电子系统课程设计锁相环数字发生器Word格式.docx
- 文档编号:14078580
- 上传时间:2022-10-18
- 格式:DOCX
- 页数:18
- 大小:995.41KB
电子系统课程设计锁相环数字发生器Word格式.docx
《电子系统课程设计锁相环数字发生器Word格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《电子系统课程设计锁相环数字发生器Word格式.docx(18页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
2.1任务分析2
2.2方案比较3
2.3系统结构设计3
2.4具体电路设计4
3制作及调试过程8
3.1制作与调试流程8
3.2遇到的问题与解决方法9
4系统测试10
4.1测试方法10
4.2测试数据10
4.3数据分析和结论10
5系统使用说明10
5.1系统外观及接口说明10
5.2系统操作使用说明12
使用方法基本上如5.1所述。
12
6总结12
6.1本人所做工作12
6.2收获与体会13
6.3缺陷与不足13
6.4对本课程的建议14
7参考文献14
8附录14
1设计任务要求
1.1任务
设计并制作一个数字控制脉冲信号发生器。
1.2设计要求
(1)输出信号频率范围2.0kHz~20.0kHz,步进频率0.1kHz(即可输出信号频率2.0kHz、2.1kHz、2.2kHz、……、19.9kHz,20.0kHz),输出信号频率的精度和稳定度要求优于10-4。
(2)设计信号发生器输出电阻为50Ω。
在负载电阻为50Ω时,输出信号高电平5V,低电平-5V,误差不大于10%。
(测试时用示波器分别测信号发生器空载输出电平UOpen和带负载时的输出电平ULoad,应满足UOpen=2*ULoad)
(3)增加按键输入和显示功能。
要求用按键(可用成品键盘或用按键开关自制,按键数量不限)输入信号频率(按键输入方式不限),利用数码管或液晶显示器显示键入的数字和当前输出信号频率。
(4)增加输出保护功能。
当信号发生器输出发生短路时,自动启动保护电路,切断输出并发出报警。
短路去除后,自动恢复正常输出。
2设计方案及论证
2.1任务分析
通过查阅一些资料,我们认为本次课设大概可以分成几个模块:
晶振分频,锁相环,倍频
减法器或电平转换,功率放大
单片机控制与显示
保护电路
其中晶振给出一个稳定的频率f,用分频器N分频得到基准频率f/N,过锁相环之后用单片机做可变的M倍频,最终得到f*M/N的输出频率。
也可以先倍频后分频,原理基本一致。
锁相环输出的频率已经是所求频率,但是电压只有0—5V,而且没有带负载的能力。
因此我们需要设计电平转换及放大和功率放大两个模块,先把电平提高到0—20,再通过隔直电容滤去直流成分,把电平拉低到-10V—+10V以满足设计指标。
最后通过功率放大器放大电流提高带负载能力。
图1设计框图
2.2方案比较
分频部分我们有三种方案,一个是采用CD4060,其内部有起振功能,外接无源晶振即可;
另一个是采用CD40103,二进制最高256分频,但是其没有起振功能,所以要外接有源晶振;
还有一种是使用单片机的晶振,利用单片机自身的起振电路来起振。
倍频部分我想使用CD40103,因为它有八个控制端口,二进制256分频,便于单片机控制。
或者采用两片74161,同样实现256分频。
锁相环部分也可以选择鉴相器I或者鉴相器II,鉴相器I为异或门构成,要占空比为50%,而鉴相器II为边沿触发,没有占空比要求。
电平转换部分和功放部分我们都考虑了很多芯片,从最开始的LM324,到后来选择的LM311和LM356,最后我们确定使用三极管搭接电平转换和功放部分。
2.3系统结构设计
图2原理框图
我们最后选定的方案是这样的,外接1M无源晶振,经过两片CD4010310000分频,输出基准频率100Hz进入锁相环CD4046的信号输入端。
锁相环压控振荡器输出端接到单片机控制倍频的电路上,采用74161倍频,再反馈接到锁相环鉴相器比较输入端。
鉴相器我们选择II,不需要占空比,这样就节省一些芯片。
后一级电平转换由三极管和高通滤波实现,最后采用甲乙类互补推挽功放实现功率放大,带动负载。
2.4具体电路设计
设计思路:
依照老师所给的模块图,我们在此基础上增加了一些模块。
我们计划输入鉴相器的频率为100Hz,这样要实现2kHz-20kHz的输出就只需20-200倍倍频。
本次设计的重点部分是锁相环的调试,锁相环分为三个模块:
鉴相器,滤波器和压控振荡器。
我们仔细阅读CD4046的芯片手册,首先针对这次设计的频率范围,我们选择设计中心频率为15kHz左右,我们选择6、7管脚之间的电容为1nF,11管脚接的100kOm的电位器,调节阻值来选择中心频率,同时测量其压控灵敏度。
图3中心频率选择曲线
接下来滤波部分是关键,我们采用一个环路滤波器仿真计算软件,输入一些参数,如下图所示:
图4环路滤波器设计软件
计算出滤波所需的电阻电容值,我们根据手上有的元件来调节参数,并调试板子,最后确定C1为10uF,C2为100uF,R1=1kOm,R2=100kOm
图5分频及锁相环电路图
倍频部分我们使用两片74161,两片的2管脚时钟端连接锁相环4管脚,作为倍频输入,与非门反馈端连接锁相环3管脚鉴相器比较端,两片的D0—D1由单片机控制,如下图所示:
图6单片机控制倍频电路图
电平转换部分我们本想选择9102,用其开关作为控制电平,但是没有元件,我们只能用8050代替,电源电压为20V左右,根据实际波形调节。
之后用一个1u的电容做隔直高通滤波,下拉电平。
功放部分我们选择甲乙类互补推挽功率放大,采用两个匹配的功率三极管8050和8550,在二极管与电源相连的一端接一个分压电阻,保护二极管,电阻值由调试过程中测出。
输出电阻应该用小阻值大功率电阻,接负载后测试调节。
3制作及调试过程
3.1制作与调试流程
(详细说明电路制作与调试的方法和流程,如各单元电路的制作和调试顺序等,应能完整准确地反映电路的制作调试过程。
)
首先分频比较简单,我们采用1M的有源晶振,使用两个CD40103,各为100分频,这样的输出是100Hz,之后倍频部分我们可以调节20-200倍来实现2k-20kHz的频率产生。
锁相环我们先测试压控振荡部分,我们选定1n电容,然后调节100K的滑变,调节中心频率,并记录压控灵敏度。
滤波部分我们用环路滤波的软件算出大概的电容值和电阻值,选定合适电容之后,我们还是采用滑变调节电阻,先测试压控振荡器的输出,看其是否是平稳的直流,若不平稳则调节滑变直至平稳,然后改变频率,重复以上步骤,若每个频率都比较平稳则可以选定该阻值。
锁相环调试完后连接后级电平转换电路,开始时我们使用LM311做过零比较器,发现波形有变形,结果直接使用三极管做电平放大,该部分主要调试上拉电阻,我们根据经验值选取了4.7kOm的阻值,电源供给20V,测试输出波形是否变形。
之后接1uF的电解电容滤波,拉低电平,调节电源供电值,使输出电平稳定。
功放部分做甲乙类互补推挽功放,正负两极供电,调节二极管两端电阻使输入电阻尽量增大,以获得更大的分压,最好与前级输入电平一样,最后调节输出电阻和电源供电值,使最后空载输出为+/-10V,接负载后输出+/-5V。
3.2遇到的问题与解决方法
在焊接分频部分基本上没有遇到什么问题,有源晶振输出比较稳定,之后遇到的一点问题就是我们不小心把晶振烧毁了,手头上只有4M和单片机上12M的两个无源晶振,由于没有CD4060,没有起振电路,我们想了两种方案,一种是采用与非门起振,另一种是利用单片机12M的晶振先用7416112分频,再接入原来的分频电路,结果都不理想,我们最后只能回中发再买晶振。
锁相环部分是本电路的关键,调试过程中开始的时候遇到了很大的问题,主要原因还是对CD4046这个晶片的原理不是十分理解。
开始我们想使用鉴相器I,由于其要求输入占空比,我们开始选择741612分频把输入电压调成方波。
后来听取别人意见,改用鉴相器II,其为边沿触发方式,输入就可以不考虑占空比,这样电路可以简单一些。
一开始,我们想按照CD4046芯片手册上的参数选择电阻电容值来搭接VCO起振电路和滤波器电路,但是效果很不理想。
后来分析主要原因是买来的瓷片电容电容值不准,所以我们决定在调试中确定参数。
先调节中心频率,用电位器来代替电阻,以便调节。
接下来用软件仿真环路滤波的参数,结合芯片手册上给的曲线,我们使用比较准确的电解电容来搭接滤波电路,调试出来的波形很理想,只是有一个固定的频偏,我们使用单片机修改程序解决了这个问题。
锁相环输出后要接电平转换电路,我们开始想选用LM311电压比较器,LM311的压摆摆率要远高于LM324,但是我们仍然发现输出波形不理想,波形不是方波,我们查阅一些资料,发现LM311中使用的是运算放大器,其带宽有限,速度无法跟上,而且此时的波形中含有大量的直流成分,所以波形变形。
我们之后采用带宽很宽的三极管,利用其开关效应来调节电平,并在其后接1u电容做高通滤波器,以此来拉低电平,使输出波形为正负双极性。
功放部分我们出现了
4系统测试
4.1测试方法
(1)输出2k—20kHz的方波,要求占空比为50%,步进频率为0.1kHz。
连接好电源线,等待单片机初始化,然后在控制键盘上输入要显示的频率,按确认键,观测示波器,待波形稳定后读出示波器上的频率,检测是否满足要求。
(2)设计信号发生器输出电阻为50Ω。
先测试空载的波形电平值,用示波器观察是否满足高低电平为+/-10V,在输出端连接50Om的负载,再观测负载两端的电压是否满足高低电平为+/-5V。
(3)测试短路自动保护功能。
若直接连接输出和地线,观测蜂鸣器是否鸣响;
断开连接,蜂鸣器应该停止报警。
4.2测试数据
4.3数据分析和结论
频稳度指标要求是<
0.0001,我们没有达到这么高的精度,我们测试的频率抖动范围大概为0.05kHz以内,可能是由于元件、芯片的内部结构和焊接问题。
空载电平我们测出的结果非常准确,几乎没有波动,稳定在+/-10V,但是空载电平我们没有实现+/-5V,而是有一个尖脉冲能到5V,电平只有2.5V。
5系统使用说明
5.1系统外观及接口说明
主体部分
接口:
左上1地线,右上1+5V电源线
左下1白色-12V电源线,左下2+12V电源线,左下3地线,左下4锁相环3管脚鉴相器比较输入,左下5锁相环4管脚压控振荡器输出,左下6(右下1)+5V电源线
单片机倍频部分
左1+5V电源,左2锁相环4管脚压控振荡器输出,左3锁相环3管脚鉴相器比较输入,左4(右1)地线
控制键盘:
1
2
3
重选
4
5
6
确认
7
8
9
N/A
.
5.2系统操作使用说明
6总结
6.1本人所做工作
我的任务是分析设计电路,选择元件,焊接调试。
主要负责分频,锁相环和倍频部分的设计与焊接。
板子大部分都是在两个人互相讨论和尝试中调试出来的,两个人都付出了很多的劳动。
6.2收获与体会
通过这次课程设计,我对电子设计有了系统的理解。
以前的实验基本上都是有固定的电路图,照着焊接就差不多了。
而这次的课程设计,我们只有设计指标,和原理流程框图。
每一个模块我们都需要自己设计,而且还要考虑每两个模块之间的匹配问题。
就连各种芯片我们都是要自己看芯片手册来选择,并且要
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 电子 系统 课程设计 锁相环 数字 发生器