《高频电子线路》课程设计说明书 PAGE 课程设计任务书 学生姓名： 田鑫 专业班级： 电子0703班 指导教师： 吴皓莹 工作单位： 信息工程学院 题 目：锁相鉴频器电路设计 初始条件： 具较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；具备高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。 要求完成的主要任务： 1. 采用集成芯片完成一个锁相鉴频器的设计。 2. 输入调频波，输出音频信号。 3. 调节电路参数使输出波形最佳，分析参数对性能的影响。 4. 完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总结）。 时间安排： 1．2010年6 2．2010年6月5日 至2010 3. 2010年6月 指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 《高频电子线路》课程设计说明书 目 录 TOC \o 1-3 \u 摘 要 I Abstract II 1绪论 1 2设计内容及要求 1 2.1设计目的及主要任务 1 2.1.1设计目的 1 2.1.2 设计任务及要求 1 2.2设计思想 2 3 锁相鉴频器的工作与设计原理 2 3.1鉴频器原理 2 3.2 锁相环工作原理 3 3.3 锁相鉴频器的工作原理 4 3.4 模拟锁相环NE564的结构与特点 5 3. 5 FM解调电路设计 7 4.整机电路图 9 5软件仿线软件仿线 matlab源代码 11 5.1.2 仿线参考文献 18 PAGE 5 摘 要 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。 本文介绍了锁相鉴频电路的工作原理和模拟锁相环芯片NE564的结构与特点，并用该芯片设计了一款41．4MHz的FM解调电路，具有较强的实用性。 关键词：锁相环；调制解调；NE564芯片 ? Abstract Phase-locked loop for radio frequency manipulation to launch a more stable way, mainly VCO (voltage controlled oscillator) and PLL IC, VCO give a signal, in part as output, the other through the divider and PLL IC The local oscillator signal generated for phase comparison, in order to maintain the same frequency does not change the requirements phase, if phase changes, the PLL ICs voltage output voltage changes to control the VCO, until the recovery phase to achieve the purpose of locking, enabling the controlled oscillator frequency and phase are determined with the relationship between the input signal to maintain closed-loop electronic circuits. This article describes the work of phase-locked frequency discrimination circuit theory and analog phase-locked loop chip NE564 structure and features, the chip was designed with a 41.4MHz in FM demodulation circuit, and a strong practical. Keywords: PLL; modem; NE564 chip 1绪论 调频波(FM)解调称为频率检波，简称鉴频。实现调频波解调的方法有很多，常见的方法有：a．斜率鉴频、相位鉴频、比例鉴频，这些鉴频器电路需要大量的电阻电容等元件，电路形式比较复杂不易于集成；b．移相乘积鉴频、脉冲均值鉴频，这些鉴频器易于集成，但移相乘积鉴频器内部噪声较大，脉冲均值鉴频器线性好、频带宽，但中心频率范围较低；c．锁相环鉴频，它是利用现代锁相技术来实现鉴频的方法，具有工作稳定、失真小、信噪比高等优点，所以被广泛应用在通信电路系统中。 本次设计基于锁相环鉴频电路，通过调制信号的控制锁相环中压控振荡器的振荡频率，实现调频。 2设计内容及要求 2.1设计目的及主要任务 2.1.1设计目的 提高电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；学习高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。 2.1.2 设计任务及要求 根据已知条件，完成通过基于NE564的锁相鉴频器的设计、连接与仿线. 采用集成芯片完成一个锁相鉴频器的设计。 2. 输入调频波，输出音频信号。 3. 调节电路参数使输出波形最佳，分析参数对性能的影响。 4. 完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总结）。 2.2设计思想 本次设计要求完成基于NE564的锁相鉴频器的设计、连接与仿真，选择适合芯片。而整个设计的核心部分就在锁相环路的设计，该模块完成的功能主要包括放大输入音频以及调节输出音频。随后运用Multisim10中的仿真功能对其予以仿真，从仿真的结果中分析程序的正确性。待所有模块的功能正确之后，运用原理图搭建顶层电路并进行整体仿真直至达到最初的设计要求，最后再进行整机电路的连接。 3 锁相鉴频器的工作与设计原理 3.1鉴频器原理 角调波的解调就是从角调波中恢复出原调制信号的过程。调频波的解调电路称为频率检波器或鉴频器(FD)，就鉴频器的功能而言，它是一个将输入调频波的瞬时频率f(或频偏Δf)变换为相应的解调输出电压uo的变换器，如图3.1(a)所示。通常将此变换器的变换特性称为鉴频特性。用曲线表示为输出电压uo与瞬时频率f或频偏Δf之间的关系曲线，称为鉴频特性曲线 鉴频器的功能和鉴相特性 对鉴频器的另外一个要求，就是鉴频跨导要大。所谓鉴频跨导SD，就是鉴频特性在载频处的斜率，它表示的是单位频偏所能产生的解调输出电压。鉴频跨导又叫鉴频灵敏度，用公式表示为 另一方面，鉴频跨导也可以理解为鉴频器将输入频率转换为输出电压的能力或效率，因此，鉴频跨导又可以称为鉴频效率。 3.2 锁相环工作原理 锁相环是一个相位负反馈控制系统。它由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和电压控制振荡器(VCO)三个基本部件组成，其总体电路框图如图 3.2 所示。 图3.2 锁相环电路框图 锁相环路具有以下几个重要特性： (1) 跟踪特性：一个已经锁定的环路，当输入信号稍有变化时，VCO的频率立即发生相应的变化，最终使fo=fi。这种使压控振荡器的振荡频率fo随输入信号fi频率变化而变化的性能，称为环路的跟踪特性。 (2) 滤波特性：锁相环路通过环路滤波器的作用，具有窄带滤波特性，能将混进输入信号中的噪声和干扰滤除。 (3) 锁定状态无剩余频差：锁相环路是利用相位比较来产生误差电压。因而锁定时只有稳态相差，没有剩余频差。 (4) 易于集成化：组成锁相环路的基本部件都易于采用模拟集成电路。环路实现数字化后，更易于采用数字集成电路。环路集成化为减小体积、降低成本、提高可靠性等提供了条件。 3.3 锁相鉴频器的工作原理 锁相鉴频器原理框图如图3.3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。模拟锁相环NE564芯片就可用来设计FM解调电路。图3.4为锁相环路的数学模型。 图3.3 PLL原理框图 图3.4 锁相环路的数学模型 3.4 模拟锁相环NE564的结构与特点 模拟锁相环SE564芯片的最高工作频率可达50MHz，采用+5V单电源供电，电路设计所使用的元件不多，关键步骤是设置中心频率和如何滤波两个方面。特别适用于高速数字通信中FM信号和FSK(移频键控)信号的调制和解调，且不需外接复杂的滤波器。芯片采用双极性工艺，电路由限幅器、鉴相器、压控振荡器、放大器、直流恢复电路和施密特触发器等六部分组成，内部结构如图3.5所示。 其中各管脚功能见表3.1 ? 表3.1 NE564各管脚功能 引脚 功能 引脚 功能 1 正电源输入 9 VCO输出TTL 2 环路增益控制 10 正电源输入 3 从VCO到PD输入 11 VCO输出2 4 LF 12 频率设置电容 5 LF 13 频率设置电容 6 FM/RF输入 14 模拟输出 7 偏置滤波器 15 磁滞设置 8 地 16 TTL输出 图3.5 NE564的内部结构图 图3.5中，限幅器由差分电路组成，可抑制FM信号的寄生调幅；鉴相器(PD)的内部含有限幅放大器，以提高对AM信号的抗干扰能力：4、5脚外接电容组成环路滤波器，用来滤除比较器输出的直流误差电压中的纹波；2脚用来改变环路的增益；3脚为VCO的反馈输入端；VCO是改进型的射极耦合多谐振荡器，有两个电压输出端，9脚输出TTL电平，11脚输出ECL电平。VCO内部接有固定电阻，只需外接一个定时电容就可产生振荡；施密特触发器的回差电压可通过15脚外接直流电压进行调整， 以消除16脚输出信号的相位抖动。NE564的封装图如图3.6所示。 ? 图3.6 NE564的封装 3. 5 FM解调电路设计 用NE564组成41.4MHz的FM电路，如图3.7所示。FM输入信号的电压Vi≥100mV，调制信号的频率fΩ=1KHz，该电路的元件参数设计如下： 图中Dl、D2为限幅二极管。C1是输入耦合电容，R1、C2组成限幅放大器的输入偏置滤波，滤除FM信号中的杂波。R3和RP对2脚提供输入电流I2，用来控制环路增益和VCO的锁定范围，总电阻R与电流12的关系为： 图3.7 解调电路 式中的1.3V是由于NE564的13脚电压为1.3V，I2一般为几百毫安，调节电位器RP使环路增益和VCO的锁定范围达到最佳值。R4是VCO输出端必须接的上拉电阻。C3、C4与内部两个对应电阻(阻值R=1．3kΩ)分别组成一阶RC低通滤波器。其截止角频率为： 滤波器的性能对环路入锁时间的快慢有一定影响，可根据要求改变C3、C4的值。VCO的固有振荡频率fv与定时电容Ct的关系为： 工作频率为41.4MHz时，由式(3)或振荡频率fv与Ct的关系曲线pF电容并联使用。C5和C6用来滤除电源中的高低频交流分量。C7、C8和R5组成π型滤波器，用来滤除输出信号中的谐波分量。 图3.6 f与C的关系 该电路通过调试，中心频率工作在41.4MHz，频偏可达1MHz以上，输出电压在0.4V以上。 4.整机电路图 图 4.1 锁相鉴频器的整机电路图 图4.1所示为锁相鉴频器的整机电路，按照上述连接电路，并进行测试，输入调制信号，观察其输出信号。 元件参数设计如下：C1是输出耦合电容，R1、C2成差分放大器的输入偏置电路滤波器，可滤除FM信号中的杂波，其值与中心频率f0杂波的幅度有关。R2包含电位器RP1）对引脚②提供输入电流I2可控制环路增益和压控振荡器的锁定范围，R2与电流I2的关系可表示为 I2一般为几百微安。调整时，可先设I2的初值为100μA，待环路锁定后再调节电位器RP1使环路增益和压控振荡器的锁定范围达到最佳值。R3是压控振荡器输出端必须接的上拉电阻，一般为几千欧姆。C3、C4与内部两个对应电阻（阻值R=1.3KΩ）分别组成一阶RC低通滤波器，其截止角频率 滤波器的性能对环路入锁时间的快慢有一定影响，可根据要求改变C3、C4的值。压控振荡器的固有振荡频率fV与定时电容Ct的关系可表示为 已知fV=5MHz，则Ct=36pF（可取标称值6 pF与30 pF并联）。C5用来滤除解调输出信号1KHz中的谐波成分，如果谐波的幅度较大，还可采用RC组成的π型滤波网络，调整R的值，滤波效果比较明显。如果⑨脚输出的载波上叠加有寄生调幅，则可在电源端接入LC滤波网络。 5软件仿线软件仿线 matlab源代码 %FM调制解调系统.m %频率调制与解调的Matlab演示源程序 %可以任意改原调制信号函数m(t) %信息工程 陈丽丹 %·*·*·*·*·*·*·*·*·*·*·*·*·*·*·*· %*****************初始化****************** echo off close all clear all clc %***************************************** %·*·*·*·*·*·*·*·*·*·*·*·*·*·*·*· %****************FM调制******************* dt=0.001; %设定时间步长 t=0:dt:1.5; %产生时间向量 am=5; %设定调制信号幅度 fm=5; %设定调制信号频率 mt=am*cos(2*pi*fm*t); %生成调制信号 fc=50; %设定载波频率 ct=cos(2*pi*fc*t); %生成载波 kf=10; %设定调频指数 int_mt(1)=0; for i=1:length(t)-1 int_mt(i+1)=int_mt(i)+mt(i)*dt; %求信号m(t)的积分 end %调制，产生已调信号 sfm=am*cos(2*pi*fc*t+2*pi*kf*int_mt); %调制信号 %***************************************** %·*·*·*·*·*·*·*·*·*·*·*·*·*·*·*· %·*·*·*·*·*·*·*·*·*·*·*·*·*·*·*· %****************FM解调******************* for i=1:length(t)-1 %接受信号通过微分器处理 diff_nsfm(i)=(nsfm(i+1)-nsfm(i))./dt; end diff_nsfmn = abs(hilbert(diff_nsfm)); %hilbert变换，求绝对值得到瞬时幅度（包络检波） zero=(max(diff_nsfmn)-min(diff_nsfmn))/2; diff_nsfmn1=diff_nsfmn-zero; %***************************************** %·*·*·*·*·*·*·*·*·*·*·*·*·*·*·*· %**************时域到频域转换************** ts=0.001; %抽样间隔 fs=1/ts; %抽样频率 df=0.25; %所需的频率分辨率，用在求傅里叶变换 %时，它表示FFT的最小频率间隔 %*****对调制信号m(t)求傅里叶变换***** m=am*cos(2*pi*fm*t); %原调信号 fs=1/ts; if nargin==2 n1=0; else n1=fs/df; end n2=length(m); n=2^(max(nextpow2(n1),nextpow2(n2))); M=fft(m,n); m=[m,zeros(1,n-n2)]; df1=fs/n; %以上程序是对调制后的信号u求傅里变换 M=M/fs; %缩放，便于在频铺图上整体观察 f=[0:df1:df1*(length(m)-1)]-fs/2; %时间向量对应的频率向量 %************对已调信号u求傅里变换********** fs=1/ts; if nargin==2 n1=0; else n1=fs/df;
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