锁相环ppl电路设计

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第页 1 西华大学课程设计说明书

锁相环（PLL）电路设计

摘要：本次课程设计的锁相环电路其原理就是先把电网三相交流电压合成一相正弦波，合成后其频率还是不变（50Hz），然后把正弦波转变成方波，由此将信号送入锁相环集成器件CD4046（由鉴相器，环路滤波器，VCO组成），通过将输入信号与VCO输出信号或VCO输出经分频器的信号相位或频率的比较，控制两个信号使其保持同相位，从而实现对输入信号的同步跟踪。

关键字：锁相环，鉴相器，环路滤波器，集成运算电路，比较器

Abstract: This curriculum designs phase-locked loop electric circuit its

principle is synthesizes first the electrical network three-phase AC

voltage a sine wave, after the synthesis its frequency invariable (50Hz),

then transforms the sine wave the square-wave, from this sends in the

signal phase-locked loop integration component CD4046 (by discriminator,

ring circuit filter, VCO is composed), through the input signal and the

VCO output signal either the VCO output after the frequency divider signal

phase or the frequency comparison, will control two signals to cause its

maintenance with the phase, thus will realize to the input signal lock

following.

Keyword: PLL, phase detector and loop filter, integrated computing circuits,

Comparators

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1.前言(绪论) ............................................................................................................................... 3

2.总体方案设计 ............................................................................................................................ 4

3.单元模块设计 ............................................................................................................................ 5

3.1 集成运算加法器 .......................................................................... 错误！未定义书签。

3.2 集成运算的选择及参数计算 ..................................................................................... 6

3.3 正弦波整成方波 ............................................................................................................ 7

3.4 锁相环CD4046 ........................................................................................................... 10

3.5 分频器(64分频) ......................................................................................................... 13

4.Multisim9.0软件介绍 ......................................................................................................... 15

5.系统调试,功能及参数选择 ................................................................................................. 16

6.设计总结 .................................................................................................................................. 18

7.谢辞(致谢) ............................................................................................................................... 18

8.参考文献 ................................................................................................................................... 19

9.附录 .......................................................................................................................................... 20

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1.前言

PLL（锁相环）是Phase Locked Loop的缩略词。我们设计此实验，实现无频率误差和相位误差的跟踪。锁相环是一个相位负反馈控制系统，主要有鉴相器，环行滤波器和压控振荡器三部分组成，如图1.1所示。鉴相器是相位比较装置，用来检测输入信号和反馈信号之间低通滤波器用于将鉴相器的输出信号的高频成分滤掉，进行平均，获得直流误差输出，通常用有源低通滤波器来实现；压控振荡器是一个电压-频率变换装置，振动频率应随输入电压线性变化，输出信号反馈到鉴相器的一个输入端，对鉴相器起作用的是其相位信号。从整体上来说，输入与输出信号频率差不断减小，直到差值为零，进入锁定状态，相位等于一个极小的数值，实现频率跟踪。

图1.1 锁相环原理框图鉴相器环行滤波器 VCO

分频器1/N

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2.总体方案设计

此实验方案如下图2.1:电网上的三相交流,经过一个运算加法器得到一相的正弦交流电,此电压再通过一个比较器,得到频率为50Hz的方波信号，方波信号通入锁相环CD4046，从而实现对电压频率的实时跟踪。

三相交流电网

运算加法器

比较器

鉴相器环行滤波器 VCO

CD4046

可编程计数器（分频器1/N）

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图2.1 总体方案设计方框图

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3.单元模块设计

3.1集成运算加法器

将三相交流电变为一相可以用运放加法器。如下图3.1所示，将Va,Vb,Vc相加，送入集成器。这个电路是反相放大器，由于电路存在虚短，Vi=0，在P端接地时，V(N)=0,故N点为虚地。显然它是多端输入的电压并联负反馈电路。

有以下方程式：

RVVRVVRVVRVVfiicibia0321 （3.1）

式(1)中,Va、Vb、Vc为三相交流, Vi为运算器反向输入端电压,V0为运算器输出电压。

由此可得

0abcVVVV （3.2）

图3.1 集成运算加法器

由此完成三相电流变为一相正弦电。

3.2集成运放的选择及参数计算

本设计运放使用UA741集成器件,其实际的参数如下表3.1:

表3.1 UA741集成器件参数表

特性参数

失调电压 0.5～5mV

失调电流 1nA～10μA

失调电压的温度 (1～50) μV/℃

偏置电流 1nA～100μA

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输入电阻 10kΩ～1000MΩ

通频带 10kHz～2kHz

输出电流 1～30mA

共模抑制比 60～120dB

上升时间 10ns～10μs

转移速率 (0.1～100)V/μs

电压增益 1000～1000000dB

电源电流 0.05～25mA

3.3 整形电路

(1) 设计思路：

四种方案如下：

1) 二极管半波整流：正弦波数轴的X轴线以上的波形保留（X轴线以下的部分被隔离掉），波形呈断续的曲线，相位不变。经过稳压波形呈断续的、大于Y数轴0、小于原正弦波波峰的曲线，适用于对电流要求不高的电器。

2) 二极管全波整流（桥式整流）：正弦波数轴的X轴线以下的波形对折到X轴线上面，波形呈连续的、电压由峰值到0根据频率变化的曲线。经过稳压波形呈连续的、接近正弦波波峰的略有波浪型曲线，适用于对电流要求较高的电器。

3) 串联型晶体管整流电路，形成平稳波形的、接近正弦波波峰的直流电，黑白电视机、精密电器使用。

4) 晶体管开关电路、晶体管泵电源电路，形成平稳波形的、接近正弦波波峰的直流电，彩色电视机、精密电器使用。

锁相环电路

手机射频部分的关键电路----锁相环电路

锁相坏电路是一种用来消除频率误差为目的反馈控制电路，目前市场销售的手机基本上都是采用这种电路来控制射频电路中的压控振荡器。使其输出准确稳定的振荡频率。如锁相坏(PLL)电路出现故障将导致本振的频率输出不准确，则导致手机无信号。

目前通信终端设备中对频率的稳定采用的是频率合成CSYN技术。频率合成的基本方法有三种：第一种直接频率合成；第二种锁相频率合成(PLL)；第三种直接数字频率合成(DDS)。由于锁相频率合成技术在电路设计方面(简单)，成本方面控制灵敏度方面，频谱纯净度方面等。都要胜于直接频率合成，与直接数字频率合成。所以被移动通信终端设备广范采用。它在手机电路中的作用是控制压控振荡器输出的频率，相位与基准信号的频率，相位保持同步。

锁相坏电路的构成与工作原理：

1、构成：它是由鉴相器(PD)低通滤波器(LPF)

压控振荡器(VCO)三部分组成。

鉴相器：它是一个相位比较器。基准频率信号和压控振荡器输出的取样频率在其内部

进行相位比较，输出误差电压。

低通滤波器：是将鉴相器输出的锁相电压进行滤波，滤除电流中的干扰和高频成分。得到一个纯净的直流控制电压。

压控振荡器：产生手机所要的某一高频频率。

（注：SYNEN、SYNCLK、SYNDATA来自CPU控制分频器，对本振信号进行N次分频）。

当VCO产生手机所须的某一高频频率。一路去混频管，另一路反馈给锁相环，中的分频器进行N次分频。在这里为什么要进行N次分频呢？首先要说明一下基准频率与VCO振荡取样频率在鉴相要满足3个条件。

① 频率相同。②幅度相同。③相位不同。为了满足鉴相条件，所以在电路中设置了分

频器。VCO振荡频率取样信号送入分频器完成N次分频后，得到一个与基准频率相位不同，但频率和幅度都相同的一个频。它在鉴相器内与基准频率（13M）完成相位比较。输出锁相电压经低通滤波器，滤除掉干扰成分和高频成分后得到一个纯净的直流控制电压，（PX－PC）或（TX－PC）去控制VCO使输出一个精准稳定的频率。

数字锁相环调频发射机电路设计与制作

一．数字锁相环发射机电路工作原理分析

BA1404对于一般的调频发射已经足够，但是它有一个致命的缺点：没有锁相环电路，容易跑频。因此，对于要求高的地方就不适合了。下面给出基于数字锁相环的调频发射机实现。

通常使用的数字锁相环调频发射机都是采用一些专用的高频锁相环电路，如MC145152等。但是这种实现方式的一个缺点就是电路复杂，调试麻烦，因此我们注意到了BH1414-BH1417系列芯片，即相当于BA1404+PLL。

下面介绍BH1415数控调频发射机电路的设计与制作。

1．调频部分电路

图一：BH1415调频发射机电路

由于BH1415控制方式采用串行方式，因此必须要使用到单片机控制。大家也可以采用BH1417+拔码开关的方式（适用于对单片机不熟悉的同学）。

2．控制电路图二：单片机控制电路

控制部分：选用了89S51单片机作为控制芯片，频率显示部分采用数码管来显示(由于单片机的I/O大部分空闲，建议采用1602LCD显示方式)。

3．功率放大电路《参考BA1404调频发射机电路设计与制作》。

二．制作与调试

1．制作要点：正确的PCB设计是首要条件，高频电路讲究接地，该电路虽然外围元件少，但如果模拟、数字电路布线不合理，干扰很大，此时PCB的设计显得尤为重要，一定要保证数、模分开，一点接地。退耦电容不可少，笔者电路中用到了8颗容量不同的电容。电容值的选取最好不全一样，如102、103、104等。控制板的PCB设计笔者将三极管放在四位数码管下，三极管卧放，再装上数码管，这样看起来比较简洁。

2．调试：配合正确的控制部分，本制作唯一难点在压控部分的调试。常见问题是调不出频率，或者出了频率但不受单片机控制，该类问题主要是压控调试不对，没有锁相。先测试变容二极管上的电压，频率越高，电压越高，调节电感匝距，使得频率设置在108MHz时，电压接近Vcc，频率设置在98MHz时，电压约3V，频率设置在88MHz时，电压接近0V。如果电压不变，则需要检查电路是否正确，电压变化范围不够宽，则说明变容二极管变容比不够大，这样频率调节范围不能达到满频任意调节。变容二极管建议选用KV1471或则BB910等。