一 设计原理
本次实验的主要任务是设计一个基于锁相技术的频率调制器和解调器。
锁相环频率调制器原理方框图
锁相环频率解调器原理方框图
图1（a）为锁相环构成的锁相调频电路系统框图。调制器主要由晶体振荡器、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、放大器、分频器、低通滤波器组成。锁相调频电路能够得到中心频率稳定度很高的调频信号。实现锁相调频的条件是，调制信号的频谱要处于低通滤波器通带外，并且调制指数不能太大。这样，调制信号不能通过环路低通滤波器，因而在环路内不能形成交流负反馈，调制频率对环路无影响。锁相环只对VCO平均中心频率不稳定所引起的分量（处于低通滤波器通带内）起作用，使其中心频率锁定在晶振频率上。锁相调频克服了直接调频中心频率稳定度不高的缺点。这种锁相环路叫载波跟踪型PLL。
图1（b）所示为锁相环构成的锁相鉴频电路系统框图。它主要由带通滤波器、选频放大器、分频器、鉴相器、环路滤波器、放大器、压控振荡器组成。当输入为调频波时如果将环路滤波器的带宽设计的足够宽，保证鉴相器的输出电压顺利通过，则VCO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。称为调制跟踪型锁相环。
二 设计要求
1）掌握基于锁相技术的频率调制器和解调器的工作原理，组成结构。
2）采用贴片元件设计一个基于锁相技术的频率调制器和解调器。
3）给定频率调制器和解调器电路原理图以及相应的印制线路板图。根据给定的工作频率等设计技术指标对锁相环路中压控振荡、选频放大、带通滤波器、限幅放大器元件参数进行分析与计算。根据调制信号的频率等设计技术指标对环路低通滤波器的元件参数进行分析与计算。
4）频率调制器和解调器能实现直联通信。
5）记录环路各模块输入输出波形图，已调波频谱分析图等。
设计技术指标
1 调制技术指标
1）输出幅度 :几百mv—2v
2）载波频率：30.0MHz～60.0MHz
3）频偏：△f≥10KHz
4）电源电压：7.5—12V（经稳压后实际加到电路中的Vcc为5V电压）
5）负载：50
6）调制信号：可以传1KHz音频信号也可以传数字信号即M3序列信号
2 解调技术指标
1）灵敏度（12dB信纳比）： ≤45dBuV
2）失真度： ≤10％
3）信噪比（S/N）：越高越好
4）接收机带宽： ≤300KHz
5）本振频率：根据调制器的工作频率自定
6）电源工作电压：7.5—12V（经稳压后实际加到电路中的Vcc为5V电压）
三 发射系统
1.压控振荡器
压控振荡器的交流通路
图3.2所示为压控振荡器的交流通路；其振荡类型为改进型电容三端式振荡器，具频率稳定度高，输出波形平稳等优点。采用两个变容二极管背对背串联的好处在于减小加在每个变容二极管上的高频电压，以利提高频率稳定度。图中L2C6并联谐振回路的角频率为ω=1/（√L2C6），谐振在基频上即ω≈ωo，回路相移为0，呈纯阻，两端电压最大。对高次谐波频率具有很强的抑制能力。若忽略L2C6并联谐振回路对振荡回路的影响，则压控振荡器振荡频率主要由L1、C7、C2、C5、C3、C1、C4参数决定，其中C4为可变电容，C1C3为变容二极管静态工作点处的电容，则压控振荡器的中心频率为
fo=1/(2Π√[（C3+C1+C4）+C2//C5//C7]*L)
反馈系数F≈C5/C2。
电路中的R2、R7、R10为直流偏置电阻，设定了电路的静态工作点，保证电路通电时能满足起振条件，使AF>1。C2、C5提供正反馈通路。A为放大器在小信号时的增益，F 为反馈系数。反馈系数一般按（1/2~1/8）取（F≈C5/C2）。
R1，R11，R18为变容二极管。CR1提供2.5V的直流偏压。变容二极管CR2的控制电压来源于环路滤波器的输出电压，反映压控振荡器瞬时频率的变化。
2.放大电路
如图所示为非谐振高频放大器，主要作用是对压控振荡器产生的正弦波调制信号进行放大，以推动后级的分频电路。要求输出电压幅度足够大，至少大于3.5V以上。图中R13,R14,R15组成直流偏置电路，主要为放大器提供合适的直流偏置，保证放大器工作在放大状态。
3.分频电路
如图所示为除2分频器（配合晶振）。主要作用是将放大后的正弦波调制信号进行除2分频，得到整形后的方波信号，送到鉴相电路的时钟输入CLK端口。在TP9端，并与来自晶体参考频率的振荡信号进行相位比较。
4.参考频率振荡电路
如图所示为高稳定性的晶体振荡电路，主要作用是产生一个与经过二分频的压控振荡器频率相等的参考频率，并将此信号送到鉴相器与经过二分频的压控振荡器的信号进行相位比较。
5.鉴相电路
图中所示为鉴相电路，主要由两个具有复位功能的D触发器作状态寄存器构成。设D触发器为上升沿触发，且经过二分频的压控振荡器的信号和晶振振荡器的参考频率信号分别作为两个D触发器的CP。触发器的数据端D接高电平，输出取自Q5和Q9。复位后的初始状态Q5Q9=00，当CP信号，（即参考晶振频率信号fR）上升沿来到时，Q9=1，Q5保持为0，直到经过二分频的VCO信号fV的上升沿到来，Q5变为1，此时两个D触发器的输出变为Q5Q9=11，通过D6D3R32组成的或电路，Q5Q9=00，使两个D触发器复位，回到初始状态Q5Q9=00。由此可看出，只有一个短暂的时间（二极管和触发器的时延）使两个D触发器同时置1，因此电路不可能在Q5Q9=11状态停留，另一方面Q5Q9有一段时间同时为高，但是它们的平均值仍然正确反映了输入频率与相位的差值。
图3-6(a)所示鉴相电路的功能是取出两输入信的相位差，通过低通滤波器将相位差转变为控制VCO的平均电压。
6.环路滤波器电路
环路滤波器的主要功能是将鉴相器输出脉冲Q5Q9的宽度转换为平均电压输出。这里采用的方法主要是将D触发器Q5Q9输出的脉冲先经过低通滤器，这里Q5输出的脉冲经过R20C36低通滤器，另一路Q9输出的脉冲经过R21C37低通滤器后，再进行差值比较放大。环路滤波器输出的平均电压反映了D触发器Q5Q9两路输出相位信息。若两路信号同频同相，则环路滤波器输出一稳定的直流电压。
本次实验中采用的滤波电路。主要功能是将鉴相器输出脉冲Q5Q9的宽度转换为平均电压输出，这里采用的方法主要是将D触发器Q5Q9输出的脉冲先经过低通滤器，这里Q5输出的脉冲经过R20C36低通滤器，另一路Q9输出的脉冲经过R21C37低通滤器后，再进行差值比较放大。环路滤波器输出的
平均电压反映了D触发器Q5Q9两路输出相位信息。若两路信号同频同相，则环路滤波器输出一稳定的直流电压。
必须注意：调制器与解调器采用的环路滤波电路完全相同，但调制器的环路带非常窄仅小于20HZ，而解调器的环路带宽要比语音信号的带宽，即大于20KHZ。
7.LPF低通滤波电路
8.音频放大电路
其中，由瞬时极性发分析可知，R5为集电极与基极之间的负反馈电阻；R3为集电极负载电阻。放大器输出信号至开关S7的1脚，当开关S7接通1-2时，音频信号将进入下一级单元电路。
9.参数设计
1.压控振荡器（VCO）的参数设计
结合实际情况，由于提供的元件种类有限，因此考虑计算每一种可能的参数组合并从中选取最优值。当C6=51pF（原电路C42=51pF），L2=390nH时（原电路L7=390nH）。压控振荡电路的振荡频率主要由L1、C7、C2、C5、C3、C1、C4参数决定。其中C4为可变电容（原电路中CR3），可调节范围为6.3pF~30pF；C1（原电路中CR2）、C3（原电路中CR1）为原电路图中变容二极管背靠背串联时在静态工作点处的等效电容，查阅元件手册可知C1、C3均等效为25.0pF（V=2.5V）。结合实际情况，由于提供的元件种类有限，因此对于其余元件参数的选取方式，考虑计算每一种可能的参数组合并从中选取最优值。压控振荡电路的中心谐振频率应为。当选取L1=100nH（原电路L2=100nH），C2=680pF（原电路C7=680pF），C5=300pF（原电路C11=300pF），C7=300pF（原电路C3=300pF）。
调试过程中，为满足36MHZ的中心频率要求，将C7=300pF（原电路C3=300pF）修改为C7=680pF（原电路C3=680pF）
2.LPF的参数设计
在本实验中，我们在LPF电路中使用7阶低通滤波器，并利用Filter Solutions 10.0软件求出滤波器元件的参数。实验中要求，压控振荡器的中心频率为36MHz。在Filter Solutions 10.0的界面中，设置滤波器类型为Butterworth、LowPass、Passive，阶数为7，通带频率为36M，电源内阻与负载为50Ω，Freq Scale设为Hertz，取消Log，如下图所示
经比较所有的可用的电感和电容元件，得到最佳的参数，修改后仿真得到下图
由上图频率响应可以看出符合设计要求，可以取元件参数如下：C6=C9=33pF，C15=C12=100pF，L3=L4=270nH，L5=390nH
四.接收系统
非本人设计，组员设计，省略。
五 测试
1.压控振荡器VCO中心频率的调整与测试
将电源线连接上发射板后，用示波器接在TP5处，观察压控振荡器的输出波形，可以看到VCO成功产生自激频率，并且调节回路电容CR3，使结果接近36Mhz，如图所示：
将示波器探头一端接地，另一端接TP6，观察缓冲模块的输出波形，可以看到示波器显示频率基本不变，VPP幅度为202.7mV，如图所示：
2 FM波频谱与带宽的测试
设置好频谱分析仪的参数以及按照要求连接好线路后，测试不加入1KHz正弦波调制信号使的载波频谱图，经过调节可变电容CR3控制锁相输出为36MHz左右，如图所示：
加入1kHz的正弦波调制信号后，频谱图如图所示：
调节好频谱分析仪的参数后，可以看到带宽>10KHz,符合设计要求，如下图所示：
3.LPF低通滤波器的测试
按照测试的要求连接好电路，并且将信号正确接入之后，测试缩减分别为3dB和40dB时候的频率，分别为45.83MHz和81.67MHz，基本符合设计要求，如图所示：
4.BPF带通滤波测试
测试过程：如图接通频谱分析仪，然后将S1接通2、3，然后频谱仪开启跟踪源，观察视图有没有在36Mhz有带通的滤波电路
基本符合测试要求，BPF可以正常的工作在36MHZ的带通滤波。
5.VCO检测
VCO电路可以得到频率为36MHZ的本征信号，可知此时加到变容二极管CR2上直流电压为2.5V，符合实验所需要的结果。
6.放大电路模块测试
通过函数信号发生器输入一个36MHZ的信号进去放大电路模块，然后再通过J5输出到示波器中观测放大后点信号是否满足放大条件且没有改变其频率。
我们输入的信号是一个36MHZ、20mvpp的高频信号，然后通过示波器观测可知，这个信号放大了约22倍并且中心频率36MHZ没有发生改变。实验结果满足条件，放大电路没有任何问题。
7.环路滤波器测试
供电电压7.5-12V，加1KHz 正弦波，幅度设定为50mVpp，示波器观测TP13波形
六 收发综合测试
输入一个1KHZ的信号进入发射机，然后通过发射机的各种步骤后，输入到接收机进行解调，解调信号在示波器中查看。具体现象如下图
