东 北 石 油 大 学
课
程 设 计
2013年 3月 1日
东北石油大学课程设计任务书
课程 高频电子线路 题目 锁相解调电路的设计 专业 电子信息工程
姓名 学号
主要内容、基本要求、主要参考资料等 1、主要内容
本题目为集成锁相环路应用设计之一，即利用锁相环路设计已调信号的解调电路。通过本次电路设计，学习锁相环路的基本原理，掌握利用集成锁相环路实现调频解调电路及调幅解调电路的设计原理及过程。加深对高频电子线路课程理论知识的理解，提高电路设计及电子实践能力。 2、基本要求
(1) 利用集成锁相环路设计调频(FM)信号的解调电路，并分析工作原理； (2) 利用集成锁相环路设计调幅(AM、DSB) 信号的解调电路，并分析工作原理； (3) 给出设计电路图。 3、主要参考资料
[1] 阳昌汉. 高频电子线路. 哈尔滨：高等教育出版社，2006.
[2] 吴运昌. 模拟集成电路原理与应用. 广州：华南理工大学出版社，2000. [3] 谢自美. 电子线路设计·实验·测试. 武汉：华中科技大学出版社，2000. [4] 高吉祥. 电子技术基础实验与课程设计. 北京：电子工业出版社，2002.
完成期限 2月25日-3月1 日 指导教师 专业负责人
2013 年 2 月 22 日
一、电路基本原理
1. 工作原理
(1)锁相环的工作原理：
①. 压控振荡器的输出经过采集并分频； ②. 和基准信号同时输入鉴相器；
③. 鉴相器通过比较上述两个信号的相位差(注 顾名思义为相位差, 非频率差) ，然后输出一个直流脉冲电压；
④. 控制VCO ，使它的频率改变；
⑤. 这样经过一个很短的时间，VCO 的输出就会稳定于某一期望值。 锁相环可用来实现输出和输入两个信号之间的相位差同步。当没有基准（参考）输入信号时，环路滤波器的输出为零（或为某一固定值）。这时，压控振荡器按其固有频率fv 进行自由振荡。当有频率为fR 的参考信号输入时，uR 和uv 同时加到鉴相器进行鉴相。如果fR 和fv 相差不大，鉴相器对uR 和uv 进行鉴相的结果，输出一个与uR 和uv 的相位差成正比的误差电压ud ，再经过环路滤波器滤去ud 中的高频成分，输出一个控制电压uc ，uc 将使压控振荡器的频率fv （和相位）发生变化，朝着参考输入信号的频率靠拢，最后使fv= fR ，环路锁定。环路一旦进入锁定状态后，压控振荡器的输出信号与环路的输入信号（参考信号）之间只有一个固定的稳态相位差，而没有频差存在。这时我们就称环路已被锁定。
环路的锁定状态是对输入信号的频率和相位不变而言的，若环路输入的是频率和相位不断变化的信号，而且环路能使压控振荡器的频率和相位不断地跟踪输入信号的频率和相位变化，则这时环路所处的状态称为跟踪状态。
锁相环路在锁定后，不仅能使输出信号频率与输入信号频率严格相位差同步，而且还具有频率跟踪特性，所以它在电子技术的各个领域中都有着广泛的应用。
频率就是振荡的快慢，相位就是出现的迟早
建议学习三角函数以及简谐震动，里面有讲频率跟相位。
这些都学过，可是还是不明白。
两个正弦波如果频率不同是不是相位一定不同？我觉得如果要比较两个波形的相位，前提应该是两个波的频率要相同才行，但又不对，因为鉴相器的两个输入频率是不同的。所以我现在很糊涂。如果频率不同的话，相位差时刻都是变化的。锁相环稳定后，鉴相器两个输入频率是相同的，相位差保持恒定。
以正弦函数为例
F(t) = sin(2πft + α) ：f 就是频率；2πft + α 就是相位；α是t = 0时的相位，即初相位。频率不同就无从谈相差了re 频率和相位是周期园函数的两个独立参数，想像一下两个人围着一个圆形场地跑步，离起跑点的圆弧距离是运动位
置与起跑点所夹圆心角的函数，这个夹角就是相位，而一定时间所跑圈数是频率，如果两人速度相同（即频率相同），则两人之间的距离是始终不变的，也就是相位差是一定的，这个相位差大小取决于后跑者比先跑者延后起跑的时间。如果两人速度不一样，则之间距离（相位差）不断变化。所以频率不同，相位差不固定。鉴相器不管频率只比较相位，只要相位变化，就给信号给控制器对频率加以控制，使其二者频率一致。
“F(t) = sin(2πft + α) ：f 就是频率；2πft + α 就是相位；α是t = 0时的相位，即初相位。”
锁相环的工作原理，表面看是用鉴相器的输出控制VCO 的频率，但实际是通过瞬时频率的积分达到相位控制，最终使反馈到鉴相器的瞬时相位与输入的瞬时相位之差趋于零 (2)解调的工作原理
锁相环路的输出信号频率可以精确地跟踪输入参考信号频率的变化, 环路锁定后输入参考信号和输出参考信号之间的稳态相位误差可以通过增加环路增益被控制在所需数值范围内. 这种输出信号频率随输入参考信号频率变化的特性称为锁相环的跟踪特性. 利用此特性可以做载波跟踪型锁相环及调制跟踪型锁相环。为了实现信息的远距离传输，收信端接收到信号后必须进行解调才能恢复原信号。所谓的解调就是用携带信息的输出信号uo 来还原载波信号ui 的参数，载波信号的参数有幅度、频率和位相，所以，解调有调幅（AM ）、调频（FM ）和调相（PM ）三种。调幅波的特点是频率与载波信号的频率相等，幅度随输入信号幅度的变化而变化；调频波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，频率随输入信号幅度的变化而变化；调相波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，相位随输入信号幅度的变化而变化。调频波（经过放大器放大后）与压控振荡器的输出被送入鉴相器，经鉴相获得变化着的相位误差电压，该误差电压通过低通滤波器被滤掉其高频成份，继而获得随调制信号频率变化而变化的信号，经跟随器得到解调信号，从而实现了解调（鉴频）过程。
2、设计框图
图1-1-1 设计框架
二、设计方案
1、总体设计电路
(1) 锁相环调频原理
调频波输出
图2-1-1
锁相环解调电路原理框图
将调制信号加到压控振荡器（VCO ）的控制端，使压控振荡器的输出频率（在自振频率(中心频率)f 0上下）随调制信号的变化而变化，于是生成了调频波。
当载波频率与自由振荡频率相近时，载波频率与压控振荡器的振荡频率锁定。低通滤波器只保证压控振荡中心振荡频率与载波频率锁定时所产生的相位误差电压通过，该电压与调制信号同经加法器，用以控制压控振荡器的频率，从而获得与载波频率具有同样频率稳定度的调频波。 (2) 锁相环解调原理
图2-1-2 锁相环解调电路原理框图
调频波（经过放大器放大后）与压控振荡器的输出被送入鉴相器，经鉴相获得变化着的相位误差电压，该误差电压通过低通滤波器被滤掉其高频成份，继而获得随调制信号频率变化而变化的信号，经跟随器得到解调信号，从而实现了解调（鉴频）过程。
（2）总体电路设计
图2-1-3 锁相环解调电路原理图
2. 元件参数
此次课程设计主要是用CD4046芯片来实现用锁相环调频调相解调的，CD4046是通用的CMOS 锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为3V －18V ），输入阻抗高(约100MΩ)，动态功耗小，在中心频率f0为10kHz 下功耗仅为600μW，属微功耗器件。锁相环（4046）的结构框图及引出端功能图示
图2-2-1 CD4046结构框图
图2-2-2 CD4046引脚图
锁相芯片CD4046特点
1. 电源电压范围宽（为3V －18V ）; 2. 输入阻抗高(
约100M
Ω);
3. 动态功耗小，在中心频率f0为
10kHz 下功耗仅为
600μW ，属微功耗器件。 各引脚功能如下：
1脚相位输出端，环路人锁时为高电平，环路失锁时为低电平。 2脚相位比较器Ⅰ的输出端。 3脚比较信号输入端。 4脚压控振荡器输出端。
5脚禁止端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作。 6、7脚外接振荡电容。 8、16脚电源的负端和正端。 9脚压控振荡器的控制端。 10脚解调输出端，用于FM 解调。 11、12脚外接振荡电阻。 13脚相位比较器Ⅱ的输出端。 14脚信号输入端。
15脚内部独立的齐纳稳压管负极。
三、电路调试与仿真分析
用双踪示波器观察波形时要注意波形的锁定，通常是用低频信号作为触发信号，这样更容易观测到波形。
本次试验的结果如下图所示：
调幅波 调频波
载波信号 解调信号
图3-1 实验结果图
四、总结及体会
通过做此次课程设计，并我学习了CD4046这种芯片的用途，我了解锁相环电路原理是什么，知道了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(phase-locked loop)，简称PLL 。
锁相环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。锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成。鉴相器用来鉴别输入信号Ui 与输出信号Uo 之间的相位差，并输出误差电压Ud 。Ud 中的噪声和干扰成分被低通性质的环路滤波器滤除，形成压控振荡器（VCO ）的控制电压Uc 。Uc 作用于压控振荡器的结果是把它的输出振荡频率fo 拉向环路输入信号频率fi ，当二者相等时，环路被锁定 ，称为入锁。维持锁定的直流控制电压由鉴相器提供，因此鉴相器的两个输入信号间留有一定的相位差。
本实验是基于锁相环CD4046的解调系统。此系统具有解调性能好，载频稳定度高的优点。并且该解调系统不需要更改电路结构就可以实现自由震荡、压控振荡、锁相解调的功能。
参考资料
[1] 阳昌汉. 高频电子线路. 哈尔滨：高等教育出版社，2006.
[2] 吴运昌. 模拟集成电路原理与应用. 广州：华南理工大学出版社，2000. [3] 谢自美. 电子线路设计·实验·测试. 武汉：华中科技大学出版社，2000. [4] 高吉祥. 电子技术基础实验与课程设计. 北京：电子工业出版社，2002.
东北石油大学课程设计成绩评价表
指导教师： 2013 年 3 月 4 日
东 北 石 油 大 学
课
程 设 计
2013年 3月 1日
东北石油大学课程设计任务书
课程 高频电子线路 题目 锁相解调电路的设计 专业 电子信息工程
姓名 学号
主要内容、基本要求、主要参考资料等 1、主要内容
本题目为集成锁相环路应用设计之一，即利用锁相环路设计已调信号的解调电路。通过本次电路设计，学习锁相环路的基本原理，掌握利用集成锁相环路实现调频解调电路及调幅解调电路的设计原理及过程。加深对高频电子线路课程理论知识的理解，提高电路设计及电子实践能力。 2、基本要求
(1) 利用集成锁相环路设计调频(FM)信号的解调电路，并分析工作原理； (2) 利用集成锁相环路设计调幅(AM、DSB) 信号的解调电路，并分析工作原理； (3) 给出设计电路图。 3、主要参考资料
[1] 阳昌汉. 高频电子线路. 哈尔滨：高等教育出版社，2006.
[2] 吴运昌. 模拟集成电路原理与应用. 广州：华南理工大学出版社，2000. [3] 谢自美. 电子线路设计·实验·测试. 武汉：华中科技大学出版社，2000. [4] 高吉祥. 电子技术基础实验与课程设计. 北京：电子工业出版社，2002.
完成期限 2月25日-3月1 日 指导教师 专业负责人
2013 年 2 月 22 日
一、电路基本原理
1. 工作原理
(1)锁相环的工作原理：
①. 压控振荡器的输出经过采集并分频； ②. 和基准信号同时输入鉴相器；
③. 鉴相器通过比较上述两个信号的相位差(注 顾名思义为相位差, 非频率差) ，然后输出一个直流脉冲电压；
④. 控制VCO ，使它的频率改变；
⑤. 这样经过一个很短的时间，VCO 的输出就会稳定于某一期望值。 锁相环可用来实现输出和输入两个信号之间的相位差同步。当没有基准（参考）输入信号时，环路滤波器的输出为零（或为某一固定值）。这时，压控振荡器按其固有频率fv 进行自由振荡。当有频率为fR 的参考信号输入时，uR 和uv 同时加到鉴相器进行鉴相。如果fR 和fv 相差不大，鉴相器对uR 和uv 进行鉴相的结果，输出一个与uR 和uv 的相位差成正比的误差电压ud ，再经过环路滤波器滤去ud 中的高频成分，输出一个控制电压uc ，uc 将使压控振荡器的频率fv （和相位）发生变化，朝着参考输入信号的频率靠拢，最后使fv= fR ，环路锁定。环路一旦进入锁定状态后，压控振荡器的输出信号与环路的输入信号（参考信号）之间只有一个固定的稳态相位差，而没有频差存在。这时我们就称环路已被锁定。
环路的锁定状态是对输入信号的频率和相位不变而言的，若环路输入的是频率和相位不断变化的信号，而且环路能使压控振荡器的频率和相位不断地跟踪输入信号的频率和相位变化，则这时环路所处的状态称为跟踪状态。
锁相环路在锁定后，不仅能使输出信号频率与输入信号频率严格相位差同步，而且还具有频率跟踪特性，所以它在电子技术的各个领域中都有着广泛的应用。
频率就是振荡的快慢，相位就是出现的迟早
建议学习三角函数以及简谐震动，里面有讲频率跟相位。
这些都学过，可是还是不明白。
两个正弦波如果频率不同是不是相位一定不同？我觉得如果要比较两个波形的相位，前提应该是两个波的频率要相同才行，但又不对，因为鉴相器的两个输入频率是不同的。所以我现在很糊涂。如果频率不同的话，相位差时刻都是变化的。锁相环稳定后，鉴相器两个输入频率是相同的，相位差保持恒定。
以正弦函数为例
F(t) = sin(2πft + α) ：f 就是频率；2πft + α 就是相位；α是t = 0时的相位，即初相位。频率不同就无从谈相差了re 频率和相位是周期园函数的两个独立参数，想像一下两个人围着一个圆形场地跑步，离起跑点的圆弧距离是运动位
置与起跑点所夹圆心角的函数，这个夹角就是相位，而一定时间所跑圈数是频率，如果两人速度相同（即频率相同），则两人之间的距离是始终不变的，也就是相位差是一定的，这个相位差大小取决于后跑者比先跑者延后起跑的时间。如果两人速度不一样，则之间距离（相位差）不断变化。所以频率不同，相位差不固定。鉴相器不管频率只比较相位，只要相位变化，就给信号给控制器对频率加以控制，使其二者频率一致。
“F(t) = sin(2πft + α) ：f 就是频率；2πft + α 就是相位；α是t = 0时的相位，即初相位。”
锁相环的工作原理，表面看是用鉴相器的输出控制VCO 的频率，但实际是通过瞬时频率的积分达到相位控制，最终使反馈到鉴相器的瞬时相位与输入的瞬时相位之差趋于零 (2)解调的工作原理
锁相环路的输出信号频率可以精确地跟踪输入参考信号频率的变化, 环路锁定后输入参考信号和输出参考信号之间的稳态相位误差可以通过增加环路增益被控制在所需数值范围内. 这种输出信号频率随输入参考信号频率变化的特性称为锁相环的跟踪特性. 利用此特性可以做载波跟踪型锁相环及调制跟踪型锁相环。为了实现信息的远距离传输，收信端接收到信号后必须进行解调才能恢复原信号。所谓的解调就是用携带信息的输出信号uo 来还原载波信号ui 的参数，载波信号的参数有幅度、频率和位相，所以，解调有调幅（AM ）、调频（FM ）和调相（PM ）三种。调幅波的特点是频率与载波信号的频率相等，幅度随输入信号幅度的变化而变化；调频波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，频率随输入信号幅度的变化而变化；调相波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，相位随输入信号幅度的变化而变化。调频波（经过放大器放大后）与压控振荡器的输出被送入鉴相器，经鉴相获得变化着的相位误差电压，该误差电压通过低通滤波器被滤掉其高频成份，继而获得随调制信号频率变化而变化的信号，经跟随器得到解调信号，从而实现了解调（鉴频）过程。
2、设计框图
图1-1-1 设计框架
二、设计方案
1、总体设计电路
(1) 锁相环调频原理
调频波输出
图2-1-1
锁相环解调电路原理框图
将调制信号加到压控振荡器（VCO ）的控制端，使压控振荡器的输出频率（在自振频率(中心频率)f 0上下）随调制信号的变化而变化，于是生成了调频波。
当载波频率与自由振荡频率相近时，载波频率与压控振荡器的振荡频率锁定。低通滤波器只保证压控振荡中心振荡频率与载波频率锁定时所产生的相位误差电压通过，该电压与调制信号同经加法器，用以控制压控振荡器的频率，从而获得与载波频率具有同样频率稳定度的调频波。 (2) 锁相环解调原理
图2-1-2 锁相环解调电路原理框图
调频波（经过放大器放大后）与压控振荡器的输出被送入鉴相器，经鉴相获得变化着的相位误差电压，该误差电压通过低通滤波器被滤掉其高频成份，继而获得随调制信号频率变化而变化的信号，经跟随器得到解调信号，从而实现了解调（鉴频）过程。
（2）总体电路设计
图2-1-3 锁相环解调电路原理图
2. 元件参数
此次课程设计主要是用CD4046芯片来实现用锁相环调频调相解调的，CD4046是通用的CMOS 锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为3V －18V ），输入阻抗高(约100MΩ)，动态功耗小，在中心频率f0为10kHz 下功耗仅为600μW，属微功耗器件。锁相环（4046）的结构框图及引出端功能图示
图2-2-1 CD4046结构框图
图2-2-2 CD4046引脚图
锁相芯片CD4046特点
1. 电源电压范围宽（为3V －18V ）; 2. 输入阻抗高(
约100M
Ω);
3. 动态功耗小，在中心频率f0为
10kHz 下功耗仅为
600μW ，属微功耗器件。 各引脚功能如下：
1脚相位输出端，环路人锁时为高电平，环路失锁时为低电平。 2脚相位比较器Ⅰ的输出端。 3脚比较信号输入端。 4脚压控振荡器输出端。
5脚禁止端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作。 6、7脚外接振荡电容。 8、16脚电源的负端和正端。 9脚压控振荡器的控制端。 10脚解调输出端，用于FM 解调。 11、12脚外接振荡电阻。 13脚相位比较器Ⅱ的输出端。 14脚信号输入端。
15脚内部独立的齐纳稳压管负极。
三、电路调试与仿真分析
用双踪示波器观察波形时要注意波形的锁定，通常是用低频信号作为触发信号，这样更容易观测到波形。
本次试验的结果如下图所示：
调幅波 调频波
载波信号 解调信号
图3-1 实验结果图
四、总结及体会
通过做此次课程设计，并我学习了CD4046这种芯片的用途，我了解锁相环电路原理是什么，知道了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(phase-locked loop)，简称PLL 。
锁相环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。锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成。鉴相器用来鉴别输入信号Ui 与输出信号Uo 之间的相位差，并输出误差电压Ud 。Ud 中的噪声和干扰成分被低通性质的环路滤波器滤除，形成压控振荡器（VCO ）的控制电压Uc 。Uc 作用于压控振荡器的结果是把它的输出振荡频率fo 拉向环路输入信号频率fi ，当二者相等时，环路被锁定 ，称为入锁。维持锁定的直流控制电压由鉴相器提供，因此鉴相器的两个输入信号间留有一定的相位差。
本实验是基于锁相环CD4046的解调系统。此系统具有解调性能好，载频稳定度高的优点。并且该解调系统不需要更改电路结构就可以实现自由震荡、压控振荡、锁相解调的功能。
参考资料
[1] 阳昌汉. 高频电子线路. 哈尔滨：高等教育出版社，2006.
[2] 吴运昌. 模拟集成电路原理与应用. 广州：华南理工大学出版社，2000. [3] 谢自美. 电子线路设计·实验·测试. 武汉：华中科技大学出版社，2000. [4] 高吉祥. 电子技术基础实验与课程设计. 北京：电子工业出版社，2002.
东北石油大学课程设计成绩评价表
指导教师： 2013 年 3 月 4 日