FM调制解调电路的设计..

FM调制/解调电路的设计

摘要：本设计根据锁相环原理，通过两片CD4046搭接基本电路来实现FM调制/解调电路的设计，

将调制电路的输出信号作为解调电路的输入信号，最终实现信号的调制解调。原理分析，我们得到

VfV的载波信号的电压PP大于3V，最大频率偏移m5KHz，解调电路输出的FM调制信号的电压PP大于200mV可以看出我们的具体设计符合设计指标。

关键词：锁相环、调制、解调、滤波器 一、概述

FM调制电路将代表不同信息的信号频率，搬移到频率较高的频段，以电磁波的方式将信息通过信道发送出去。FM解调电路将接收到的包含信息的高频信号的频率搬移到原信号所处的频段。锁相环是一种相位负反馈的自动相位控制电路，它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它是通过比较输入信号的相位和压控振荡器输出信号的相位，取出与这两个信号的相位差成正比的电压，并将该电压该电压作为压控振荡器的控制电压来控制振荡频率，以达到输出信号的频率与输入信号的频率相等的目的。锁相环主要由相位比较器、压控振荡器和低通滤波器三部分组成。调制电路还需要另设计一个高频信号放大器和加法器。解调电路需要设计一个低通滤波器，来取出解调信号。 技术指标： 1．载波频率fc=46.5KHz,载波信号的电压Vp-p3V； 2．FM调频信号的电压Vp-p6V，最大频率偏移fm5KHz； 3．解调电路输出的FM调制信号的电压Vp-p200mV。 二、方案设计与分析

调频是用调制信号直接线性地改变载波振荡的瞬时频率，即使载波振荡频率随调制信号的失真变化而变化。其逆过程为频率解调（也称频率检波或鉴频）。

本实验是用CD4046数字集成锁相环（PLL）来实现调频/解调（鉴频）的。 1.FM调频电路原理图（如图1所示）

将调制信号加到压控振荡器（VCO）的控制端，使压控振荡器得输出频率（在自振频率（中心频率）fo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。

调频波输出

⑶ ⑷ CD4046

鉴相器 压控振荡器 ⒁ ⑵⑼ PDI VCO 加法器 低通 高频信号放大器 调制信号 载波 图1FM调频电路原理框图 滤波器 2.FM解调电路的原理图（如图2所示） 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。

⑶ ⑷ CD4046

鉴相器 压控振荡器 跟随器 ⒁ ⑵⑼ PDI VCO 低通 高频信号放大器 调频波 图2FM解调电路原理框图 滤波器 解调输出 3.锁相环CD4046工作原理 本次课设要求我们掌握锁相环调制/解调的原理，用2片数字锁相环CD4046设计FM调制／解调电路。完成课题的核心器件是CD4046集成锁相环，其内部结构如图3所示。

图3锁相环（4046）内部电原理框图

CD4046工作原理：输入信号Ui从14脚输入后，经放大器A1进行放大、整形后加到相位比较器Ⅰ、Ⅱ的输入端，图3开关K拨至2脚，则比较器Ⅰ将从3脚输入的比较信号Uo与输入信号Ui作相位比较，从相位比较器输出的误差电压UΨ则反映出两者的相位差。UΨ经R3、R4及C2滤波后得到一控制电压Ud加至压控振荡器VCO的输入端9脚，调整VCO的振荡频率f2，使f2迅速逼近信号频率f1。VCO的输出又经除法器再进入相位比较器Ⅰ，继续与Ui进行相位比较，最后使得f2＝f1，两者的相位差为一定值，实现了相位锁定。若开关K拨至13脚，则相位比较器Ⅱ工作，过程与上述相同，不再赘述

图4CD4046引脚功能图

图4是CD4046的引脚排列，采用16脚双列直插式，各管脚功能： 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

4．测量CD4046锁相环的捕捉带和同步带方法

测量CD4046锁相环的捕捉带和同步带，其示意图如图5所示。

图5捕捉带和同步带示意图

测量方法： (1)改变14脚输入信号的频率，使频率逐渐降低，直至4脚输出方波刚好出现不稳定时，环路进入失锁状态，该点定义为同步带的下限频率“f1”。 (2)改变14脚输入信号的频率，由f1开始频率逐渐增加，直至4脚输出方波刚好再次稳定时，环路进入锁定状态，该点定义为捕捉带的下限频率“f3”。 (3)改变14脚输入信号的频率，由f1开始频率逐渐增加，直至4脚输出方波刚好出现不稳定时，环路进入失锁状态，该点定义为同步带的上限频率“f2”。 (4)改变14脚输入信号的频率，由f4开始频率逐渐降低，直至4脚输出方波刚好再次稳定时，环路进入锁定状态，该点定义为捕捉带的上限频率“f4。

同步带宽为：f2-f1捕捉带宽为f4-f3

三、电路设计

1.锁相环中的鉴相器工作原理

锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成，利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图6所示。

图6模拟相乘器

鉴相器的工作原理是：设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为：

式中的wo为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为电路的固有振荡角频率。则模拟乘法器的输出电压UD为：

用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压

UC(t)。即UC(t)为：

式中的wi为输入信号的瞬时振荡角频率，i(t)和o(t)分别为输入信号和输出信号的瞬时位相。 2.CD4046构成频率调制与解调电路的工作原理

当从9脚输入载波信号时，从4端可输出受输入信号调制的调频信号。如图7所示，由于调频时要求VCO有一定的频率范围（频偏），所以不用R2收缩频带，即R2为无穷大（12脚空置）仅用R1和C1确定VCO的中心频率f0即可。设计参数时，只需由f0查图9（电源电压VCO为9V时的曲线，横坐标为C1取值）求出C1与R1即可

图7CD4046构成的频率调制电路

当从14脚输入一被信号调制的（中心频率与CD4046的VCO的中心频率相同）调频信号，则相位比较器输出端将输出一个与信号具有相同变化频率的包络信号，经低通滤波器滤去载波后，即剩下调频信号解调后的信号了。一般使用PCI，这时仅由R1和C1确定VCO的中心频率f0，而不用R2来收缩频率范围（其为无穷大）。同样，由图9查图求R1与C1。无调频信号输入时，VCO工作在f0上。解调电路如图8所示。

图8CD4046构成的频率解调电路

图9CD4046在不同外部元件参数下的特性曲线

综上所述设计FM调制/解调电路如图10所示 图10实验电路图 四、电路性能指标的测试 (1)调频部分的测试 ①锁相环自振频率f0的测量 将IN1、IN2分别对地短路，调节微调电位器PR1至适中位置，测量D端(即IC3的VCOin脚，也就是CD4046的9脚)直流电压(约为5.3V，近似电源电压的1/2)，用示波器观察锁相环输出OUT1端的波形。记录波形特性、频率、幅度,填入下表。 波形特性 频率（KHz） 幅度（Vp-p） OUT1端 锁相环自振 46.5 13.6V 波形 观察相位比较器（鉴相器）B端(IC3的2脚)的波形，将测量结果填入下表。 波形特性 频率（KHz） 幅度（Vp-p） B端 相位比较器的 46.5 13．4V 输出波形 观察鉴相器输出C端的预积分波形，将测量结果填入下表。 C端 波形特性 频率（KHz） 幅度（Vp-p） 鉴相器输出 预 46.5 250mV 积分波形 观察压控振荡器输入VCOin端(即加法器IC2的输出D端)的波形，将测量结果填入下表。

频率幅度D端 波形特性 （KHz） （Vp-p） 鉴相器输出 46.5 612mV 积分波形 ②锁定的判断 将信号发生器输出的方波信号(幅度为3.5VP-P，频率为自振频率f0)加到载波输入IN1端，用双踪示波器同时观测锁相环OUT1端和A端的波形（即锁相环的4脚和14脚）。如波形稳定表示频率被锁定。改变信号发生器的输出信号频率，可发现在较大范围内锁相环均能锁定。

图11OUT1端波形图12A端波形

③测量同步带宽(锁定范围)和捕捉带宽(捕捉范围)

调节载波信号频率（输入IN1），由自振频率f0开始逐渐缓慢降低，直至（VCOout端）波形抖动(即：失锁)，记录此时的载波输入信号频率f1（下限失锁频点）。 测得结果fl=10.92KHz

调节载波信号频率，由自振频率f0开始逐渐缓慢增加，直至（VCOout端）波形抖动(即：失锁)，记录此时的载波输入信号频率f2（上限失锁频点）。 测得结果f2=82.580KHz

所以求得同步带宽（锁定范围）fL=f2-fl=71.66KHz

调节载波信号频率，由f1开始逐渐缓慢增加，直至（VCOout端）波形不抖动(即：锁定)，记录此时的载波输入信号频率f3（下限锁定频点）。 测得结果f3=25.320KHz

调节载波信号频率，由f2开始逐渐缓慢降低，直至（VCOout端）波形不抖动(即：锁定)，记录此时的载波输入信号频率f4（上限锁定频点）。 测得结果f4=56.980KHz 所以求得捕捉带宽（捕捉范围）fV=f4-f3=41.760KHz (2)解调部分的测试 ①锁相环自振频率的测量(由IC4组成) 调节微调电位器PR2至适中位置，测量G端((即IC4的VCOin脚，也就是CD4046的9脚)直流电压，用示波器观察锁相环输出E端的波形。记录波形特性、频率、幅度,填入下表。 波形特性 频率（KHz） 幅度（Vp-p） E端 锁相环自振 46.5 12.7V 波形 观察相位比较器（鉴相器）F端(IC4的2脚)的波形，将测量结果填入下表。 F端 波形特性 频率（KHz） 幅度（Vp-p） 相位比较器 的 46.5 12.6V 输出波形 观察压控振荡器输入VCOin端(即IC4的输出G端)的波形，将测量结果填入下表。 波形特性 频率（KHz） 幅度（Vp-p） G端 鉴相器输出 46.5 12．5V 积分波形 (3)观测系统的调频情况 IN1端输入幅值为3.5Vp-p、频率与自振频率相同方波信号（定义为载波）。 IN2端输入幅值为0.4Vp-p、频率lKHz的正弦波（定义为调制波）。

用双踪示波器仔细观测OUT1和IN2，为了可清楚地观看到调频波的疏密变化，可微调调制信号的频率。

图13IN2正弦波 图14OUT1端波形

(4)观测系统的解调（鉴频）情况

保持第一部（第3步）的状态，联结OUT1端与IN3端（即将调频波接入解调电路），用示波器观测IN3和OUT2，可清楚地观察到频率为1KHz的正弦波（即解调出的波形，可同时与IN2的调制信号进行比较，其相位和频率相同。

五、实验结果

实验测得数据：载波信号的频率fc=46.5KHz，载波信号的电压VPP3.5V，FM调频信号的电压

VPP13.0V,最大频率偏移fm71.660,解调电路输出的FM调制信号的电压Vpp580mV

课设技术指标为：

1．载波信号的频率fc=46.5KHz，载波信号的电压VPP3V； 2．FM调频信号的电压VPP6V，最大频率偏移fm5KHz； 3．解调电路输出的FM调制信号的电压VPP200mv。 综上，实验数据满足技术指标。

六、课设体会及合理化建议

五天的课程设计，让我收获颇丰。我学习到以前一点也没有接触到的知识——锁相技术。在这几天中我加深对模拟电子技术的基础知识的了解和掌握。我通过亲自设计电路、动手做实验，把所学到的理论知识运用到了实践中。这次课程设计，我先用Multisim软件来设计FM调制/解调电路，但是器件库没有锁相环CD4046等器件，而不能完成电路的设计。后来，老师告诉我Protel软件来设计电路，我就去学习Protel软件的使用。经过学习Protel软件，在制作原理图的阶段我显得得心应手，顺利地完成电路的设计。这次设计也使我对Protel软件环境更加的熟悉了，通过电路设计和硬件实验，才知道电路设计时很少有用Multisim的，因为那里的很多仿真都无法实现，相比较而言还是Protel更加强大。 通过此次训练我了解到了基础知识的重要性，如果没有牢固的基础知识是不能设计电路、做实验，所以只有把基础知识掌握得牢固才能得心应手的去运用它们来进行复杂电路的设计 参考文献 1．于洪珍.通信电子线路[M].北京：清华大学出版社，2006年 2．谢自美.电子线路综合设计[M]，武汉：华中科技大学出版社，2006年 3．

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