基于锁相环CD4046的频率合成器

1、集成电路报告题 目：基于锁相环CD4046的数字频率合成器班 级: 10级应用物理学学 号：111000925 111000908姓 名: 苏国锟 胡长生老 师：2013年5月基于锁相环CD4046的数字频率合成器 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，有次到处多个输出频率，这些输出的准确度与稳定度与参考频率是一致的。在通信、测控、仪器仪表等电子系统中有广泛应用。本学期通过学习CMOS集成电路应用，对CMOS的构成、原理及优点，简单的应用有了一定的了解。本次考试制作的是频率合成器，以一个高准确度和高稳定度的标准频率作为参考频率，由此导出一个一个或大量的输出频率，这些

2、输出频率的准确度与稳定度与参考频率是一致的。锁相频率合成器是一个闭环系统，结构简单，成本低，有较高的频率准确度。一、任务1、设计和制作1、确定电路形式，画出电路图2、计算电路元件参数并选取元件3、制作出PCB，并焊接电路4、调试并测试电路性能5、完成实验报告与心得2、技术指标 1、要求频率合成器的输出的频率范围：30K-40K 2、频率稳定度 ：10Hz 3、频率间隔：10HZ 4、电源电压：5V二、原理与实验方案的确定原理框图如下，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

3、（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=Nf1 (f1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。三、具体设计步骤1、10HZ标准信号源设计 用2M晶体振荡器和COMS非门组成振荡器，CMOS选用了CD4049六反向器，图中Rf 使F1工作于线性放大区。晶体的等效电感，C1、C2构成谐振回路。我们需要100HZ的标准参考频率，因此要进行20000分频，所以选择使用两片CD4518和一片74HC16

4、1。CD4518内含两片计数器，一个计数器可以十分频，所以两片共四个组成了10000分频，再经过74HC161的二分频，所以一共组成了20000分频。经过2个反相器后输出。2、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Q1Q4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，D1D4值置进计数器EN（4）=0，且CP（6）时，计数器（Q1Q4）减计数；CF（13）=1且计数器（Q1Q4）减到0时，QC(12)=1 Cr(10) =1时，计数器清零。 单片4522分频器，拨盘开关为BCD码开关

5、，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

6、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。 4、最终得到的电路图实验电路图：四、锁相环参数设计 本设计中使用的是VCO Without Offset，所以R2是无穷大的，所以芯片的12脚悬

7、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，VDD选用5V，R1=11.4 K，综合该图及计算，最终选择了C=102，其次我们需要计算的是低通滤波器RC的参数，2fc=fmax+fmin=10kHz,2fl=fmax-fmin=10kHz,由T1=R3*C2 最终算出R3*C2=2*fl/(2fc)2 =0.318uF 令R3=130K，则C2472，调节低通滤波器观察9脚波形以便能得到更好的低通滤波效果。五、调试的过程调试分三部分调试，分别为10HZ基频，N分频，锁相环，最后整体调试。1、10HZ基频首先先检查线路是否有短路，虚焊，

8、铜线是否有短等，检查无错后，插入CD4049，测试6脚，若是有2M的方波那就说明第一部分正确，从左到右依次插入芯片并一步步检查，知道最后检测出10HZ基频，那么这个模块就好了2、N分频 这个因为飞线较多，地下走线较多，线比较细，所以存在问题的可能性较大，先大概查看是否有短路等，然后测各个管脚，看是否连接正确，并用万用表测靠的较近的线检查是否连在一起，检查完线路，插入芯片CD4522，通电时芯片不会发热的话芯片一般就不会烧坏了，从端用函发输入Vpp=5V，f=100k的方波，任意拨个数（如1000）测端的频率看是否真确，多拨几组数据，以保证每个拨码开关都正常工作。3、锁相环 这个的电路较简单，但

9、调试较麻烦，首先按之前计算的值接入C1、R1、9脚的1/2Vcc的电阻，调节R1的阻值，测端的频率即为中心频率，直到35K为止。然后接入R3、C2。用函发从端输入Vpp=5V，f=30k的频率，将3、4脚接在一起，观察1脚外的灯，若很亮就说明锁定了，并改变输入频率，若30K-40K没有都锁定，可通过调节R3，R1的阻值，使30K到40K都能锁定为止。整体调试每个模块都调试好了以后，按电路图上的网络标号接好各个模块，电源端用同一个+5V电源，在拨码处拨（3000）测端，若没有有30K左右的频率输出，可通过调节R3、R1，使其输出较为稳定的30K左右的频率，再拨个（4000），测是否有40K左右的频率输出，若没有调节R1到其输出40K左右的方波为止，再多拨几组数，以确保确实以成功，调节R3（低通滤波器）