鎖相環調頻發射接收系統

楊光義，閆燕鶯，熊 飏，陳奕欣，謝澤浩，王 嵐

(武漢大學 電子信息學院, 湖北 武漢 430072)

鎖相環具有頻率鎖定、載波跟蹤、調制和低門限等特性，尤其是集成鎖相環的出現，使鎖相環在移動通信中獲得了廣泛的應用。在調頻發射系統中加入鎖相環可以很好地解決信號的同步問題，采用鎖相環設計的調頻發射接收系統不會受到相位突變的影響，信號完全同步，使接收到的信號能夠穩定地輸出。該系統采用Philips公司生產的鎖相環74HC4046，該芯片是通用的CMOS鎖相環集成電路，功耗小，在電源電壓VCC=4.5V時上限頻率能達到17MHz，一般的鎖相環只能做到1MHz，其優勢明顯。本文基于74HC4046鎖相環設計調頻發射接收系統，幫助學生深刻理解鎖相環的工作原理，易于在實驗室實現，提高教學效果。

1 原理介紹

1.1 鎖相環原理

基本鎖相環路是由鑒相器(PD)、環路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)組成的自動相位調節系統[1-4]，如圖1所示。

圖1 基本鎖相環組成

相位比較器(即鑒相器)是實現相位比較的裝置，用來比較參考信號vr(t)與壓控振蕩器輸出信號υ0(t)的相位，產生對應于這2個信號相位差的誤差電壓vθ(t)。環路濾波器的作用是讓低頻信號通過，濾除誤差電壓υθ(t)中的高頻分量及噪聲，取出平均電壓去控制VCO，改善控制電壓的頻譜純度，以保證環路所要求的性能，增加系統的穩定性。環路濾波器還可以降低相位噪聲，保證瞬時特性。壓控振蕩器受環路濾波器輸出電壓vc(t)的控制，使振蕩頻率向參考信號vr(t)的頻率靠近，使兩者的差拍頻率越來越低，直至兩者的頻率相同，保持一個較小的剩余相差為止。鎖相就是壓控振蕩器被一個外來基準信號控制，使得壓控振蕩器輸出信號的相位與外來基準信號的相位保持某種特定關系，達到相位鎖定或相位同步的目的。

1.2 調制解調原理

調制就是用基帶信號去控制載波信號的某個或幾個參量的變化，將信息荷載在其上形成已調信號傳輸，信號調制的目的是把要傳輸的模擬信號或數字信號變換成適合信道傳輸的高頻信號，本設計主要運用調頻技術。調頻是使載波的瞬時頻率隨著調制信號的頻率變化而變化,而幅度保持不變的調制方式。解調是調制的反過程，即從已調波信號中恢復原始的基帶信號。調頻系統具有較強的抗干擾能力與較高的效率，在無線通信、廣播電視、遙控遙測等方面獲得廣泛應用。本設計利用鎖相環實現音頻信號的調制和解調[5]。

2 系統電路設計

2.1 整體設計

鎖相環調頻發射接收系統以鎖相環為核心，與晶體振蕩器、信號輸入電路和信號輸出電路組成整個系統，整體設計框圖如圖2所示。

圖2 鎖相環調頻發射接收系統框圖

鎖相環主要用于實現系統的調制和解調。晶體振蕩器產生的高頻載波信號和信號輸入電路得到的低頻調制信號同時輸入到鎖相環調制電路，進行調制。由于實驗室空間有限，為了避免不同實驗臺之間相互干擾，該系統采用模擬信道(用電容模擬)。已調波信號經過信道傳輸到鎖相環解調電路，進行解調，還原出低頻信號，然后輸入到信號輸出電路(音頻功放)，推動喇叭或耳機發聲。

2.2 振蕩電路設計

石英晶體具有很高數量級(10-5)的頻率穩定度，帶負載能力強，受負載的影響比較小，品質因數高，具有極靈敏的頻率補償能力，在劇烈變化的環境下仍能穩定工作。本設計采用4MHz的石英晶體提供載波信號，產生4MHz的方波信號[6],具體電路如圖3所示。

圖3 石英晶體振蕩電路

2.3 音頻信號輸入電路設計

由于輸入的音頻信號較弱，需要放大才能進行調制。本設計采用運算放大器RC4558設計音頻信號輸入電路，如圖4所示。電壓跟隨器起到隔離和阻抗變換的作用，反相放大器的放大倍數可根據實驗情況調整，輸出信號經過電容耦合到鎖相環路。

圖4 音頻信號輸入電路

2.4 調制解調電路設計

在鎖相環路中，若壓控振蕩器的輸入除了低通濾波器輸出信號外，還疊加了調制信號，則壓控振蕩器輸出信號的頻率就是以ω0為中心、隨調制信號幅度的變化而變化的調頻波信號。由此可知，調頻電路可以利用鎖相環來實現[7]。

鎖相環輸出信號頻率可以精確地跟蹤輸入參考信號頻率的變化，環路鎖定后輸入參考信號和輸出參考信號之間的穩態相位誤差可以通過增加環路增益被控制在所需數值范圍內，這種輸出信號頻率隨輸入參考信號頻率變化的特性稱為鎖相環的跟蹤特性。本設計正是采用鎖相環的跟蹤特性來實現解調[8]。

2.4.1鎖相環74HC4046介紹

鎖相環74HC4046[9-10]管腳如圖5所示。其中腳5是使能端，只有接地時，鎖相環才能正常工作。腳14是信號輸入端，由于74HC4046是CMOS器件，高、低電平的分界線是VCC/2，所以，信號輸入的幅值一定要大于VCC/2，而且要求是方波，否則輸出的結果可能不正確。調節腳3和腳4之間的分頻關系，可以實現倍頻或分頻。鑒相器輸出后，經過低通濾波，作為壓控振蕩器的輸入(腳9，VCO-IN)。VCO-IN經過一個射極跟隨器后，輸出到鎖相環的腳10。腳10的電壓大小與所接電阻(負載)有關。

2.4.2芯片工作原理

74HC4046內部原理框圖如圖6所示。對于鑒相器1而言，屬于電平觸發，同步帶大于捕捉帶。R2用來控制VCO的最低振蕩頻率，R1用來控制VCO的最高振蕩頻率。所以同步帶的大小由R1、R2、C1決定，其中R2、C1決定下限頻率，R1、C1決定上限頻率。鎖相環中的環路濾波器為低通濾波器，有RC積分濾波器、無源比例濾波器和有源濾波器[11]3種設計選擇，設計方法可參閱74HC4046的Datasheet和參考文獻[3]。RC(R3、C2)的取值決定鎖相環的捕獲帶大小。設計捕捉帶的范圍時，可以根據調制頻率的范圍適當選取，沒有規定的取值[12]。對于鑒相器2而言，屬于邊沿觸發(上升沿)，同步帶和捕捉帶是一樣的，跟R3、C2的取值沒有關系。

圖5 74HC4046管腳

圖6 鎖相環內部原理框圖

本系統中心頻率設計為4MHz，同步帶設計為2MHz～6MHz，捕捉帶fC設計為fC=100kHz。由設計值fmax=6MHz，可以得到R1=10kΩ，C1=100pF，由fmin=2MHz，得到R2=150kΩ。由fC=100kHz，本振頻率fL=4MHz，得到R3=1.5kΩ，C2=0.01μF。調制解調電路見圖7。

圖7 調制解調電路

另外，Philips鎖相環74HC4046開發了在線計算軟件，設計使用非常方便，省去了繁瑣的計算，參考網址：http://www.838dz.com/calculator/1804.html。

需要指出的是，如果用鎖相環做解調電路，注意要用鑒相器2，而不用鑒相器1。從圖8中的鑒相器1的波形和圖9中的鑒相器2的波形比較可知，鑒相器1的腳10輸出仍然是高頻信號，沒有實現解調，而鑒相器2的腳10輸出是低頻調制信號，已經完成了解調功能[13]。

圖8 鑒相器1波形

圖9 鑒相器2波形

2.5 音頻信號輸出電路設計

鎖相環解調電路輸出的信號比較微弱，需要經過音頻功率放大器放大，才能去推動耳機或喇叭發聲。放大倍數設計為Gain=50，如果調試過程中發覺輸出過大，可以將圖10中的RW1和C4空接，則放大倍數調整為Gain=20。具體電路如圖10所示。

圖10 音頻功率放大器電路

3 系統測試

為了便于調試，系統采用信號源產生單一頻率正弦信號作為輸入信號。信號源產生f=1.22kHz、峰-峰值為10mV的正弦波信號，經過信號輸入電路后，系統輸入波形如圖11所示,系統最終輸出波形(Gain=20)見圖12。

圖11 系統輸入信號波形

圖12 系統輸出信號波形

從圖12可以看出，輸出低頻信號頻率為1.212kHz、峰-峰值為360mV，失真度也在可以接受的范圍內。由此可見，輸入系統的信號經過鎖相環調制解調后還原出原始信號，達到了系統設計目標。

4 結束語

本文介紹了鎖相環74HC4046調制解調技術，提出了一種高效的抗干擾能力強的信號發射與接收系統的設計。介紹了鎖相環74HC4046的工作原理、系統結構以及各個模塊的設計，整個系統經仔細調試后取得了良好的效果。本設計難點是鎖相環路同步帶和捕捉帶的設計，以及調制解調電路中各個器件參數的設定。本設計已引入高頻電子線路教學實驗中，并開展了2年的實驗。實踐結果表明，本系統能加深學生對鎖相環調制解調技術的認識，使實驗教學更加容易可行。在此，特別感謝武漢大學設備處給予的大力支持。

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