基于4046的频率合成器设计报告

实验四锁相式数字频率合成器的设计一．实验目的1. 掌握锁相环及频率合成器原理。

2. 利用数字锁相环CD4046设计制作频率合成器。

3. 利用有源滤波器将CD4046输出方波。

二．实验仪器1．DSO-2902示波器/逻辑分析仪一台2．模拟信号源一台3．锁相环电路板一个4．微机一台5．微机专用直流电源一台三．实验原理1．锁相频率合成器原理锁相频率合成器是基于锁相环路的同步原理，由一个高准度、高稳定度的参考晶体振荡器，合成出许多离散频率。

即将某一基准频率经过锁相环（PLL）的作用，产生需要的频率。

原理框图如图4-1所示。

图4-1 锁相环原理框图由图4-1可知，晶体振荡器的频率i f 经M 固定分频后得到步进参考频率REF f ，将REF f 信号作为鉴相器的基准与N 分频器的输出进行比较，鉴相器的输出d U 正比与两路输入信号是相位差，d U 经环路滤波器得到一个平均电压c U ，c U 控制压控振荡器（VCO ）频率0f 的变化，使鉴相器的两路输入信号相位差不断减小，直到鉴相器的输出为零或为某一直流电平，这时称为锁定。

锁定后的频率为0//i REF f M f N f ==即()0/i REF f N M f N f ==⋅。

当预置分频数N 变化时，输出信号频率0f 随着发生变化。

锁相环中的滤波器时间常数决定了跟随输入信号的速度，同时也限制了锁相环的捕捉范围，详细原理见参考书。

2.CD4046锁相环工作原理数字锁相环CD4046由两个鉴相器、一个压控振荡器、一个源极跟随器和一个齐纳二极管组成。

鉴相器有两个共用输入端IN PCA 和IN PCB ，输入端IN PCA 既可以与大信号直接匹配，又可直接与小信号相接。

自偏置电路可在放大器的线性区调整小信号电压增益。

鉴相器Ⅰ为异或门，鉴相器Ⅱ为四组边沿触发器。

由于CD4046的两个鉴相器输入信号均为数字信号，所以称CD4046位数字锁相环。

压控振荡器的输出除受输入电压的控制外，还受禁止端INH 的控制。

实验11 锁相调频与鉴频实验一、实验目的1.掌握锁相环的基本概念。

2.了解集成电路CD4046的内部结构和工作原理。

3.掌握由集成锁相环电路组成的频率调制电路/解调电路的工作原理。

二、预习要求1.复习反馈控制电路的相关知识。

2.锁相环路的工作原理。

三、实验仪器1.高频信号发生器2.频率计3.双踪示波器4.万用表5.实验板GPMK8四、锁相环的构成和基本原理（1）锁相环的基本组成图11-1是锁相环的基本组成方框图，它主要由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）组成。

图11-1 锁相环的基本组成① 压控振荡器（VCO ）VCO 是本控制系统的控制对象，被控参数通常是其振荡频率，控制信号为加在VCO 上的电压。

所谓压控振荡器就是振荡频率受输入电压控制的振荡器。

② 鉴相器（PD ）PD 是一个相位比较器，用来检测输出信号0V （t ）与输入信号i V （t ）之间的相位差θ (t)，并把θ(t)转化为电压)(t V d 输出，)(t V d 称为误差电压，通常)(t V d 作为一直流分量或一低频交流量。

③ 环路滤波器（LF ）LF 作为一低通滤波电路，其作用是滤除因PD 的非线性而在)(t V d 中产生的无用组合频率分量及干扰，产生一个只反映θ(t)大小的控制信号)(t V C 。

4046锁相环芯片包含鉴相器（相位比较器）和压控振荡器两部分，而环路滤波器由外接阻容元件构成。

（2）锁相环锁相原理锁相环是一种以消除频率误差为目的反馈控制电路，它的基本原理是利用相位误差电压去消除频率误差。

按照反馈控制原理，如果由于某种原因使VCO 的频率发生变化使得与输入频率不相等，这必将使)(t V O 与)(t V i 的相位差θ(t)发生变化，该相位差经过PD 转换成误差电压)(t V d 。

此误差电压经过LF 滤波后得到)(t V c ，由)(t V c 去改变VCO 的振荡频率，使其趋近于输入信号的频率，最后达到相等。

课程报告题目简易频率合成器学生姓名*******学号20102321043院系滨江学院电子工程系专业电子科学与技术指导教师赵静班级______(1)_班_______ 二Ｏ一三年六月十二日一、 设计和制作任务1、输出信号的频率范围：1kHz-99kHz2、步进频率：1Khz3、锁相环电路有LED 灯做稳定指示4、输出电平为方波二、 实验原理图2-1 总体电路设计框图1、CD4046 锁相环电路设计(1)、锁相环基本组成锁相环通常由鉴相器（PD ）、环路滤波器（LF ）和压控振荡器（VCO ）三部分组成，锁相环组成的原理框图如图2-2所示。

锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成uD （t ）电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压uC （t ），对振荡器输出信号的频率实施控制。

图2-1-1锁相环原理图基准信号（1kHz)鉴相器LPF 压控振荡器(VCO)可编程分频器(÷N)拨动开关f R'Rf CD4046(2)、鉴相器（PD）锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成，利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图2—1—2所示。

图2-1-2 鉴相器(3)、压控振荡器（VCO）指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路(VCO)，频率是输入信号电压的函数的振荡器VCO，振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器。

(4)、低通滤波器让某一频率以下的信号分量通过，而对该频率以上的信号分量大大抑制的电容、电感与电阻等器件的组合装置。

(5)、锁相环电路的工作原理鉴相器的工作原理是：设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为：式中的ω0为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为电路的固有振荡角频率。

则模拟乘法器的输出电压uD为：用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压uC（t）。

目录摘要 (2)1、引言 (2)2、设计任务及要求 (2)2.1 设计任务 (2)2.2 设计要求 (2)3、频率合成的基本原理框图 (2)4、硬件系统的设计 (3)4.1 原理图 (3)4.2 74HC4046 (3)4.2.1 74HC4046引脚功能介绍 (3)4.2.2 74HC4046内部电路原理图 (4)4.2.3 74HC4046典型应用 (5)4.3 CD4522引脚功能介绍 (5)4.4 CD4518引脚功能介绍 (6)4.5 1602LCD的基本参数及引脚功能 (7)5、软件系统的设计 (8)5.1 流程图 (8)5.2 程序代码 (10)6、实训小结 (16)参考文献 (17)基于单片机控制的频率合成器摘要给出一种以单片集成PLL 芯片74HC4046为核心， 并通过AT89C51 单片机对74HC4046进行控制来实现锁相频率合成器的设计方法。

文中在介绍了74HC4046芯片的内部功能结构的基础上， 探讨了锁相频率合成器的基本原理和工作特性； 给出了基于74HC4046的锁相频率合成器的硬件电路结构和软件程序设计方法。

该设计经仿真测试证明， 锁相效果良好， 结构精简， 性能可靠。

关键词： 74HC4046； AT89C51； 频率合成器1、引言在现代电子技术的设计与开发过程中，特别是在通信、雷达、航空、航天以及仪器仪表等领域， 都需要进一步提高一系列高精度、高稳定度的频率源的频率精度。

这样，一般的振荡器已经无法满足各种应用的发展要求，而晶体振荡器的性能虽然比较好， 但其频率单一， 或只能在极小的范围内进行微调。

因此， 本文提出了一种基于单片机AT89C51控制的利用锁相技术以频率合成器芯片74HC4046为核心，来实现锁相频率合成器的设计方案。

2、设计任务及要求2.1 设计任务设计一个基于单片机控制的频率合成器 2.2 设计要求1.输入信号为1KHz 的方波信号。

2.合成的频率范围为1KHz~999KHz 。

摘要频率合成器是利用一个或多个标准信号，通过各种技术途径产生大量离散频率信号的设备。

本文系统地阐述了锁相环频率合成器的基本工作原理，较深入地分析了锁相环路的组成和工作过程，建立其相位模型以及动态方程，并且对环路滤波器和各组成部分进行了详细的分析。

在此基础上，针对CD4046系统的技术特点，以集成数字锁相芯片为核心精心设计了频率合成电路，构成了多频点输出频率合成器。

为了改善环路的捕获性能，进一步抑制鉴相器输出电压中的载频分量和高频噪声，降低由VCO控制电压的不纯而引起的寄生输出以及其他各种杂散噪声，对环路滤波器进行了重点设计，合理选择和计算了环路的参数，进而使得集成锁相环频率合成电路的功能得到了充分发挥，为CD4046系统提供了良好的本振源。

关键词：频率合成器锁相环路CD4046目录引言 (3)第一章频率合成基本原理 (4)1．1 频率合成的概念 (4)1．2 频率合成器的主要技术指标 (5)1．3 锁相频率合成器 (5)第二章锁相环路的基本工作原理和CD4046的介绍 (6)2．1 锁相环路的工作原理 (6)2．2 锁相环路各组成部分的作用 (6)2．3 数字式锁相环路CD4046 (7)2．4 CD4046的介绍 (8)2．5 CD4046工作原理 (9)2．6 CD4046典型应用电路 (9)第三章频率合成器的设计与制作 (11)3．1 实验的设计指标和要求 (11)3．2 设计步骤 (11)3．3 设计电路图 (12)3．4 电路板制作 (12)总结 (14)参考文献 (15)引言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，由此导出多个或大量的输出频率，这些输出频率的准确度与稳定度与参考频率是一致的。

频率合成在通信、雷达、测控、仪器仪表等电子系统中有广泛的应用，频率合成器有直接式频率合成器、直接数字式频率合成器及锁相频率合成器三种基本模式。

前两种属于开环系统，具有频率转换时间短，分辨率较高等优点。

基于4046的频率合成器设计目录一、内容摘要 (2)二、设计目的 (2)三、主要参数指标 (2)四、总体方案及原理 (2)五、各模块设计方法 (3)A．振荡源模块设计 (3)B. M分频电路模块设计 (3)C．N分频模块的设计 (4)D. 锁相环模块设计 (5)六、调试方法 (8)七、测试结果 (8)八、结果分析 (8)九、参考文献 (9)一、内容摘要频率合成是指由一个或多个频率稳定度和精确度很高的参考信号源通过频率域的线性运算，产生具有同样稳定度和精确度的大量离散频率的过程。

实现频率合成的电路叫频率合成器。

实际的频率合成设备有：直接频率合成，即DDS技术；锁相环频率合成技术，即PLL；DDS+PLL技术。

频率合成器是现代电子系统的重要组成部分。

在通信、雷达和导航等设备中应用广泛。

本设计是基于CD4046的PLL频率合成器。

由振荡源输出一个精准度很高的频率为本次设计提供一个高精准、高稳定度的100Hz参考频率。

通过N 分频电路和CD4046锁相环实现在一定范围内基于100Hz步进的任意频率的合成。

二、设计目的运用本学期集成电路的知识设计一个基于4046的频率合成器，在设计、制作和调试过程中，熟练掌握和运用4046锁相环集成芯片的使用。

三、主要参数指标1.频率合成器范围：800KHz——900KHz2.步进：100Hz四、总体方案及原理整个设计如图所示分成四个模块，振荡产生模块、M分频模块、锁相环模块和N分频模块。

由振荡源及固定M分频产生精准的100Hz基准频率；由减法计数器配合拨码开关产生0——9999的任意N分频电路。

工作时，基准100Hz和通过N 分频电路产生的100Hz经过锁相环的相位比较器产生相位差，并将此相位差线性的转换成电压幅度。

这个电压经过低通滤波器后控制VCO振荡，通过N分频反馈电路继续上述步骤直到基准100Hz和N分频产生的100Hz达到一个固定的相位差后不再改变。

此时，经过N分频产生的100Hz频率就与基准100Hz严格一致了，VCO输出端就产生了精准的100NHz的频率。

题目：频率合成器——基于4046的锁相环频率合成器一、课程设计目的：1.熟悉期间4046的基本原理和性能。

2.掌握频率合成器的原理和合成技术。

3.熟悉和掌握所学的各个器件，芯片，以及熟练的应用。

4.理解入锁和失锁的概念和原理。

5.融会贯通所学的高频知识，能够灵活的应用和设计。

6.理解和熟练分析基本的电路。

二、课程设计题目描述和要求：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，由此导出多个或大量的输出频率，这些输出的准确度与稳定度与参考频率是一致的。

锁相的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环，简称PLL。

它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域。

锁相环主要由相位比较器（PC）、压控振荡器（VCO）、低通滤波器三部分组成。

频率合成器有直接式频率合成器、直接数字式频率合成器及锁相频率合成器三种基本模式，前两种属于开环系统，因此是有频率转换时间短，分辨率较高等优点，而锁相频率合成器是一种闭环系统，其频率转换时间和分辨率均不如前两种好，但其结构简单，成本低。

并且输出频率的准确度不逊色与前两种，因此采用锁相频率合成。

频率合成器是一个系统，最初产生的一系列频率为参考频率的整数倍，参考频率通常是固定的。

这样的合成器称为整数N频率合成器。

频率合成器技术也不断前进，出现也很多新型的频率合成电路，并在通信电路中得到广泛应用。

锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成。

频率合成一个或少量的高准确度高稳定的标准频率作为参考频率,由此导出多个或大量的输出频率.这些输出频率的准确度和稳定度与参考频率是一致的,频率合成器就是用来产生这些频率的部件.技术要求：1.达到输出为4-10M赫兹。

2.频率间隔为5K 赫兹。

3.基于4046芯片的设计。

三、课程设计报告内容及原理：原理框图如下，锁相环路对稳定度的参考振动器锁定，环内串接可编程的分频器，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。

基于cd4046锁相环的数字频率合成器电路设计1. 介绍在当今的数字电子领域，频率合成器扮演着至关重要的角色，它可以将一个基础频率信号合成出多个频率信号，广泛应用于收音机、数字通信、无线电、雷达等领域。

本文将重点讨论基于cd4046锁相环的数字频率合成器电路设计，以及CD4046的基本工作原理和性能特点。

2. 基础原理CD4046作为一种锁相环集成电路，它由相位比较器、环路滤波器和振荡器组成。

在频率合成器中，CD4046可以将输入信号频率合成成另一个输出频率信号，并且具有较高的信号锁定能力。

其基本工作原理是根据输入信号频率与振荡器输出信号频率之间的差值，不断调节振荡器输出频率，直至二者频率相同，从而实现信号的合成。

3. 设计步骤(1) 确定合成频率范围：根据实际需求确定所需合成频率范围，进而选择合适的分频倍数和振荡器参数。

(2) 选择振荡器电路：根据合成频率范围选择合适的振荡器电路和频率合成器芯片，CD4046是目前较为常用的选择之一。

(3) 进行电路仿真：使用电路仿真软件对设计电路进行仿真和调试，确保电路工作稳定和合成频率准确。

(4) 调节环路参数：根据实际需求调节环路参数，如环路带宽和环路增益，以实现更精准的频率合成效果。

4. 性能分析CD4046锁相环具有较高的抗干扰能力和频率稳定性，能够在一定程度上抵抗外部环境干扰和波动。

其响应速度较快，能够实现快速锁定输入信号频率，并且具有较高的合成精度和稳定性，适用于多种频率合成场景。

5. 个人观点在设计数字频率合成器时，选择合适的频率合成器芯片对电路性能起着至关重要的作用。

CD4046锁相环作为一种可靠的集成电路芯片，具有较高的性能和稳定性，是设计高质量数字频率合成器的重要选择之一。

在实际应用中，需要根据具体需求合理设计振荡器电路和调节环路参数，以实现更加精准和稳定的频率合成效果。

总结：本文对基于CD4046锁相环的数字频率合成器电路设计进行了全面评估和探讨，介绍了其基本工作原理、设计步骤、性能分析和个人观点，并对其在数字频率合成器设计中的重要性进行了强调。