课程设计任务书
学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目：锁相鉴频器电路设计 初始条件：
具较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；具备高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。
要求完成的主要任务：
1. 采用集成芯片完成一个锁相鉴频器的设计。 2. 输入调频波，输出音频信号
3. 调节电路参数使输出波形最佳，分析参数对性能的影响。 4. 完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总结）。
时间安排：
1．2011年6月3日分班集中，布置课程设计任务、选题；讲解课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求；课设答疑事项。
2．2011年6月4日 至2011年6月9日完成资料查阅、设计、制作与调试；完成课程设计报告撰写。
3. 2011年6月10日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。
指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日
目录
摘要................................................................ I Abstract........................................................... II 绪论................................................................ 1 1 原理分析.......................................................... 2
1.1 鉴频的分类和应用 ............................................ 2 1.2 锁相环的原理 ................................................ 2 1.3 锁相鉴频器的工作原理 ........................................ 4 2 芯片介绍.......................................................... 5 3 FM解调电路设计 ................................................... 8 4 实物制作及调试分析............................................... 10
4.1 解调输出波形 ............................................... 10 4.2 结果分析 ................................................... 11 5 设计总结......................................................... 14 参考文献........................................................... 15 原件清单........................................................... 16
武汉理工大学《高频电子线路》课程设计说明书
摘要
鉴频器使输出电压和输入信号频率相对应的电路。按用途可分为两类。第一类用于调频信号的解调。常见的有斜率鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器等，对这类电路的要求主要是非线性失真小，噪声门限低。第二类用于频率误差测量，如用在自动频率控制环路中产生误差信号的鉴频器。对这类电路的零点漂移较严，对非线性失真和噪声门限则要求不高。 关键字：鉴频器，解调，失真，零点漂移
I
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Abstract
Jian frequency of an input signal output voltage and frequency corresponding circuits 。The end-use can be divided into two categories. The first kind of used to FM signal demodulation。
Common are slope is popularly used popularly used machine, phase is popularly used, the proportion of such devices such as the major requirements of the circuit is nonlinear distortion, noise threshold low. The second for frequency error measuring, such as used in automatic frequency control loop of causing errors in signal is popularly used device. For this type of circuit zero-point drift of restriction, nonlinear distortions and noise threshold is not high demand.
Keyword：The frequency of an discrimination, demodulation, distortion, zero drift
II
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绪论
调频波(FM)解调称为频率检波，简称鉴频。
实现调频波解调的方法有很多，常见的方法有：a．斜率鉴频、相位鉴频、比例鉴频，这些鉴频器电路需要大量的电阻电容等元件，电路形式比较复杂不易于集成；b．移相乘积鉴频、脉冲均值鉴频，这些鉴频器易于集成，但移相乘积鉴频器内部噪声较大，脉冲均值鉴频器线性好、频带宽，但中心频率范围较低；c．锁相环鉴频，它是利用现代锁相技术来实现鉴频的方法，具有工作稳定、失真小、信噪比高等优点，所以被广泛应用在通信电路系统中。
鉴频器是一种具有移相鉴频特性的的陶瓷滤波元件，主要用在电视机或录像机的伴音中频放大或解调电路中以及FM调频收音机的鉴频器电路中。它分为平衡型和微分型两种类型，前者用于同步鉴相器作平衡式鉴频解调，后者用于差分峰值鉴频器作差动微分式鉴频解调。德键调频音频窄带型JTCV10.7M系列贴片鉴频器，搭配多种IC应用于FM程序检验，转换频率为有用的音频信号。实现调频信号解调的鉴频电路可分为三类，第一类是调频-- 调幅调频变换型。这种类型是先通过线性网络把等幅调频波变换成振幅与调频波瞬时频率成正比的调幅调频波，然后用振幅检波器进行振幅检波。第二类是相移乘法鉴频型。这种类型是将调频波经过移相电路变成调相调频波，其相位的变化正好与调频波瞬时频率的变化成线性关系，然后将调相调频波与原调频波进行相位比较，通过低通滤波器取出解调信号。因为相位比较器通常用乘法器组成，所以称为相移乘法鉴频。第三类是脉冲均值型。这种类型是把调频信号通过过零比较器变换成重复频率与调频信号瞬时频率相同的单极性等幅脉冲序列，然后通过低通滤波器取出脉冲序列的平均值，这就恢复出与瞬时频率变化成正比的信号。
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1 原理分析
1.1 鉴频的分类和应用
实现调频信号解调的鉴频电路可分为三类，第一类是调频-- 调幅调频变换型。这种类型是先通过线性网络把等幅调频波变换成振幅与调频波瞬时频率成正比的调幅调频波，然后用振幅检波器进行振幅检波。第二类是相移乘法鉴频型。这种类型是将调频波经过移相电路变成调相调频波，其相位的变化正好与调频波瞬时频率的变化成线性关系，然后将调相调频波与原调频波进行相位比较，通过低通滤波器取出解调信号。因为相位比较器通常用乘法器组成，所以称为相移乘法鉴频。第三类是脉冲均值型。这种类型是把调频信号通过过零比较器变换成重复频率与调频信号瞬时频率相同的单极性等幅脉冲序列，然后通过低通滤波器取出脉冲序列的平均值，这就恢复出与瞬时频率变化成正比的信号。鉴频器是一种具有移相鉴频特性的的陶瓷滤波元件，主要用在电视机或录像机的伴音中频放大或解调电路中以及FM调频收音机的鉴频器电路中。它分为平衡型和微分型两种类型，前者用于同步鉴相器作平衡式鉴频解调，后者用于差分峰值鉴频器作差动微分式鉴频解调。德键调频音频窄带型JTCV10.7M系列贴片鉴频器，搭配多种IC应用于FM程序检验，转换频率为有用的音频信号。
1.2 锁相环的原理
锁相环包含三个主要的部分:⑴鉴相环(或相位比较器,记为PD或PC):是完成相位比较的单元,用来比较输入信号和基准信号的之间的相位.它的输出电压正比于两个输入信号之相位差.⑵低通滤波器(LPF):是个线性电路,其作用是滤除鉴相器输出电压中的高频分量,起平滑滤波的作用.通常由电阻、电容或电感等组成，有时也包含运算放大器。⑶压控振荡器（VCO）：振荡频率受控制电压控制的振荡器，而振荡频率与控制电压之间成线性关系。在PLL中，压控振荡器实际上是把控制电压转换为相位。
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锁相环为无线电发射中使频率较为稳定的一种方法,主要有VCO(压控振荡器)和PLL IC ,压控振荡器给出一个信号,一部分作为输出,另一部分通过分频与PLL IC所产生的本振信号作相位比较,为了保持频率不变,就要求相位差不发生改变,如果有相位差的变化,则PLL IC的电压输出端的电压发生变化,去控制VCO,直到相位差恢复!达到锁频的目的!!能使受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定关系的闭环电子电路。
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。
图1.1 PLL组成方框图
图1.1为上述三个部分组成PLL的方框图，它的工作过程如下：相位比较器把输入信号作为标准，将它的频率和相位与从VCO输出端送来的信号进行比较。如果在它的工作范围内检测出任何相位（频率）差，就产生一个误差信号Ve(t)，这个误差信号正比于输入信号和VCO输出信号之间的相位差，通常是以交流分量调制的直流电平。 由低通滤波器滤除误差信号中的交流分量，产生信号Vd(t)去控制VCO，强制VCO朝着减小相位/频率误差的方向改变其频率，使输入基准信号和VCO输出信号之间的任何频率或相位差逐渐减小直至为0，这时我们就称环路已被锁定。
如果VCO的输出频率低于输入基准信号的频率，相位比较器的输出振幅就为正，经滤波后去控制VCO，使其频率增加，直到两个信号的频率和相位精确同步。
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相反，若VCO输出频率高于输入基准信号，相位比较器的输出会下降，使VCO锁定在输入基准信号的频率。
1.3 锁相鉴频器的工作原理
锁相鉴频器原理框图如图1.2所示。当输入为调频波时，如果环路滤波器的带宽足够宽，使鉴相器的输出电压可以顺利通过，则VCO(压控振荡器)就能跟踪输入调频波中反映调制规律变化的瞬时频率，即VCO的输出就是一个具有相同调制规律的调频波。这时环路滤波器输出的控制电压就是所需的调频波解调电压。
输出解调信号调频输入鉴相器PD环路滤波器LF压控振荡器VCO
图1.2锁相鉴频器原理框图
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2 芯片介绍
模拟锁相环NE5芯片可用来设计FM解调电路。模拟锁相环NE5芯片的最高工作频率可达50MHz，采用+5V单电源供电，电路设计所使用的元件不多，关键步骤是设置中心频率和如何滤波两个方面。特别适用于高速数字通信中FM信号和FSK(移频键控)信号的调制和解调，且不需外接复杂的滤波器。芯片采用双极性工艺，电路由限幅器、鉴相器、压控振荡器、放大器、直流恢复电路和施密特触发器等六部分组成，内部结构如图2.1所示。
图2.1 NE5内部结构框图
NE5的性能特性：
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图2.2 NE5的性能特性
图2.1中，限幅器由差分电路组成，可抑制FM信号的寄生调幅；鉴相器(PD)的内部含有限幅放大器，以提高对AM信号的抗干扰能力：4、5脚外接电容组成环路滤波器，用来滤除比较器输出的直流误差电压中的纹波；2脚用来改变环路的增益；3脚为VCO的反馈输入端；VCO是改进型的射极耦合多谐振荡器，有两个电压输出端，9脚输出TTL电平，11脚输出ECL电平。VCO内部接有固定电阻，只需外接一个定时电容就可产生振荡；施密特触发器的回差电压可通过15脚外接直流电压进行调整， 以消除16脚输出信号的相位抖动。NE5的封装图如图2.3所示。
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图2.3 NE5封装图
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3 FM解调电路设计
用NE5组成5MHz的FM电路，如图4所示。FM输入信号的电压Vi≥100mV，调制信号的频率fΩ=1KHz，整体电路如下：
图3.1锁相鉴频器电路图
图中Dl、D2为限幅二极管。C1是输入耦合电容，Rl、C2组成限幅放大器的输入偏置滤波，滤除FM信号中的杂波。R3和RP对2脚提供输入电流I2，用来控制环路增益和VCO的锁定范围，总电阻R与电流12的关系为：RVcc1.3VI2。
式中的1．3V是由于NE5的13脚电压为1．3V，I2一般为几百毫安，调节电位器RP使环路增益和VCO的锁定范围达到最佳值。R4是VCO输出端必须接的上拉电阻。C5、C6与内部两个对应电阻(阻值R=1．3kΩ)分别组成一阶RC低通滤波器。其截止角频率为：1RC3
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滤波器的性能对环路入锁时间的快慢有一定影响，可根据要求改变C5、C6的值。VCO的固有振荡频率fv与定时电容Ct的关系为：
12200fvCt，工作频率为5MHz时，由上式或振荡频率fv与Ct的关系曲线图
3.2，得出Ct≈90pF，可用82pF和8.2pF电容并联使用。C7和C8用来滤除电源中的高低频交流分量。C3、C4和R2组成π型滤波器，用来滤除输出信号中的谐波分量。
图3.2 Fv与Ct的关系曲线
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4 实物制作及调试分析
4.1 解调输出波形
用函数信号发生器产生调频波，载波频率5MHz,幅值300mV。调节电位器和可变电容，使电路工作在最佳状态。 测试波形图如下：
图4.1 调制信号为1K正弦波，频偏500K
图4.2 调制信号为1K正弦波，频偏1MHz
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图4.3 调制信号为2K正弦波，频偏500K
图4.4 调制信号为2K正弦波，频偏1MHz
4.2 结果分析
调试结果如下
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图4.5 输入的调频波
图4.6 载波信号
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图4.7 偏移信号
发现的问题：
1.、虽然经过π型滤波，但由示波器观察解调输出波形容易失真，应再加上几级滤波电路，从而得到完美的正弦波形；
2、TTL输出含有较多的高频谐波，频率不稳定；
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5 设计总结
经过这次高频课程设计，我感觉收获很大，这是一次理论联系实际的过程，尽管过程很辛苦。这一周我确实学到了很多东西，如知道了鉴频器的几种实现方法，知道了锁相环的工作原理和在鉴频方面的应用。通过这次设计，我学到了如何做设计的基本框架，也知道了理论与实际其实有很大的区别，如在仿真作出的电路图，在实际中不一定行的通，在焊接电路实物图时，有很多的不确定因素，如导线的接触是否完好啊，接触电阻是否过大啊，以及外界电磁对电路脉冲的影响啊。以及芯片插槽是否连结完好等。但有一点可以确定，那就是只要你用心去做，你一定会受益匪浅，一定会成功。
从本次课程设计的目的来看，收获也是不少的，它使我们对课本以及以前学过的知识有了一个更好的总结与理解，也让我们知道了，光分开使不够的，从外面学到的知识要把形成一各整体，这也很好的训练了外面对开发一个项目应该有怎样的思路和准备更清晰。来学校两年多了，无论是从C语言课程设计到金工实习，还是到现在的高频课程设计，每一次自己都觉得有一个进步，虽然有些方面自己做不出，但可以从老师和其他同学那里学到更好更多的东西，他们从另一个方面透析了自己的困难，这是很重要的，它让我学会了怎样学习别人的长处并把它变成自己的长处。有这样的机会和收获，要感谢老师的辅导以及同学的帮助，是他们让自己有了一个更好的认识。
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参考文献
【1】 刘泉，通信电子线路.武汉：武汉理工大学出版社，2005 【2】 张肃文，高频电子线路.北京：高等教育出版社，2004 【3】 高吉祥，高频电子线路.北京：电子工业出版社，2005 【4】 （美）贝斯特，锁相环设计、仿真与应用.北京：清华大学出版
社，2007
【5】 谢自美，电子线路设计、实验、测试.武汉：华中科技大学出版
社
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原件清单
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 名称 电阻 电阻 瓷片电容 瓷片电容 瓷片电容 变阻器 芯片 电阻 型号 1k 2k 103 75 224 3295 NE5 5.1k 数量 1 2 3 1 2 1 1 1 16
本科生课程设计成绩评定表
姓 名 专业、班级 杜昌友 电子科学与技术0803 性 别 男 课程设计题目：锁相鉴频器电路设计 课程设计答辩或质疑记录： 成绩评定依据： 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定） 指导教师签字：
年 月 日
