频率合成器的设计

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1、题目：频率合成器——基于4046的锁相环频率合成器一、课程设计目的：1.熟悉期间4046的基本原理和性能。2.掌握频率合成器的原理和合成技术。3.熟悉和掌握所学的各个器件，芯片，以及熟练的应用。4.理解入锁和失锁的概念和原理。5.融会贯通所学的高频知识，能够灵活的应用和设计。6.理解和熟练分析基本的电路。二、课程设计题目描述和要求：频率合成是以一个或少量的高准确度和高稳定度的标准频率作为参考频率，由此导出多个或大量的输出频率，这些输出的准确度与稳定度与参考频率是一致的。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

2、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。频率合成器有直接式频率合成器、直接数字式频率合成器及锁相频率合成器三种基本模式，前两种属于开环系统，因此是有频率转换时间短，分辨率较高等优点，而锁相频率合成器是一种闭环系统，其频率转换时间和分辨率均不如前两种好，但其结构简单，成本低。并且输出频率的准确度不逊色与前两种，因此采用锁相频率合成。频率合成器是一个系统，最初产生的一系列频率为参考频率的整数倍，参考频率通常是固定的。这样的合成器称为整数N频

3、率合成器。频率合成器技术也不断前进，出现也很多新型的频率合成电路，并在通信电路中得到广泛应用。锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成。频率合成一个或少量的高准确度高稳定的标准频率作为参考频率,由此导出多个或大量的输出频率.这些输出频率的准确度和稳定度与参考频率是一致的,频率合成器就是用来产生这些频率的部件.技术要求：1.达到输出为4-10M赫兹。172.频率间隔为5K赫兹。3.基于4046芯片的设计。三、课程设计报告内容及原理：原理框图如下，锁相环路对稳定度的参考振动器锁定，环内串接可编程的分频器，通过改变分频器的分配比N，从而就得到N倍参考频率

4、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f23.1锁相环路设计基础这一部分首先阐明了锁相环的基本原理及构成，导出了环路的相位模型和基本方程，概述了环路的工作过程，1.锁相环基本原理锁相环（PLL）是一个相位跟踪系统。图1-1显示了最基本的锁相环方框

5、图。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）图1-1锁相环的基本构成设参考信号（1）式中ur为参考信号的幅度17ωr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。则输出为：（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

6、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

7、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17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。3.2基本环路方程为了建立锁相环路的数学模型，首先建立鉴相器、环路滤波器、压控振荡器的数学模型。3.2.1.鉴相器鉴相器(PD)

8、又称相位比较器，它是用来比较两个输出信号之间的相位差θe(t)。鉴相器输出的误差信号ud(t)是相差θe(t