裸片-妇科学
《电子测量》课程设计报告
课题：
锁相信号发生器设计
班级
电子
3072
学号
3072107223
学生姓名
李翔鹏
专业
电子信息工程
系别
电子信息工程系
指导教师
电子测量课程设计指导小组
淮阴工学院
电子信息工程系
< br>2010
年
6
月
班级：电子
3072
姓名：李翔鹏
学号：
23
课题：锁相信号发生器设计
1
设计目的
a)
培
养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生
产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。
b)
学习较复杂的电子系统设计的
一般方法，了解和掌握模拟、数字电路等
知识解
决电子信息方面常见实际问题的能力，
由学生自行设计、
自行制
作和自行调试。
c)
进行基本技术技能训练，如基本仪器仪表的使用，常用元器件的识别、
< br>
测量、
熟练运用的能力，掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿
真软件、实验设备进行调试和数据处理等。
d)
培养学生的创新能力。
2
设计要求
1.
说明电路的工作原理；
2.
主要单元电路和元器件参数计算、选择、使用方法及功能；
3.
画出总体电路图；
4.
上交完整的实习报告。
3
总体设计
3.1
设计总框图
f
r
十
进制同步加
/
减计数器
图
1
锁相信号发生器原理框图
相
位
检波
器
(PD)
f
d
÷
N
V
B
f
0
＝
Nf
r
环
路
滤波
器
LF
V
C
压
控
振荡
器
(VCO)
f
o
VCO
输出频率
fo
经
N
分频得到
1
班级：电子
3072
姓名：李翔鹏
学号：
23
课题：锁相信号发生器设计
f
d
?
f
o
N
所以输出频率是参考频率
fr
的整数倍
,
即
f
?
Nf
o
?
3.2
设计总电路图
5v
< br>C2
2.2u
R2
100k
R3
1M
0v
5v
0v
5v
U2
U2(SIGIN)
A
3
9
14
COMPIN
PP
V
COIN
PC1OUT
SIGIN
CX
1
VCOOUT
CX2
INH
R1
R2
4046
4<
/p>
PC2OUT
1
2
13
0v
5v
0v
< br>15
1
10
9
< br>14
4
5
11
< br>A
U1
D0
D1
D2
D3
CLK
E
D/U
PL
TC
74HC
191
Q0
Q1
Q2
< br>Q3
RCO
3
2
6
7
13
B
< br>C
D
C1
1000p
6
0
v
7
5
11
12
DEMOD
ZENER
10
15
12
A
RV1
100k
5v
图
2
整体电路图
3.3
设计设备与器材
原件
4046
芯片
74HC191
芯片
100K
电阻
1M
电阻
2.2u
电容
1000p
电容
100K
电位器
万能板
焊锡、导线
数量
1
件
1
件
1
件
1
件
1
件
1
件
1
件
1
件
若干根
4
单元电路设计
4.1
CD4046
锁相环电路
4.1.1
CD4046
基本原理
CD
4046
是一款集成锁相环芯片，是通用的
CMOS
锁相环集成电路，包含鉴相
器、压控振荡器
2
部分，使用时需外接低通滤波器
(
图
2)
形成完整的锁相环。其
内部设有
1
个
6.2
V
的齐纳稳压管，在需要时作为辅助电源。此芯片特点是：电
2
班级：电子
3072
姓名：李翔鹏
学号：
23
课题：锁相信号发生器设计
源电压范围宽
(3
V
～
18 V)
、输入阻抗高
(
约
100 M
Ω
)
、动态功耗小，在中心频
率
f0
为
10
kHz
下功耗仅为
600
μ
W
，属微功耗器件。
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，如图
3
所示
。
图
3
CD4046
原理框图
压控振荡器的
输出
Uo
接至相位比较器的一个输入端，其输出频率的高
低由低通滤波器上建立起来的平均电压
Ud
大
小决定。施加于相位比较器另
一个输入端的外部输入信号
Ui<
/p>
与来自压控振荡器的输出信号
Uo
相比较
，
比
较结果产生的误差输出电压
UΨ<
/p>
正比于
Ui
和
U
o
两个信号的相位差，
经过低
通滤波器
滤除高频分量后，得到一个平均值电压
Ud
。这个平均值电压<
/p>
Ud
朝
着减小
V
CO
输出频率和输入频率之差的方向变化，
直至
VCO
输出频率和输
入信号频率获得一致。这时两个信
号的频率相同，两相位差保持恒定（即同
步）称作相位锁定。
当锁相环入锁时，它还具有
“
捕捉
”
信号的能力，
VCO
可在某一范围内自
动跟踪输入信号的变化，如果输入信号频率在锁相环的捕捉范围内
发生变
化，锁相环能捕捉到输人信号频率，并强迫
VCO
锁定在这个频率上。锁相
环应用非常灵活，如果输入信号频率
f1
不等于
VCO
输出
信号频率
f2
，而要
求两者保持一定的
关系，例如比例关系或差值关系，则可以在外部加入一个
运算器，以满足不同工作的需要
。
过去的锁相环多采用分立元件和模拟电
路构成，现在常使用集成电路的锁相环，
CD4046
是通
用的
CMOS
锁相环集
成电路，其特点
是电源电压范围宽（为
3V
－
18V<
/p>
）
，输入阻抗高
(
约
100MΩ)
，
动态功耗小，在中
心频率
f0
为
10kHz
下功耗仅为
600μW
，属微功耗器件。
设参考信号
u
r
(
t
)
?
U
r
sin[
?
r
t
?
?
r
(
t
)]
3
班级：电子
3072
姓名：李翔鹏
学号：
23
课题：锁相信号发生器设计
式中
ur
为参考信号的幅度
<
/p>
ω
r
为参考信号的载波角频率
θ
r(t)
为参考信号以其载波相位
ω
rt
为参考时的瞬时相位
若参考信号是未调载
波时，则
θ
r(t)=
θ
1=
常数。
设输出信号为
u
o
(
t
)
?
U
o
cos[
?
o
t
?
?
o
(
t
)]
式中
Uo
为输出信号的振幅
ω
o
为压控振荡器的自由振荡角频率
θ
o (t)
为参考信号以其载波相位
ω
ot
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
?
c
(
t
)
?
(
?
r
t
?
?
r
)
?
(
< br>?
0
t
?
?
0
(
t
)
)
?
(
?
r<
/p>
?
?
0
)
t
?
?
r
?
?
0
(
t
)
由频率和相位之间的关系可得两信号之间的瞬时频
差为
d
?
e
(
t
)
d
?
(
t
)
?
?
r
?
?
0
?
0
dt
dt
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
θ
e (t)
的误差电压
ud(t)
。环路滤波器的作用是
< br>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
u
c(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
θ
e (t)
大小的误
差
电压
ud(t)
，
< br>ud(t)
经过环路滤波器的过滤得到控制电压
uc(t
)
。
uc(t)
调整
< br>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
d
?
e
(
t
)
lim
?
0
t
??
dt
<
/p>
此时，输出信号的频率已偏离了原来的自由频率
ω
o[
控制电压
uc(t)=0
时的频
率
]
，其偏移量由式（
4
）和式（
5
）得到为
d
?
0
(
t
)
?
?
r
?
?
0
dt
这时输出信号的工作频率已变为
d<
/p>
d
?
c
(
t
)
(<
/p>
?
0
t
?
?
c
(
t
)
?
?
0
?
?
?
r
dt
dt
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
4
班级：电子
3072
姓名：李翔鹏
学号：
23
课题：锁相信号发生器设计
同步，两者之间不存在频差而只存在很小稳态相差。
4.1.2
环路相位模型和基本方程
图
4
锁相环路相位模型
?
1
(
t
)
＋
－
?
e
(
t
)
U
d<
/p>
sin[·
]
u
d
(
t
)
F<
/p>
(
p
)
u
c
(
t
)
K
0
p
?
2
(
t
)
复时域分析时可用一个传输算子
F(p)
来表示。其中（
p=d/dt
）是微分算子。<
/p>
由上图可以得出锁相环路的基本方程。
?
c
(
t
)<
/p>
?
?
1
(
t
)
?
?
2
(
t
)
?
2
(
t
)
?
U
d
sin
?
e
(
t
)
F
(
p
)
得：
p
?
e
(
t
)
?
p
?
1
(
t
)
?
K
0
< br>U
d
sin
?
< br>e
(
t
)
F
(
p
)
?
p
?
1
(
t
)
?
K
sin
?
e
(
t
)
F
(
p
)
设环路输入一个频率
ω
r
和相位
θ
r
均为常数的信号
，即
u
r
?
(
t
)
U
r
sin[
?
r
t
?
< br>?
r
]
?
U
r
sin[
?
0
t
?
(
?
r
?
?
0<
/p>
)
t
?
?
r
K
d
p
式中，
ω
0
是控制电压
uc(t)=0<
/p>
时
VCO
的固有振荡频率，
θ
r
是参考输入信
号的相位
。令
?
1
(
t
< br>)
?
(
?
r
?
?
0
)
t
?
?
r
则
p
?
1
(
t
)
?
?
r
?
?
0
?
?
?
0
可得固有频率输入时的环路基本方程
p
?
e
(
t
)
?
?
?
0
?
K
0
U
d
sin
?
e
(
t
< br>)
F
(
p
)
在闭环之后的任何时刻存在着如下关系：
瞬时频差
=
< br>固有频差
-
控制频差，记为
(
?
?
?
?
?
0
?
?
?
v
)
即
?
r
?
?
v
?
(
?
r
?
?
0
)<
/p>
?
(
?
v
?
?
0
)
4.1.3 CD4046
芯片引脚及引脚功能
图
5
是
CD4
046
的引脚排列，采用
16
脚双列直插式。
5
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