电子产品设计论文1

南京信息职业技术学院

电子产品设计报告

作者 学号

系部 电子信息学院 专业 电子信息工程技术

题目 数字频率合成器的设计 指导教师 完成时间： 2013 年 06 月 24 日

数字频率合成器的设计

摘要：频率合成器是现代通信设备的重要组成部分，频率合成技术是将一个高稳定度和高准确度的基准频率经过四则运算，产生同样稳定度和准确度的任意频率。锁相式频率合成器，其优点是可以实现任意频率和带宽的频率合成，具有极低的相位噪声和杂散。是目前应用最为广泛的一种频率合成方法。它应用范围非常广泛，特别是在通信、导航、电子侦察、干扰与反干扰、遥控遥测及现代化仪器仪表中起了极其重要的作用。大多数使用的频率合成器采用的是锁相环（PLL）频率合成技术，而且分辨率较低。为能够进一步提高跳频速率，提出了直接数字频率合成技术（DDS）。DDS采用全数字技术，具有频率分辨率高，频率转换时间快，输出频率可以很高而且稳定性好，相位噪声低等优点，这在无线电通信领域，尤其在雷达、航空航天和移动通信中都已显示了其巨大的优越性，并得到了广泛的应用。当然还有很多问题尚未很好的解决，其中最突出也最重要的问题就是相位噪声和杂散。

关键词：频率合成、相位噪声、锁相式频率、杂散；

目 录

引言 .................................................................................................................................................. 1 1 电子产品设计概述 ...................................................................................................................... 1

1.1 概述 .................................................................................................................................. 1

1.1.1 认识设计对象 ..................................................................................................... 1 1.1.2 设计注意事项 ..................................................................................................... 1

2电子产品按装、调试及故障检测................................................................................................ 1

2.1 电子产品的安装............................................................................................................. 1

2.1.1 电子产品的安装布线原则 ................................................................................. 2 2.1.2 常用焊接材料与焊接工具 ................................................................................. 2 2.1.3 电子元器件及导线加工 ..................................................................................... 3 2.1.4 电子元器件的手工插装 ..................................................................................... 3 2.1.5 电子产品的焊接 ................................................................................................. 4 2.2 电子产品的调试............................................................................................................. 5

2.2.1 概述 ..................................................................................................................... 5 2.2.2 调试前的直观检查和准备 ................................................................................. 5 2.2.3 电子产品调试步骤 ............................................................................................. 6 2.3 电子产品的故障检测..................................................................................................... 6

2.3.1 电子产品的故障及产生原因 ............................................................................. 6 2.3.2 电子产品故障排除的程序和常用方法 ............................................................. 7

3数字频率合成器的设计 ............................................................................................................... 8

3.1 数字频率合成器的设计任务......................................................................................... 8 3.2 数字频率合成器的组成及工作原理 ............................................................................. 8

3.2.1 数字频率合成器的组成 ..................................................................................... 9 3.2.2 锁相环路的工作原理 ....................................................................................... 10 3.2.3 参考振荡器的工作原理 ................................................................................... 14 3.2.4 参考分频器的工作原理 ................................................................................... 14 3.2.5 可变分频器和分频比控制器的工作原理 ....................................................... 15 3.2.6 消抖动电路的工作原理 ................................................................................... 16 3.2.7 数码显示电路的工作原理 ............................................................................... 16 3.2.8测试结果 .............................................................................................................. 21

4 结论 ............................................................................................................................................ 21 参考文献......................................................................................................................................... 22

引言

频率源是现代大型电子设备的重要组成部分,对系统的性能有着举足轻重的决定作用。频率合成的理论形成于二十世纪三十年代,实质上是一种频率模拟(或数字)计算技术,它通过对振荡源的振荡频率进行加、减、乘、除(混频,倍频、分频等)的方法,获得大量稳定度很高的频率,然后再通过人工的或自动的(程序控制)方法加以控制,实现各种频率变换、合成各种不同的信号。

1 电子产品设计概述

1.1 概述

电子产品的形成，基本上分为两个阶段：设计与生产。 1.1.1 认识设计对象

电子产品设计，不论是完全自行开发，还是功能仿制，都要弄清楚你要做

的是一个什么样的产品，是以软件为主还是以硬件为主，产品的使用环境与结构有无特殊要求，主要难点是什么。 1、完全仿制 2、功能性仿制 3、新产品开发 1.1.2 设计注意事项

1、注意做好方案和解决关键问题 2、设计稳定可靠的产品 3、设计必须以实验确认

2电子产品按装、调试及故障检测

2.1 电子产品的安装

电子产品的安装主要是电子元器件的布置和安装连接线。安装是否合理，对

电路的性能有很大的影响。如果接线不当，则可能会引起电路中各处信号的相互耦合，使电路工作不稳定。轻则噪声增大，重则电路不能正常工作，所以，布线

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时首先应考虑电气性能上的合理，然后才能考虑外观上的美观。 2.1.1 电子产品的安装布线原则

1、根据元器件的形状和电路板的面积合理布置元件的密度 （1）用不同颜色的塑料导线表示电路中不同作用的连接线

（2）元器件布置在印制板的元件面，尽可能不要在焊接面布置元器件或连接线 （3）相邻元器件就近安置，做到布置合理、密度适中 （4）输入回路要远离输出回路

（5）有电磁耦合的元器件应该进行自身屏蔽

（6）发热的元器件应靠边安装在散热条件好的地方，半导体器件、热敏元件或电解电容等应该远离发热部件。

（7）工作频率较高的电路，连线要短，并且元器件应该就近放置。

（8）各种可调的元器件应该安装在便于调整的地方，所有元器件的标志一律向外。

2、底线的布置要求

公共底线是所有信号共同使用的通路，如果元器件布置或走线不当，则有可能通过地线将输出信号、感应信号、纹波信号耦合到其他电路中去，使电路性能变差，甚至产生寄生振荡。因此，合理布置地线对改善电路性能和提高电路工作的稳定性有重要的作用。 （1）地线可以迂回走线 （2）地线有屏蔽作用

2.1.2 常用焊接材料与焊接工具

焊接材料包括焊料（焊锡）和焊剂（助焊剂与阻焊剂），焊接工具在手工焊

接时是电烙铁，它们在电子产品的手工组装过程中是必不可少的器具。 1、常用焊料

焊料是一种熔点比被焊金属熔点低的易熔金属。焊料熔化时，在被焊金属不熔化的条件下能润浸被焊金属表面，并在接触面处形成合金层而与被焊金属连接到一起。在一般电子产品装配中，主要使用锡铅焊料，俗称为焊锡。 （1）常用焊料的作用

焊料的主要作用就是将被焊物连接起来，对于电路来说就是构成通路。 （2）常用焊料具备的条件

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焊料的熔点要低于被焊工件；易于与被焊器件练成一体，要具有一定的抗压能力；要有较好的导电性能；要有较快的结晶速度。 （3）常用焊料的种类

根据熔点不同可以分为硬焊料和软焊料；根据组成成分不同可以分为锡铅焊料、银焊料、铜焊料等。在锡焊工艺中，一般使用锡铅合金焊料。 2、常用助焊剂

助焊剂通常是以松香为主要成分的混合物，是保证焊接过程顺利进行的辅助材料。

2.1.3 电子元器件及导线加工 1、电子元器件引脚预成形的要求

（1）为了防止引脚在预成形时从元器件根部折断或把元器件引脚从元器件内拉出，要求从元器件引脚根部的距离应大于1.5mm处弯折。

（2）元器件引脚弯折一般有卧式、立式等形状，弯折处不能弯成直角，而要弯成圆弧状。水平安装，元器件引脚弯曲半径r应大于引脚直径。立式安装，引脚弯曲半径r应大于元器件的外半径。

（3）对于水平安装元器件，元器件两端引脚弯折要对称，两引脚要平行，引脚间的距离要与印制电路板上两焊盘孔之间的距离相等，以便于元器件的安装插入。

2、电子元器件引脚预成形的方法

电子元器件引脚的预成形方法有两种：一种是手工预成形，一种是专用模具或专用设备预成形。

2.1.4 电子元器件的手工插装 1、电子元器件插装的技术要求

（1）操作人员可将已在手的元器件按不同品种、规格装入元器件盒或纸盒内，并整齐有序放置在插件板的前方位置，然后按照工艺要求操作。

（2）电子元器件的插装应遵循先小后大、先轻后重、先低后高、先里后外、先一般元器件后特殊元器件的基本原则。如先插装卧式电阻、二极管，其次插装立式电阻、电容和晶体管，再插装体积大的电容器、变压器，最后安装集成电路。 （3）有极性元器件的极性应严格按照图样的要求安装，不能错装。

（4）电容器、半导体晶体管、晶振等立式插装组件，应保留适当长的引线。引

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线保留太长会降低元器件的稳定性或者引起短路，太短会造成元器件焊接时因过热而损坏。

（5）安装水平插装的元器件时，标记号应向上、方向一致，便于观察。功率小于1W的元器件可贴近印制电路板平面插装，功率较大的元器件应距离印制电路板2mm，以利于元器件散热。

（6）元器件在印制电路板上的插装应分布均匀，排列整齐美观，不允许斜排、立体交叉和重叠排列。元器件外壳和引线不得相碰，要保证1mm左右的安全间隙。 2.1.5 电子产品的焊接

1、锡焊的条件

为了提高焊接质量，必须注意掌握锡焊的条件： （1）被焊接的金属材料具有良好的可焊性 （2）被焊金属表面应保持清洁 （3）使用合适的助焊剂 （4）具有适当的焊接温度 （5）具有合适的焊接时间 2、锡焊的原理

锡焊是在空气中和高温下进行的，通过焊接可以把金属接合到一起。锡焊过程可分为三个变化阶段：润湿阶段、扩散阶段、接触面上产生金属化合物的阶段。 3、手工锡焊的步骤

手工烙铁焊接可分为基本的五步操作法和节奏快的三步操作法。初学者学习正确的手工焊接操作，一般采用五步操作法 五步操作法: 步骤一：准备施焊。 步骤二：加热被焊件。 步骤三：送入焊丝。 步骤四：移开焊锡丝。 步骤五：移开烙铁。 4、手工焊接的要领

（1）要注意烙铁头的清洁，随时用润湿的木质纤维海绵或抹布擦拭烙铁头。 （2）加热时，应该让焊件上需要焊锡浸润的各部分均匀受热。

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（3）在烙铁头上保留少量焊锡，作为加热时烙铁头与焊件之间传热的桥梁。 （4）烙铁撤离要及时，而且撤离时的角度和方向与焊点的形成有关。

（5）焊接手法要稳，在使用镊子夹住焊件焊接时，切勿使焊件移动或受到震动。 （6）焊锡用量要适中，过多容易造成短路故障，过少则不易牢固的结合。

2.2 电子产品的调试

电子产品装配完成之后，必须经过调试才能达到规定的技术要求。由于存在电路设计的近似性、元器件的离散性和装配工艺的局限性等差异，其综合结果会使电路性能出现较大的偏差，使整机电路的各项技术指标达不到设计指标的要求。在电子行业有句话叫做“三分装七分调”，可见电子产品调试的重要性。 2.2.1 概述

电子产品的调试包括调整和测试两部分，通常统称为调试。测试主要是对电

路的各项技术指标和功能进行测量和试验，并同设计性能指标进行比较，以确定电路是否合格。调整主要是对电路参数的调整。一般是对电路中可调元器件，例如电位器，电容器，电感等以及有关机械部分进行调整。使电路达到预定的功能和性能要求。

电子产品调试过程包括研制阶段调试和生产阶段调试两个阶段的内容。 2.2.2 调试前的直观检查和准备 1、电路元器件的检查 2、连线的检查

完成元器件的检查之后，便可以检查电源线、地线、信号线以及元器件引脚之间有无短路，连接处有无接触不良。特别是电源线和地线之间不能有短路，否则将会烧坏电源。 3、调试前的准备

调试用的通用仪器按显示特性可分为以下三类：

（1）数字式：将被测试的连续变化模拟量通过一定变换成数字量，通过数显装置显示。数字显示具有读数方便，分辨率强，精确高等特点，已成为现代测试仪器的主流。

（2）模拟式：将被测试的电参数转换为机械位移，通过指针和标尺刻度指示出测量数值。理论上模拟式检测仪器指示的是连续量，但由于标尺刻度有限，实际

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分辨率不高。

（3）屏幕显示：通过示波管，显示器等将信号波形或电参数的变化直观地显示出来，如各种示波器，图示仪，扫频仪等。 2.2.3 电子产品调试步骤 1、调试工艺

为了保证电子产品的调试质量，在确保产品调试工艺文件完整的基础上，对调试工作一般应该有以下要求： （1）调试人员的要求。 （2）环境的要求。

（3）仪器仪表的放置和使用。 （4）技术文件和工装准备。 （5）被测件的准备。 （6）通电调试要求。

对于较复杂的大中型电子产品，其调试程序为： （1）通电前的检查工作。 （2）电源调试。 （3）各单元电路的调试。 （4）整机调试。 2、单元部件调试

单元部件的调试是整机总装和调试的前提，其调试效果直接影响到产品质量，它是整机生产过程中的重要环节。单元部件的调试一般可以分为静态测试与调整、动态测试与调整。

2.3 电子产品的故障检测

2.3.1 电子产品的故障及产生原因 1、电子产品的故障

电子产品的故障，指的是由于一个或者多个元器件的损坏，或者由于类似元器件损坏的其他损害（如安装、焊接错误，印制电路板连线的断裂等）而造成的电路系统功能的错误。 2、电子产品的故障产生的原因

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（1）设计电路时忽视了元器件的参数和工作条件

在设计电子产品电路时，未考虑所使用元器件的参数和特性等，如不同种类集成电路之间的电平配合，逻辑电路的时间延迟，电路的极限电流、耐压，电路动作的边沿选择等等。

（2）元器件、印制电路板的损坏

电子产品电路通常由很多元器件和集成电路组成，准备时元器件筛选不严格使其中有坏件，或者印制电路板用以连接的连线出现断裂，或者由于排版不合理元器件相碰而出现短路，则整个系统就可能处于故障状态。 （3）安装和布线不当

在安装时出现焊接不合格造成虚焊或焊点间短路、漏焊、断线、桥接线以及漏线、接线浮空、插错元器件、可调元器件调整端接触不良、开关或接插件接触不良、集成电路的倒插、闲置输入端的不正确处理等，都会造成电子产品系统的工作不正常。 （4）使用环境的影响

电子产品在严寒、酷暑、空气潮湿、强干扰源和电源电压波动等环境下工作，导致的元器件性能变差甚至损坏，使电路系统不正常工作。 2.3.2 电子产品故障排除的程序和常用方法

故障的排除是难度较大的工作，它需要操作人员对电路非常的熟悉并具有一定的经验，在实际工作中摸索实践。从事此项工作的人员既要有理论知识又要有实际能力。

1、电子产品故障排除的一般程序

（1）查看调试故障记录，分析引起故障原因。

（2）针对故障整机进行检查，查找故障点，做出正确的判断。

（3）拆除损坏的部件或元器件，对拆除部件或元器件进行测试，确认损坏后进行更换。

（4）故障排除后在对电路进行全面的调试，写出维修检测报告。 2、电子产品故障排除的常用方法 （1）观察法 （2）测量法

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（3）比较法 （4）替换法 （5）跟踪法

3数字频率合成器的设计

3.1 数字频率合成器的设计任务

利用锁相环和中小规模集成电路设计并制作一个数字频率合成器，设计要求如下：

1、设计指标：

（1）要求频率合成器输出的频率范围 ； （2）频率间隔为 ；

（3）基准频率采用晶体振荡频率，要求用数字电路设计，频率稳定度应优于 ；

（4）数字显示输出频率；

（5）频率调节采用计数方式，电路设计中要求有消抖动设计。 2、设计要求：

（1）要求设计出数字锁相式频率合成器的电路。

（2）数字锁相式频率合成器的各部分参数计算和器件选择。 （3）数字锁相式频率合成器的仿真与调试。 3、制作要求：

自行装配和调试，并能发现问题解决问题。测试主要参数：包括晶体振荡器输出频率；1/M分频器输出频率；1/N可编程分频器的测试；锁相环的捕捉带和同步带测试。 4、设计报告的撰写

3.2 数字频率合成器的组成及工作原理

频率合成器是现代通信设备的重要组成部分，频率合成技术是将一个高稳定度和高准确度的基准频率经过四则运算，产生同样稳定度和准确度的任意频率。锁相式频率合成器，其优点是可以实现任意频率和带宽的频率合成，具有极低的相位噪声和杂散。是目前应用最为广泛的一种频率合成方法。

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3.2.1 数字频率合成器的组成

数字锁相式频率合成器根据信道间隔和工作频率可分为直接式频率合成器

和吞脉冲式频率合成器。 1、直接式频率合成器

典型的直接式频率合成器组成框图如图4-1所示。它由参考振荡器、参考分频器、鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）、压控振荡器（VCO）和可编程分频器等部分组成。

参 考振荡器 参考分频器（÷R）fR PD LFfN 可变分频器（÷N） fo VCOfo 频率控制编码

2、吞脉冲式频率合成器

吞脉冲式频率合成器也称变模分频频率合成器。在直接式频率合成器中，VCO的输出频率是直接加在可编程分频器上的。目前可编程分频器还不能工作到很高的频率，这就限制了这种合成器的应用。加前置分频器后固然能提高合成器的工作频率，但这是以降低频率分辨力为代价的。若以减小参考频率 的办法来维持原来的频率分辨力，这又将造成转换时间的加长。最好的办法在不改变频率分辨力的同时提高合成器输出频率的有效方法之一是采用变模分频器，也称吞脉冲技术。它的工作速度虽不如固定模数的前置分频器那么快，但比可编程分频器要快得多。

吞脉冲式频率合成器组成框图如图所示:

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参 考振 荡 器 参考分频器（÷R）fR PD LF VCOfo fNMC模式控制逻 辑 双 模前置分频（÷P/P+1） N 计 数 器 A 计 数 器 （吞食计数器）udKdeudKde N0N1 NN-1 A0A1 AN-1

（频率控制编码）3.2.2 锁相环路的工作原理

锁相环（PLL）是一个相位误差控制系统，利用反馈控制原理实现频率及相

位的同步技术。锁相环通过比较输入信号和压控振荡器输出频率之间的相位差，产生误差控制电压来调整压控振荡器的频率，以达到与输入信号同频。 1、锁相环路的组成

锁相环路的基本组成框图如图4-3所示。它由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成。其中，PD和LF构成反馈控制器，而VCO就是它的控制对象。

u ti( )( )ωi PD u td( ) LFu tc( ) VCOu to( ) ( )ωo

（1）鉴相器（PD）

鉴相器的组成框图如图4-4所示，它是一个相位比较装置。它把输入信号和压控振荡器的输出信号的相位进行比较，产生对应于两信号相位差的误差电压。

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uR uV PD ud （2）环路滤波器（LF）

在锁相环路中，环路滤波器实际上就是一个低通滤波器，其作用是滤出除鉴相器输出的误差电压 中的高频分量和干扰分量，得到控制电压 ，常用的环路滤波器有RC低通滤波器、无源比例积分滤波器及有源比例积分滤波器等。

InR1Out InR2CR1231OutR2C

（3）压控振荡器（VCO）

压控振荡器是振荡频率 受控制电压 控制的振荡器。实际上是一种电压-频率变换器。可以通过改变控制电压 来改变压控振荡器的频率。压控振荡器频率 随控制电压 变化的曲线称为压控特性曲线。压控特性曲线一般为非线性，如图所示：

ωv ωr uC 2、锁相环路的基本特性 （1）捕捉与锁定特性

若锁相环路原本处于失锁状态，由于环路的调节作用，最终进入锁定状态，这一过程，称环路捕捉过程。在没有干扰的情况下，环路一经锁定，其输出信号频率等于输入信号频率。 （2）自动跟踪特性

若环路原本处于锁定状态，由于温度或电源电压的变化，使VCO输出频率

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变化，或者输入信号频率变化，通过环路自动相位控制作用，使VCO相位（频率）不断跟踪输入信号的相位（频率），这个过程称跟踪过程，或同步过程。 （3）锁相环路的捕捉带与同步带

环路能捕捉的最大起始频差范围称捕捉带或捕捉范围，记作ΔfP。 环路所能跟踪的最大频率范围称同步带，记作ΔfH。 当f0＞fP时，环路将不能锁定。 当f0＞fH时，环路将不能跟踪。 一般有fH＞fP。

3、常用集成锁相环路CD4046简介

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。

CD4046是带有RC型VCO的锁相环路，属于低频锁相环路。采用 16 脚双列直插式，图4-11为CD4046的内部功能框图和构成锁相频率合成器时的外围元件连接图。从图中可以看出，CD4046主要由相位比较Ⅰ、Ⅱ、压控振荡器（VCO）、线性放大器、源跟随器、整形电路等部分构成。芯片内含有一个低功耗、高线性VCO，两个工作方式不同的鉴相器PDI和PDII，A1为PDI和PDII的公用输入基准信号放大器，源跟随器A2与VCO输入端相连是专门作FM解调输出之用的，此外还有一个6V左右的齐纳稳压管。 CD4046的内部功能框图

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14ui( )fi16VDDA1PDI213Text3uv( )fv46Ct71112R4R585VCOPDII1R19R2R3A210C15

各引脚功能如下：

1脚相位输出端，环路入锁时为高电平，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。 （1）鉴相器PDI和PDII

CD4046芯片内的鉴相器PDI是一个数字逻辑异或门，由于CMOS门输出电平在0～VDD之间变化。所以只要用简单的积分电路就可以取出平均电平，因而使锁项环路的捕捉范围加大。该鉴相器主要应用在调频波的解调电路中。PDII是一个由边沿控制的数字比相器和互补CMOS输出结构组成的三态输出式鉴相器。由于数字比相器仅在ui和uv的上跳边沿起作用，因而该鉴相器能接收任意占空比的输入脉冲，即非常窄的脉冲。 （2）压控振荡器VCO

CD4046内部的VCO是一个电流控制型振荡器，其振荡频率与控制电压Ud之间的关系可以用下式表示：

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式中VGS为耗尽型NMOS三极管的源栅间导通压降，约0.5左右，VDS为耗尽型PMOS管的漏源饱和压降，约为1V左右。式中的第二项为常数项，也就是VCO的最低振荡频率fomin。当R4的增大到12脚开路时，fomin减小至零。式中第一项为Ud的函数，当R3＞10k时。f0与Ud基本呈直线性关系。 3.2.3 参考振荡器的工作原理

参考振荡器可采用门电路（74LS系列或CD系列）与标称石英晶体构成振荡器。石英晶体振振器的电路符号、等效电路、电抗曲线如图所示：

3.2.4 参考分频器的工作原理

1、二-五-十进制计数器74390逻辑符合和逻辑功能

图中的计数器为二－五－十进制异步计数器，在一片74LS390集成芯片中封装了2个二－五－十进制的异步计数器。所谓二－五－十进制异步计数器是由一个二进制计数器和一个五进制计数器组合而成的，每个二－五－十进制分别有各自的清零端CLR。

1CP011CLR21Q0374LS39016VCC152CP0142CLR131211109（a）2Q02CP12Q12Q22Q32CP02CP12CLR2Q02Q12Q22Q31CP01CP11CLR1Q01Q11Q21Q31CP141Q151Q261Q37GND8（b）2、由两片74390计数器构成4000分频器电路，产生1KHz基准参考信号。 电路接线图如图4-19所示。图中输入信号为4MHz方波信号，输出为1KHz方波信号。

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3.2.5 可变分频器和分频比控制器的工作原理

1、可逆计数器CD4510

CD4510是4位加/减法的十进制计数器，计数器的方向由控制输入端U/D控制。当U/D为高电平时，则为加法计数器，当U/D为低电平时，则为减法计数器。

1s信号入

1591015412133PLCEMRD/UCPQ1Q261115910151001&412133PLCEMRQ16D/UQ211CPCD4510Q314（十位）D1Q42D27TCD3D4100114CD4510Q3（个位）D1Q42D27TCD3D4&&&2、用CD4510设计99分频器

PLQ4D4D1CEQ1123456CD451016VDD1514131211CPQ3D3D2Q21591015412133PLCEMRD/UCPCD4510D1D2D3D4（b）Q1Q2Q3Q4TC6111427TC7GND8（a）10D/U9MR3、1～99分频比控制器电路的设计

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15910151s信号入412133PLCEMRD/UCPQ1Q26111591015412133&PLCEMRQ16D/UQ211CPCD4510Q314（十位）D1Q42D2TC7D3D414CD4510Q3（个位）D1Q42D2TC7D3D4&&&按键及消抖动电路1CP01CP11CLR1Q01Q11Q21Q3按键及消抖动电路2CP02CP12CLR2Q02Q12Q22Q3

3.2.6 消抖动电路的工作原理

基本RS触发器虽然电路简单，但具有广泛的用途。图4-24（a）是在时序电路中广泛应用的消抖动开关电路的原理电路。

10K10KRVCCR&S&QQ

（a）

KS(a)(b)

(b)3.2.7 数码显示电路的工作原理

数码显示电路如图所示。由共阴极七段数码器LC5011和显示译码器CD4511构成。

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图为LC5011的管脚图和逻辑符号。4-27为CD4511的管脚图和逻辑符号。

CD4511的功能真值表如表所示。

LT 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 BL 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1  0 1 LE D C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0   1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1    0 0 0 0 1 1 1 1 0 0    B A a b c d e f g 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1    1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 * 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0    1、首先，根据课题给定的设计指标要求，确定系统设计框图。由于系统工作频

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率较低，因此可以选择直接式频率合成方案。根据系统指标要求，选择数字频率合成器系统设计框图如图所示。

参 考振 荡 器 参考分频器（÷R）fR PD LFfN 可变分频器（÷N） fo VCOfo 数码显示器显示译码器计数脉冲 分频比控制计数器

2、然后，根据系统框图，确定各个单元电路的结构，并进行元器件选择和参数计算。

（1）集成锁相环路PLL及外接振荡元器件

根据设计指标要求，集成锁相环路可选为CD4046，它包含PD和VCO，最高工作频率为1.4MHz，满足设计要求。

CD4046的内部组成框图及外接元件电路如图4-11所示。作为频率合成器时，3、4端之间应插入可变分频器N。

根据设计要求，有fomax=99kHz，fomin=1kHz。CD4046内部的VCO是一个电流控制型振荡器，查资料，其振荡频率与控制电压Ud的关系

UdUGSVDD2UDSfo8R3Ct8R4Ct

UUGSV2UDSfodDD8R3Ct8R4Ct

式中VGS为耗尽型NMOS三极管的源栅间导通压降，约0.5V左右，VDS为耗尽型PMOS管的漏源饱和压降，约为1V左右。式中的第二项为常数项，也就是VCO的最低振荡频率fomin。 V2UDSfominDD8R4Ct

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取电源电压VDD=5V。取Ct=100pF，如f=1KHz，则R4=3.3MΩ，但VCO频率范围应小于1KHz，取R4=22MΩ。

当Ud =VDD时，VCO维持在最高振荡频率fomax

fomaxVDDUGSfomin8R3Ct

VDDUGS8Ct(fomaxfomin)

因此可得：

R350.581001012(991)10358(kΩ)

（2）参考频率和环路滤波器

设环路滤波器的上限截止频率为fH，从滤波的角度考虑，应有fR =(5～10) fH。

若选简单RC低通滤波器，则有：

fH

12πRC

取fR=1×103=10 fH=10/(2RC)，则RC=1/(200 )≈1.6（ms）。若取C=0.033 F，则R≈48.48（k ）。最终取R1=51k 。这里选RC比例积分滤波器作环路滤波器，R2 ＜＜R1，则取C=0.033  F，R1=51k  ，R2=5.1k  。 （3）参考振荡器

振荡器电路选用晶体振荡电路，不使电路具有更高的Q值，以提高频率的稳定性。又由于CMOS电路输入阻抗极高，选用CMOS与非门构成参考振荡器。为适应低电压工作条件，采用74HC系列。电路如图所示。

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XTAL1U11U21OutR1C1C2

Rf为反馈电阻，它的作用是保证在静态时，非门U1能工作在其电压传输特性的转折区—线性放大区，构成使反相器成为具有很强放大能力的放大电路，Rf常取10-100 M ，较高的反馈电阻有处于提高振荡频率的稳定性，选Rf=22M 。晶体、C1、C2构成π型选频反馈网络，电路只能在晶体谐振频率处产生振荡，反馈系数由C1、C2之比决定。根据晶体外接电容的要求，可选C1=C2=24pF。晶体XTAL的频率选4.096MHz（该频率点附近的频率稳定度较高）。即 U1与Rf 、晶体、C1、C2构成电容三点式振荡电路，产生一个近似正弦波的波形。U2是整形缓冲用反相器，经U2整形后，输出变为矩形波，同时U2可以隔离负载对振荡电路的影响。 （4）参考分频器

现在要将4MHz的参考振荡频率分频为1kHz，因此分频比R=4000（=10×10×10×4），即用3个十进制计数器和1个四进制计数器级联来实现。

通常实现分频器的电路是计数器电路，因此可以选74LS390为参考分频器。 （5）可变分频器

由于最大可变分频比N=99，且输出方式为十进制方式，因此，可变分频器N应选初始值可预置的十进制计数器。需要两级这样的计数器可选2片CD4510作为可变分频器。

CD4510是初始值可预置BCD码加减法计数器，要实现f从1-99KHz，分频比N为1-99，采用预置端和清零端来做N进制计数器。预置数就采用分频比控制计数器个位和十位输出的数据。

如果采用加法，如预置数为60~99复位置数，这时N=99-60+1=40进制，不符合设计要求，显示频率就与锁相环路实际输出的信号频率不同。

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由于初始值输入端数据同时也作为VCO输出结果译码显示的输入数据，考虑到二者的一致性，计数器应选减法计数器。这样数码管显示的值就是输出信号的频率。

（6）分频比控制计数器及消抖动电路

分频比控制计数器是用来产生可变分频器所需要的分频比N。选用1片74L390（含两级十进制计数器）构成频率调节电路，另用一开关电路来控制计数脉冲的通断。

另外，通常使用的开关是由机械触点实现开关的闭合和断开，由于机械触点存在弹性，闭合后会产生反弹，为了得到稳定的信号，增加消抖动电路。消抖动电路可以用RS触发器或者门电路（如74LS00）构成。 （7）显示译码器和数码显示器

显示电路用来显示输出频率数值，由于fi=1KHz，N分频后fo=Nfi=N（KHz），因此分频比N即为此数值（单位：kHz），故可将可变分频器初始值数据作为译码器输入数据。分频比控制计数器个位和十位输出的数据同时也是译码器的输入数据。

显示器件可以选用LED共阴极数码管，显示译码器选用CD4511与之配合。 3.2.8测试结果

4 结论

采用DDS芯片与MCU相结合实现的数字频率合成器，输出信号可调，最小频率分辨率为0.02HZ，最高输出频率为1MHZ，具有非常高的精度和频率稳定性。根据不同应用场合的要求，还可以进行功能扩展，如产生调频信号、调相信号等。

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数字频率合成器较之其他形式的频率合成器，具有频率间隔小，稳定性高等特点，既可作为高精度的合成信号源，也可用于无线通信中的收、发信机，数据通信中的载波同步、网同步及调制电路和电子对抗、电子测量等方面。因此，利用AD9835与AT89C2051相结合实现的数据频率合成器具有重要的应用价值。

参考文献

【1】 曹丽娜.锁相与频率合成技术.电子科技大学出版社.1995.7.10 【2】 安建平.频率合成技术的研究.北京理工大学博士学位论文.2001.507 【3】 刘光辉，频率源技术研究.2002.7.10

【4】 冯根生.数字电子技术[M].北京：机械工业出版社，2004

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