锁相环鉴频器

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实践教学
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兰州理工大学
计算机与通信学院
2012年秋季学期
《通信原理实验》实验设计报告
题目：锁相环鉴频器设计
软件仿真与硬件调测
班级：通信工程10级（3）班
设计小组成员：
姓名：钟代清学号： 10250304 成绩：
姓名：张世斌学号： 10250314 成绩：
姓名：刘衍辉学号： 10250324 成绩：
姓名：王艳学号: 10250334 成绩：
指导教师：陈昊
目录
一、设计实验目的 (2)
二、设计指标 (2)
三、整体电路原理框图说明 (2)
3.1压控振荡器 (1)
3.2环路滤波器 (1)
3.3锁相环路的工作过程和工作状态 (1)
3.4锁相环的工作原理 (1)
3.5在电路设计中的作用 (2)
四、详细单元电路设计 (3)
4.1混频电路 (3)
4.2锁相环电路 (3)
4.3芯片介绍 (3)
五、整体电路设计与仿真结果 (5)
六、设计总结 (9)
七、参考文献 (10)
一、设计实验目的
1.1.掌握锁相环鉴频器工作原理。

1.2.熟悉鉴频器主要技术指标及其测试方法。

二、设计指标
2.1中心频率f=4.5MHz
2.2频带宽度BW=400KHz
2.3频偏为15KHz
三、整体电路原理框图说明
鉴相器PD 环路滤波
器LF
压控振荡
器VCO
调频输入
输出解调信号
图1 锁相鉴频器原理
锁相鉴频器原理框图如图1所示。

当输入为调频波时，如果环路滤波器的带宽足够宽，使鉴相器的输出电压可以顺利通过，则VCO(压控振荡器)就能跟踪输入调频波中反映调制规律变化的瞬时频率，即VCO的输出就是一个具有相同调制规律的调频波。

这时环路滤波器输出的控制电压就是所需的调频波解调电压
3.1压控振荡器
压控振荡器的振荡角频率ω
o (t)受控制电压u
c
(t)的控制。

不管振荡器的形
式如何，其总特性总可以用瞬时角频率ω
o
与控制电压之间关系曲线来表示。

3.2环路滤波器
环路滤波器一般是线性电路，由线性元件电阻，电容及运算放大器组成。

3.3锁相环路的工作过程和工作状态
加到锁相环路的参考信号通常可以分为两类：一类是频率和相位固定不变的信号，另一类是频率和相位按某种规律变化的信号。

我们从最简单的情况出发考察环路在第一类信号输入时的工作过程。

3.4锁相环的工作原理锁相环包含三个主要的部分:⑴鉴相环(或相位比较器,记为PD或PC):是完成相位比较的单元,用来比较输入信号和基准信号的之间的相位.它的输出电压正比于两个输入信号之相位差.⑵低通滤波器(LPF):是个线性电路,其作用是滤除鉴相器输出电压中的高频分量,起平滑滤波的作用.通常由电阻、电容或电感等组成，有时也包含运算放大器。

⑶压控振荡器（VCO）：振荡频率受控制电压控制的振荡器，而振荡频率与控制电压之间成线性关系。

在PLL中，压控振荡器实际上是把控制电压转换为相位。

锁相环为无线电发射中使频率较为稳定的一种方法,主要有VCO(压控振荡器)和PLL IC ,压控振荡器给出一个信号,一部分作为输出,另一部分通过分频与PLL IC所产生的本振信号作相位比较,为了保持频率不变,就要求相位差不发生改变,如果有相位差的变化,则PLL IC的电压输出端的电压发生变化,去控制VCO,直到相位差恢复!达到锁频的目的!!能使受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定关系的闭环电子电路。

锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成。

鉴相器用来鉴别输入信号Ui与输出信号Uo之间的相位差，并输出误差电压Ud 。

Ud 中的噪声和干扰成分被低通性质的环路滤波器滤除，形成压控振荡器（VCO）的控制电压Uc。

Uc作用于压控振荡器的结果是把它的输出振荡频率fo拉向环路输入信号频率fi ，当二者相等时，环路被锁定，称为入锁。

维持锁定的直流控制电压由鉴相器提供，因此鉴相器的两个输入信号间留有一定的相位差。

图1为上述三个部分组成PLL的方框图，它的工作过程如下：相位比较器把输入信号作为标准，将它的频率和相位与从VCO输出端送来的信号进行比较。

如果在它的工作范围内检测出任何相位（频率）差，就产生一个误差信号Ve(t)，这个误差信号正比于输入信号和VCO输出信号之间的相位差，通常是以交流分量调制的直流电平。

由低通滤波器滤除误差信号中的交流分量，产生信号Vd(t)去控制VCO，强制VCO朝着减小相位/频率误差的方向改变其频率，使输入基准信号和VCO输出信号之间的任何频率或相位差逐渐减小直至为0，这时我们就称环路已被锁定。

如果VCO的输出频率低于输入基准信号的频率，相位比较器的输出振幅就为正，经滤波后去控制VCO，使其频率增加，直到两个信号的频率和相位精确同步。

相反，若VCO输出频率高于输入基准信号，相位比较器的输出会下降，使VCO锁定在输入基准信号的频率。

3.5在电路设计中的作用自动完成两个电信号的相位的同步。

锁相环:为无线电发射中使频率较为稳定的一种方法,主要有VCO(压控振荡器)和PLL IC ,压控振荡器给出一个信号,一部分作为输出,另一部分通过分频与PLL IC所产生的本振信号作相位比较,为了保持频率不变,就要求相位差不发生改变,如果有相位差的变化,则PLL IC的电压输出端的电压发生变化,去控制VCO,直到相位差恢复!达到锁频的目的!!能使受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定关系的闭环电子电路。

锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成。

四、详细单元电路设计
4.1混频电路
图3.混频电路
4.2锁相环鉴频器
4.3芯片介绍
在高频电子线路中，振幅调制、同步检波、混频、倍频、鉴频等调制与解调的过程均可视为两个信号相乘的过程，而集成模拟乘法器正是实现两个模拟量
电压或电流相乘的电子器件。

采用集成模拟乘法器实现上述功能比用分立器件要简单得多，而且性能优越，因此集成模拟乘法器在无线通信、广播电视等方面应用较为广泛。

在目前的乘法器中，单通道器件（如MOTOROLA的MC1496）无法实现多通道的复杂运算；二象限器件（如ADI公司的AD539）又会使负信号的应用受到限制。

而ADI公司的MLT04则是一款完全四通道四象限电压输出模拟乘法器，这种完全乘法器克服了以上器件的诸多不足之处，适用于电压控制放大器、可变滤波器、多通道功率计算以及低频解调器等电路。

非常适合于产生复杂的要求高的波形，尤其适用于高精度CRT显示系统的几何修正。

其内部结构及引脚排列如图1所示。

Mc1496管脚图五、整体电路设计与仿真结果
混频电路图
混频器效果图
锁相环鉴频器电路图
锁相鉴频效果图方案1脉冲计数式鉴频器
六、设计总结
经过这次实验，我感觉收获很大，这是一次理论联系实解，如知道了鉴频器的几种实现方法，知道了锁相环的工作原理和在鉴频方面的应用。

通过这次设计，我学到了如何做设计的基本框架，也知道了理论与实际其实有很大的区别，如在仿真作出的电路图，在实际中不一定行的通，在焊际的过程，尽管过程很辛苦。

但在整个做的过程中，使我对鉴频器有了更深的了接电路实物图时，有很多的不确定因素，如导线的接触是否完好啊，接触电阻是否过大啊，以及外界电磁对电路脉冲的影响啊。

以及芯片插槽是否连结完好等。

但有一点可以确定，那就是只要你用心去做，你一定会受益匪浅，一定会成功。

从本次设计的目的来看，收获也是不少的，它使我们对课本以及以前学过的知识有了一个更好的总结与理解，也让我们知道了，光分开使不够的，从外面学到的知识要把形成一各整体，这也很好的训练了外面对开发一个项目应该有怎样的思路和准备更清晰。

来学校两年多了，无论是从C语言课程设计到金工实习，还是到现在的课程设计，每一次自己都觉得有一个进步，虽然有些方面自己做不出，但可以从老师和其他同学那里学到更好更多的东西，他们从另一个方面透析了自己的困难，这是很重要的，它让我学会了怎样学习别人的长处并把它变成自己的长处。

有这样的机会和收获，要感谢老师的辅导以及同学的帮助，是他们让自己有了一个更好的认识
七、参考文献
【1】刘泉，通信电子线路.武汉：武汉理工大学出版社【2】张肃文，高频电子线路.北京：高等教育出版社【3】高吉祥，高频电子线路.北京：电子工业出版社【4】侯丽敏，通信电子线路。

北京：清华大学出版社。