電子線路設(shè)計(jì)報告鎖相環(huán)的研究

1、電氣與新能源學(xué)院電氣與新能源學(xué)院實(shí)驗(yàn)五、鎖相環(huán)的研究實(shí)驗(yàn)五、鎖相環(huán)的研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩?shí)驗(yàn)原理和元器件簡介三、壓頻變換四、100倍頻電路五、思考題思考題電氣與新能源學(xué)院電氣與新能源學(xué)院一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?、?shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解鎖相環(huán)原理及其應(yīng)用2、觀察v/f變換實(shí)驗(yàn)電路的壓頻轉(zhuǎn)換特性3、觀察頻率倍增實(shí)驗(yàn)電路的頻率倍增特性。電氣與新能源學(xué)院電氣與新能源學(xué)院二、實(shí)驗(yàn)原理和元器件簡介二、實(shí)驗(yàn)原理和元器件簡介1、基本鎖相環(huán)的組成、基本鎖相環(huán)的組成 鎖相環(huán)（phase-locked loop）是一個相位反饋控制系統(tǒng)，它是基于“鎖相技術(shù)”這一概念，也就是用一個高度穩(wěn)定的基準(zhǔn)信號去控制和同步另一個自激振蕩器，使這個

2、振蕩器產(chǎn)生的電壓頻率與基準(zhǔn)信號的電壓頻率相同，而相位保持一個固定的差值，這樣就大大提高了該自激振蕩器的頻率穩(wěn)定度。 電氣與新能源學(xué)院電氣與新能源學(xué)院二、實(shí)驗(yàn)原理和元器件簡介二、實(shí)驗(yàn)原理和元器件簡介 隨著空間技術(shù)的發(fā)展，極大推動了鎖相技術(shù)的發(fā)展，由于空間通信發(fā)射機(jī)功率?。s10mw），距離遠(yuǎn)幾百幾千km，接收時的信號功率小到10-17w；信噪比低（約-10-40db），只有采用窄帶鎖相跟蹤接收機(jī)才能把淹沒在噪聲中的有用信號提取出來。所以，可以說沒有鎖相技術(shù)的發(fā)展，就沒有今天的衛(wèi)星通信、宇宙航行。 電氣與新能源學(xué)院電氣與新能源學(xué)院二、鎖相環(huán)原理框圖二、鎖相環(huán)原理框圖1、基本鎖相環(huán)的組成、基本鎖相環(huán)

3、的組成 基本鎖相環(huán)系統(tǒng)是由相位比較器（pd），壓控振蕩器（vco）和環(huán)路濾波器（lpf）三部分基本電路組成的一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)。pdlpfvcovi(t)vd(t)vc(t)vo(t)鎖相環(huán)路（鎖相環(huán)路（pll）基本方框圖）基本方框圖f0fif0電氣與新能源學(xué)院電氣與新能源學(xué)院二、實(shí)驗(yàn)原理和元器件簡介二、實(shí)驗(yàn)原理和元器件簡介2、壓控振蕩器（、壓控振蕩器（vco） vco是本控制系統(tǒng)的控制對象，被控參數(shù)通常是其震蕩頻率，若設(shè)控制信號為vc(t)，其振蕩頻率fo(t)與控制電壓之間的關(guān)系可以表示為： fo(t)=k0*vc(t) 其中k0為比例常數(shù)， 是vco的壓控靈敏度， k0越大，則控制靈敏 度

4、越高。fo(t)vc(t)f3(t)f2(t)f1(t)vc1vc2vc30電氣與新能源學(xué)院電氣與新能源學(xué)院二、實(shí)驗(yàn)原理和元器件簡介二、實(shí)驗(yàn)原理和元器件簡介3、相位比較器（、相位比較器（pd） pd是一個相位比較電路，用來控制vo(t)與輸入信號 vi(t) 之間的相位e(t) ，并把e(t) 轉(zhuǎn)化為誤差電壓vd(t)輸入，vd(t)通常是一直流電壓或者是一低頻交流電壓，它起著相位差-電壓變換作用。 pd特性有兩種情況，一種為小信號輸入的余弦pd特性，另一種為信號輸入時為三角形（線性）pd。在pll中也同樣適用，所以為獲得較寬線性鑒相范圍，可采用大信號相位比較器。 電氣與新能源學(xué)院電氣與新能源

5、學(xué)院二、實(shí)驗(yàn)原理和元器件簡介二、實(shí)驗(yàn)原理和元器件簡介4、環(huán)路濾波器（、環(huán)路濾波器（lpf） 環(huán)路濾波器的作用是濾除因pd(相位比較器)而輸出的vd(t)中所含有的無用中所含有的無用組合頻率分量和噪聲，從而得到只反映e(t) 大小的控制信號vc(t)，它起到傳遞作用，同時lpf還能濾除瞬間變化的雜散干擾，使環(huán)路工作保持穩(wěn)定。 在此處lpf是一個低通濾波器。電氣與新能源學(xué)院電氣與新能源學(xué)院相位比較器和濾波器波形圖相位比較器和濾波器波形圖ttttvc(t)vd(t)vo(t)vi(t)0000電氣與新能源學(xué)院電氣與新能源學(xué)院pll電路工作原理電路工作原理 p35 誤差電壓vd（t）經(jīng)lpf成為vc(

6、t)后將作用于vco的輸入端，并使vco的振蕩頻率隨時間按余弦規(guī)律改變，也就是使f0時而接近fi，時而又離開fi。即頻差(i-0)時大時小。下圖所示為閉環(huán)后鑒相濾波輸出電壓vc(t)波形。由圖可見，當(dāng)vc(t)增量為正時，頻差將增加，vc(t)增量為負(fù)時，頻差將減小。由于vc(t)是一個不對稱波形，它將引起附加的直流分量，使vco的頻率f0逐漸向fi靠近， 這稱之為頻率牽引現(xiàn)象，經(jīng)過一段 時間后，f0=f i，頻差為0。此時， e（t）不隨時間化，是固定的， vc(t)是不隨時間變化的直流電壓， 這現(xiàn)象稱為鎖定，此時pll工作在 鎖定狀態(tài)。 電氣與新能源學(xué)院電氣與新能源學(xué)院二、實(shí)驗(yàn)原理和元器件

7、簡介二、實(shí)驗(yàn)原理和元器件簡介 5、cd4046 是cmos鎖相環(huán)，內(nèi)包含兩個相位比較器，其中pc是利用異或門組成的比較器，pc是四組邊沿觸發(fā)式數(shù)字相位比較器。另外包含壓控振蕩器vco、前置放大器a1、低通濾波器輸出緩沖放大器a2和5v基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路。器件為dip16封裝。電氣與新能源學(xué)院電氣與新能源學(xué)院三、實(shí)驗(yàn)電路三、實(shí)驗(yàn)電路-壓頻變換器壓頻變換器vi（v）0.1 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5fo(hz) 實(shí)驗(yàn)任務(wù)一：實(shí)驗(yàn)任務(wù)一：調(diào)整電位器調(diào)整電位器r2，取得

8、，取得02.5v電壓，使電壓，使壓控振蕩器壓控振蕩器vco得到不同的頻率填入下表中，并用得到不同的頻率填入下表中，并用坐標(biāo)坐標(biāo)紙紙畫出電壓畫出電壓頻率特性曲線。頻率特性曲線。(驗(yàn)收驗(yàn)收)vcocd4046672000pfc+5v+5v2k2k02.5vr1r29151610kr11584fo(t)fo(t)vc(t)f3(t)f2(t)f1(t)vc1vc2vc30電氣與新能源學(xué)院電氣與新能源學(xué)院ttl out與外部計(jì)數(shù)電氣與新能源學(xué)院電氣與新能源學(xué)院四、實(shí)驗(yàn)電路四、實(shí)驗(yàn)電路-100倍頻倍頻倍頻倍頻原理： 在上圖中vco輸出的fo經(jīng)過n/m分頻后再加到pd與fi比較，如下圖；即可實(shí)現(xiàn)m/n倍頻

9、。原理是pll具有自動校正 vco頻率f0的能力，使f0=fi；下圖就是f0=fi，而f0= n/m f0，則f0= m/n fi，從而實(shí)現(xiàn)倍頻；如果 n/m =1/100，即實(shí)現(xiàn)100倍頻。pdlpfvcovi(t)vd(t)vc(t)vo(t)f0 fif0pdlpfvcovi(t)vd(t)vc(t)vo(t)n/mf0 fif0電氣與新能源學(xué)院電氣與新能源學(xué)院四、實(shí)驗(yàn)電路四、實(shí)驗(yàn)電路-100倍頻倍頻 只要有一個1/100分頻電路就可以實(shí)現(xiàn)100倍頻，分頻的方法很多， cd4518 是雙bcd加法計(jì)數(shù)器； 通過雙bcd加法計(jì)數(shù)器 輸出1q0 、 1q1 、1q2、 1q3 、 2q0 、

10、2q1 、 2q2 、 2q3可以組合100及其他數(shù)字的加法計(jì)數(shù)器。100倍頻原理圖倍頻原理圖pdvco1/10010200hz76431415161398511+5vf i (ttl) 2000pfc1c2r1r2r310k1m100k22fainbinvcoutpc2vcinfo電氣與新能源學(xué)院電氣與新能源學(xué)院四、實(shí)驗(yàn)電路四、實(shí)驗(yàn)電路-100倍頻倍頻 實(shí)驗(yàn)任務(wù)二：實(shí)驗(yàn)任務(wù)二：按照下圖連接好實(shí)驗(yàn)電路，按照下圖連接好實(shí)驗(yàn)電路， fi輸入輸入100hzttl 信號， 號引號引腳輸出腳輸出fo頻率應(yīng)為頻率應(yīng)為fi的100 倍 fo fi2n0c1r3100kr110kr21mc222uf1200h

11、z+5q03q14q25q36vcc16gnd8r7clk1en2u2a4518clk9en10r15q314q213q112q011u2b4518outain14bin3vcin9inh5ca6cb7r111r212zen15sf10vcout4pc213pc112pcp1vcc16gnd8u14046ttl100hz電氣與新能源學(xué)院電氣與新能源學(xué)院cd4518雙雙bcd加法計(jì)數(shù)器的加法計(jì)數(shù)器的bcd碼碼 q3 q2 q1 q00 0 0 0 0 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 1電氣與新能源學(xué)院電氣與新

12、能源學(xué)院cd4518雙雙bcd加法計(jì)數(shù)器的加法計(jì)數(shù)器的bcd碼碼 q3 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 q2 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 q1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 q0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 clk 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 電氣與新能源學(xué)院電氣與新能源學(xué)院驗(yàn)任務(wù)三：驗(yàn)任務(wù)三：在在f i=100hz, 100倍頻下倍頻下用示波器觀用示波器觀察畫出察畫出cd4518雙雙bcd加法計(jì)數(shù)器輸出加法計(jì)數(shù)器輸出1q0 、 1q1 、1q2、 1q3、clk的波形圖。的波形圖。tttt1q0ch200001q1ch21

13、q2ch21q3ch1tclkch2并測試記錄并測試記錄1q0 、 1q1 、1q2、 1q3、clk、 2q0 、2q1 、2q2、 2q3各個各個輸出端口的頻率輸出端口的頻率（驗(yàn)收）（驗(yàn)收）實(shí)驗(yàn)任務(wù)四：實(shí)驗(yàn)任務(wù)四：設(shè)計(jì)出設(shè)計(jì)出25 倍頻電路倍頻電路（驗(yàn)收）（驗(yàn)收）實(shí)驗(yàn)任務(wù)五：實(shí)驗(yàn)任務(wù)五：設(shè)計(jì)出設(shè)計(jì)出2.5 倍頻電路（選做）倍頻電路（選做）電氣與新能源學(xué)院電氣與新能源學(xué)院五、思考題五、思考題1、cd4046是如何鑒相的?2、 pll電路電路是如何實(shí)現(xiàn)fo=fi ？3、 bcd加法計(jì)數(shù)器的輸出波形與加法計(jì)數(shù)器的輸出波形與bcd碼的對應(yīng)關(guān)碼的對應(yīng)關(guān)系是怎樣系是怎樣？4、 敘述pll頻率倍增實(shí)驗(yàn)電路的工作原理？電氣與新能源學(xué)院電氣與新能源學(xué)院電氣與新能源學(xué)院電氣與新能源學(xué)院實(shí)驗(yàn)任務(wù)三：實(shí)驗(yàn)任務(wù)三：用示波器觀察用示波器觀察并用頻率計(jì)測量并用頻率計(jì)測量cd4046腳輸出頻率，腳輸出頻率，驗(yàn)證驗(yàn)證fo/fi是否等于是否等于100；實(shí)驗(yàn)任務(wù)四：在實(shí)驗(yàn)任務(wù)四：在100倍頻下倍頻下用示波器觀察畫出用示波器觀察畫出cd4518雙雙bcd加法計(jì)數(shù)加法計(jì)數(shù)器輸出器輸出1q0 、 1q1 、1q2、 1q3的波形圖。并的波形圖。并測出測出1q0 、 1q1 、1q2、 1q3 、2q0 、 2q1 、2q2、 2q3的頻率。的頻率。（驗(yàn)（驗(yàn)收）收）實(shí)驗(yàn)任務(wù)五：實(shí)驗(yàn)任