倍频电路设计

2013 ~ 2014 学年第 1 学期《高频电子线路》课程设计报告题目：信号的幅度调制—倍频电路的设计专业：通信工程班级： 11通信2班姓名：王来军张睿王东晨关培蕾孟雪赵桃桃指导教师：***电气工程系2013年12月28日《信号的幅度调制—倍频电路的设计》课程设计任务书摘要倍频是信号振幅调制的一个单元电路。

倍频器广泛应用于无线电通信发射机或其它电子设备的中间级。

在用倍频实现高频、高稳微波振荡源的过程中，倍频器倍频效率的高低不仅对简化电路和保持电路稳定性影响较大，而且对整个电路杂散、谐波的抑制都起着重要作用。

倍频器的作用是将输入信号频率值成整数倍（2倍、3倍…n倍）增加的电路。

本文研究的即是利用集成锁相环芯片来实现倍频的。

通过适当配置集成锁相环芯片，并将VCO输出进行N分频，即可实现N 倍频。

本次设计采用的集成锁相环芯片是高频模拟锁相环NE564。

关键词：倍频;集成锁相环;分频;VCO;NE564目录《信号的幅度调制—倍频电路的设计》课程设计任务书 (II)摘要...................................................................................................................... I II 目录............................................................................................................................ I V 第一章方案论证及选择 (1)1.1实现倍频方法 (1)1.2整体方案介绍 (2)第二章各部分原理分析 (4)2.1压控振荡器部分 (4)2.2鉴相器部分 (4)2.3环路滤波器部分 (5)2.4锁相环工作过程的定性分析 (6)第三章整体电路设计与参数计算 (9)3.1主要芯片介绍 (9)3.1.1集成锁相环NE564 (9)3.1.2 集成计数器74LS193及两4输入与非门74LS20 (10)3.2整体电路 (10)3.2.1 分频部分电路 (10)3.2.2 整体电路 (11)3.3参数计算 (12)3.4实验结果仿真与分析 (13)第四章小结与体会 (15)附录 (16)材料清单 (16)参考文献 (17)答辩记录及评分表 (18)第一章 方案论证及选择1.1 实现倍频方法 一、傅里叶法这是一种最简单的模拟倍频方式，它采用了傅里叶级数。

每一个周期性的信号能定义为一个基频及它的谐波部分的和。

如果将变换振荡器的正弦波输出为方波，那么就可用下面的关系式：接着就必须选择正确的次谐波，即可通过一带通滤波器来选择所要的部分这种方法的局限在于：仅适用于低频情况。

二、锁相环法这是一种最简单的倍频方法。

在这个方法中，输出频率不是直接是基准频率的倍频，而是出于一个电压控制的独立的振荡器，它是通过一个相位比较器与基准频率同步。

要被比较的频率是除以倍频因子 n 。

由于频率分割，压控振荡器（VCO ）必须产生乘以 n 的倍频。

分割后进入反馈回路，使在比较器输入端有相同的频率。

这种方法的局限在于：在大的频率范围内容易实现，而由于反馈回路及比较器的延迟引起抖动差一些。

三、参量法它是由Fordahl 公司开发了一个新的倍频模拟方法，该方法采用了基于在半导体之间给出的参数转移实现乘法功能的硬件，在其输出端具有一个次谐波衰减可选择的倍频系数。

一个输出带通滤波器加以改善次谐波的衰减。

由于模拟倍频类型，其频率 n×Fref 的频谱纯度改善了，并且相位噪声及抖动降低了。

此种方法在低频及高频时都能很好工作，但是相比前两种方法更复杂。

下图是三种方法优缺点对比。

00011()sin()sin(3)sin(5)35x t t t t ωωω=+**+**+表1.1 三种方法优缺点因此综合以上几种方法比较得出，这里选用的是第二种方法：锁相环法来实现倍频的。

1.2 整体方案介绍锁相环倍频电路是一个闭环频率反馈系统，它主要由鉴相器、低通滤波器、压控振荡器和累加计数器构成。

锁相环是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路，但它的基本原理是利用相位误差电压去消除频率误差，所以当电路达到平衡状态之后，虽然有剩余相位误差存在，但频率误差可以降低到零，从而实现无频差的频率跟踪和相位跟踪。

它包含压控振荡器（VCO ），鉴相器（pd ）和环路滤波器（LF ）三个基本部件，三者组成一个闭合环路。

下图1.1为锁相倍频电路的原理框图。

图1.1 锁相倍频电路的原理框图鉴相器（PD ）又称为相位比较器,它是用来比较两个输入信号之间的相位差()e t θ。

鉴相器输出的误差信号()d u t 是相差()e t θ的函数,即基本环路方程。

环路滤波器(LF)是一个线性低通滤波器,用来滤除误差电压()d u t 中的高频f rf 0＝Nf r分量和噪声,更重要的是它对环路参数调整起到决定性的作用。

压控振荡器(VCO)是一个电压-频率变换器,在环路中作为被控振荡器,它的u t线性地变化。

振荡频率应随输入控制电压()c累加计数分频器是将VCO产生的输出信号频率除以N，这个因子多数情况下可变或可编程控制，分频器通常由触发器（如RS触发器、JK触发器或是T触发器）级联而成。

第二章 各部分原理分析2.1 压控振荡器部分压控振荡器(VCO)是一个电压-频率变换器,在环路中作为被控振荡器,它的振荡频率应随输入控制电压()c u t 线性地变化,即)()(0t u k w t w c d t += ①式中，()v t ω是VCO 的瞬时角频率,K d 是线性特性斜率,表示单位控制电压,可使VCO 角频率变化的数值。

因此又称为VCO 的控制灵敏度或增益系数,单位为［rad/V·s］。

在锁相环路中,VCO 的输出对鉴相器起作用的不是瞬时角频率而是它的瞬时相位,即ττd uk t w dt t w tcd t v)()(0⎰⎰+== ②以0ωt 为参考的输出瞬时相位为③由此可见,VCO 在锁相环中起了一次积分作用,因此也称它为环路中的固有积分环节。

下图2.1为锁相环路的相位模型。

图2.1 锁相环路的相位模型2.2 鉴相器部分鉴相器（PD ）又称为相位比较器,它是用来比较两个输入信号之间的相位差()e t θ。

鉴相器输出的误差信号()d u t 是相差()e t θ的函数,即基本环路方程。

若以压控振荡器的载波相位0t ω作为参考,将输出信号()o u t 与参考信号()r u t()002o U cos u t t ωθ=+［］① ()()()01r r r r r u t U sin t t U sin t t ωθωθ=+=+［］［］②式中， ()()20t t θθ= ③()()()100()r r r t t t t t θωωθωθ=-+=∆+ ④将()o u t 与()r u t 相乘,滤除02ω分量,可得()()()12()d d d e u t U sin t t U sin t θθθ=-=［］ ⑤图2.2 正弦鉴相器的鉴相特性2.3 环路滤波器部分环路滤波器(LF)是一个线性低通滤波器,用来滤除误差电压()d u t 中的高频分量和噪声,更重要的是它对环路参数调整起到决定性的作用。

鉴相器的输出信号包含很多的谐波分量，当锁相环处于锁定状态时，这些分量的第一项为“直流”分量，其它频率的分量为不需要的信号，而且在锁相倍频电路的信号传递中，也会有高频噪声对信号产生干扰，这些较高频率的分量也是不需要的信号，所以要用低通滤波器将其滤除。

在此设计中，采用一阶低通滤波器。

1) RC 积分滤波器2) 这是最简单的低通滤波器,电路如图2.3 (a)所示,其传递函数为－2π－π－π2－3π2π2π3π22πθe ()U d (t )图2.3 RC 积分滤波器的组成与频率特性(a)组成;(b)频率特性2)无源比例积分滤波器无源比例积分滤波器如图2.4(a)所示。

与RC 积分滤波器相比,它附加了一个与电容C 串联的电阻R2,这样就增加了一个可调参数。

它的传递函数为1211)()()(ττs s S U S U S F d C ++==①图2.4 无源比例积分滤波器(a)组成; (b)频率特性2.4 锁相环工作过程的定性分析1.锁定状态20 lg|F (j Ω)/dB 0－Ω(对数刻度)ϕ(Ω)－45－90－6 dB/倍频程u d RC u c(a )(b )/°1/τ120 lg|F (j Ω)/dB 0－3Ω(对数刻度)ϕ(Ω)－45－90u dR 1Cu c(a )(b )R 2τ1τ21τ1τ220 lg /°1/τ11/τ2当在环路的作用下,调整控制频差等于固有频差时,瞬时相差()e t θ趋向于一个固定值,并一直保持下去,即满足)(lim =∞→t p e t θ ①锁定时的环路方程w )0()(sin ∆=∞j F U K d o θ ②从中解得稳态相差)0(arcsin)(0j F U K wd e ∆=∞θ③锁定正是在由稳态相差()e θ∞产生的直流控制电压作用下,强制使VCO 的振荡角频率v ω相对于0ω偏移了Δ0ω而与参考角频率r ω相等的结果。

即re d w w w j F U K w w =∆+=∞+=0000v )0()(sin θ ④2. 跟踪过程当Δωv 大得足以补偿固有频差Δω0时,环路维持锁定,因而有)0()(sin 00j F U K w w e u v ∞=∆=∆ ⑤ 故)0(0maxj F U K w d =∆ ⑥如果继续增大Δω0,使｜Δω0｜＞K 0U d F (j0),则环路失锁(ωv≠ωr)。

因此,我们把环路能够继续维持锁定状态的最大固有频差定义为环路的同步带:)0(0max 0j F U K w w d H =∆=∆ ⑦3.失锁状态失锁状态就是瞬时频差(r ω-v ω)总不为零的状态。

这时,鉴相器输出电压u d(t)为一上下不对称的稳定差拍波,其平均分量为一恒定的直流。

这一恒定的直流电压通过环路滤波器的作用使VCO 的平均频率v ω偏离0ω向r ω靠拢,这就是环路的频率牵引效应。

4.捕获过程开机时,鉴相器输入端两信号之间存在着起始频差(即固有频差)Δ0ω,其相位差Δ0ωt 。

因此,鉴相器输出的是一个角频率等于频差Δ0ω的差拍信号,即)sin()(0t w U t u d d ∆= ⑧若Δ0ω很大,()d u t 差拍信号的拍频很高,易受环路滤波器抑制,这样加到VCO输入端的控制电压()c u t 很小,控制频差建立不起来, ()d u t 仍是一个上下接近对称的稳定差拍波,环路不能入锁。