4046的第4脚输出信号的频率f0，N从1~999时，f0都为N与f i的乘积。