频率电压转换器的原理

一、实验目的

(1)了解数字锁相环CC4046芯片结构及工作原理，学会在实际电路中应用数字锁相环。

(2)将电子技术应用于工程实际，进行电子电路的设计、安装、调试的系统训练。

(3)进一步掌握电压/频率转换器和频率合成器的设计。

二、实验任务

(1)采用数字锁相环CC4046芯片设计一个频率合成器和一个电压/频率转换器电路。

(2)安装设计的电压/频率转换器和频率合成器电路。

(3)调试电路，使电路符合设计要求。

三、实验原理

1． 电压/频率变换电路

用锁相环实现电压/频率变换的方法在信号检测、现代通信中获得广泛应用。根据压控振荡器的原理，在锁相环的输入端或VCO的电压控制端加一直流电压，则VCO的输出频率会随着输入信号瞬时电压值而变化，从而实现了电压/频率变换。图4－2－6为一温度检测电路。温度传感器AD590( －50～125℃)输出线性直流电压VT，经精密运算放大器OP－07线性放大，从CC4046的第9脚输入，作为压控振荡器VCO的控制电压，则VCOO输出与该控制电压的大小相对应的频率值。因此，VCO的输出频率f O与温度传感器的直流电压VT成线性关系。

图4－2－6 电压/频率变换(温度检测)电路

电路参数设计与调试步骤: 设电源电压VCC为+5V，VCO的固有振动频率fv为10 k Hz，定时电阻R1为100kΩ，定时电容Ct为100p F。电阻R4和RP用于调整运算放大器OP－07输入电压，R5改变放大器的增益。调试过程是，焊接如图4－2－6所示电路，调整R1、Ct，使VCO的固有振动频率fv为10k Hz。采用逐点法测量CC4046压控振荡器的电压控制曲线Vd－fv。测试温度传感器AD590输出直流电压VT与温度的关系曲线。调整运算放大器OP－07的电压放大倍数以满足CC4046控制电压的要求。

2． 频率合成器电路

晶体振荡器能产生稳定度很高的固定频率。若要改变频率则需要更换晶振。LC振荡器改变频率虽然很方便，但频率稳定度又较低。用锁相环实现的频率合成器，既有频率稳定度高又有改变频率方便的优点。即用一个高稳定的晶振，可产生许多稳定度与晶振相同的频率，在现代通信中获得广泛应用。频率合成器的主要性能指标有: (1)频率范围: 指频率合成器的工作频率范围，该工作频率范围可分为若干个频段，一般视用途而定。在规定的频率范围内，任何指定的频率点上，频率合成器都能工作，且满足性能指标要求。(2)频率间隔: 频率合成器的输出频谱是不连续的。两个相邻频率之间的最小间隔称为频率间隔。(3)波道数: 指频率合成器所能提供的频率点数。(4)频率稳定度与准确度: 频率稳定度是指在规定的时间间隔内合成器的频率偏离标准值的数值; 频率准确度则是指实际工作频率偏离标准值的数值，即频率误差。图4－2－7为CC4046组成的频率合成器电路。其中，晶振XT与74LS04组成晶体振荡器，提供32k Hz的基准频率;74LS90组成÷M分频电路，改变开关S的位置，即改变分频比M，同时也改变了频率间隔f R/M; 74LS191组成可预置数的÷N分频电路，改变数据输入端D3D2D1D0的状态，即改变分频比N或波道数。例如，设M为2，则频率间隔f R/M为16k Hz。当D3D2D1D0为0000时，N为16，则f O=256k Hz。以此类推，当D3D2D1D0为1111时，N为1，则f O=16k Hz。由此可见，此时合成器输出的频率范围为16～256k H，共有16种频率，两相邻频率间的间隔为16k Hz。图4－2－7中，CC4046的IN1输入端可以分别与74LS90的Q0、Q1、Q2、Q3端相连，由此合成器能提供4×16共64种不同的频率值。如果采用逻辑电路控制开关S及数据输入电路，则合成器可以自动输出各种频率。合成器的频率转换时间主要由÷M和÷N这两个分频器的速度所决定。合成器的频率范围受锁相环器件的最高工作频率的限制，在实际应用中要考虑在需要频率范围内，任何指定的频率点上合成器都能工作，且满足性能指标要求。调试时，在不同频段可能还要改变定时电阻R1、定时电容Ct及低通滤波器中R3、R4、C2的值，以便压控振荡器能够入锁和同步。

图4－2－7 频率合成器

四、实验内容

(1)使用Proteus仿真软件对图4－2－6、图4－2－7电路做软件仿真。

(2)用万能板搭接电路、用印刷电路板制作电路，并焊接、调试测量。

(3)说明实验过程中的故障现象及解决方法的思考。

(4)根据设计的电路及调试结果，写出设计报告。