實驗五鎖相環(huán)測試及應用實驗報告

1、實驗五鎖相環(huán)測試及應用實驗報告:鎖相環(huán)測試及應用實驗試驗目的：1. 了解鎖相環(huán)的組成、基本原理及性能特點。2. 掌握集成鎖相環(huán)4046芯片的使用方法。3. 掌握鎖相環(huán)路及各部件性能（鑒相特性、壓控特性、同步帶和捕 捉帶）的測試方法。4. 掌握鎖相調(diào)頻、鎖相鑒頻電路的構成、基本原理及參數(shù)測試測試 方法。5. 掌握簡單鎖相頻率合成器的基本原理及性能指標的測試方法實驗設備：1.調(diào)幅與調(diào)頻發(fā)射模塊。2. 直流穩(wěn)壓電壓gpd-3303d3. f20a型數(shù)字合成函數(shù)發(fā)生器/計數(shù)器4. dso-x 2014a數(shù)字存儲示波器實驗原理：1 鎖相環(huán)的組成及基本原理鎖相環(huán)路（pll）亦稱自動相位控制（apc）電路，

2、它是一種利用相位 誤差消除頻率誤差的反饋控制系統(tǒng)。如圖1所示，由鑒相器（相位比較器）、 環(huán)路濾波器（低通濾波器）和壓控振蕩器三個基本部件組成。圖1鎖相環(huán)組成框圖若fo?fi,瞬時相位差?將隨時間而變化；若fi?fo?保持固定值。鎖相環(huán)就是利用兩個信號之間相位差的變化，控制壓控振蕩器的輸出信號頻率, 最終使兩個信號相位差保持為常數(shù)，達到頻率相等。鎖相環(huán)的工作過程: 如圖1所示，若fo?fi,必將引起?的變化，鑒相器輸出正比于?的誤差電 壓ud(t)o經(jīng)環(huán)路濾波器濾除ud(t)中的高頻分量和噪聲，產(chǎn)生緩慢變動的 直流電壓uc(t)o vco受控于uc(t),使得振蕩頻率fo與輸入?yún)⒖碱l率fi的 頻

3、差逐漸減小，直到fo?fi,電路達到穩(wěn)定平衡狀態(tài)，即鎖定狀態(tài)。此時，? 保持一個不變的穩(wěn)態(tài)相差?，以維持電路的平衡狀態(tài)。需要指出，環(huán)路能 達到鎖定狀態(tài)，是在fo與fi相差不大的范圍內(nèi)。2. 幾個重要概念(1) 失鎖與鎖定開始工作時，fo?fi, ?不固定，環(huán)路處于不穩(wěn)定狀態(tài)，稱為失鎖。當 fo?fi時，？?保持常數(shù)，電路進入穩(wěn)定狀態(tài)，稱為鎖定。(2) 跟蹤過程與捕捉過程在環(huán)路鎖定狀態(tài)下，如果輸入信號頻率fi發(fā)生變化，環(huán)路通過自身的 調(diào)節(jié)作用，使輸出信號頻率fo以同樣的規(guī)律跟隨著變化，并且始終保持 fo?fi,這個過程稱為跟蹤過程或同步過程。剛加入信號時，并非立即進入 鎖定狀態(tài)，而要經(jīng)歷一個過渡

4、過程，這個環(huán)路由失鎖進入鎖定的過程稱為 捕捉過程。(3) 同步帶與捕捉帶在鎖定狀態(tài)下，環(huán)路維持鎖定所允許的最大輸入信號頻率變化范圍稱 為同步帶或跟蹤帶，用?伯表不。1加入輸入信號后環(huán)路能夠由失鎖自行進入鎖定狀態(tài)的最人允許固有 頻差稱為捕捉帶，用?fp表示，一般?fh?fpo（4）鎖相環(huán)路的主耍特點跟蹤特性在鎖定狀態(tài)下，當輸入頻率發(fā)生變化時，vco的頻率可以精確地跟蹤 輸入頻率的變化，最終使fo?fio 窄帶濾波特性就頻率特性而言，pll相當于一個帶通濾波器，其帶寬可以做的很窄。窄帶濾波特性能夠濾除混入輸入信號中的噪聲和雜散干擾。鎖定狀態(tài)下無剩余頻差3. 鎖相環(huán)應用pll具有許多優(yōu)越的性能，如無

5、頻差工作特性、環(huán)路帶寬或濾波器帶 寬的可調(diào)性等，因而應用廣泛。如鎖相調(diào)頻、鎖相調(diào)相、鎖相鑒頻、鎖相 混頻、鎖相倍頻、鎖相分頻、同步解調(diào)、鎖相頻率合成等。集成鎖相環(huán)cd4046簡介及應用：1. cd4046 簡介圖2是單片集成鎖相環(huán)cd4046的內(nèi)部結(jié)構框圖及外i韋i典型接線圖。cd4046采用cmos工藝，特點是電源電壓范圍寬（vdd-vss=515 v,vss端一般接地），輸入阻抗高（約100mq ）,動態(tài)功耗小。在vdd=15 v 時最高頻率可達1.2 mhz,通常用在中、低頻段。cd4046內(nèi)部集成了一個 低功耗、高線性的vco,兩個工作方式不同的鑒相器pdi、pdii,以及 源級跟隨器

6、（專門用于fm解調(diào)輸出，耍求外接負載電阻大于10k?）,放 大、整形電路和5v穩(wěn)壓管，若與ttl電路兀配時，可用作輔助電源。圖2集成鎖相環(huán)cd4046內(nèi)部組成及外圍典型接線框圖pd i采用異或門結(jié)構，使用時耍求輸入信號占空比為50%。無輸入信 號時，pd i輸出電壓為vdd/2,用于確定vco的固有振蕩頻率。pdi的 捕捉能力和濾波器有關，選擇合適的濾波器可以得到較寬的捕捉范圍。 當?d在0。-180°范圍內(nèi)變化時，輸出脈沖電壓ud?t?占空比隨z改變。圖3是vss接地，環(huán)路鎖定在vco的固有振蕩頻率時，pd i的輸入、 輸出波形及vco輸入控制電壓波形。2圖3 pd i輸入、輸出波

7、形、vco輸入波形及鑒相特性pd ii是一個由信號上升沿控制的數(shù)字存儲網(wǎng)絡。它對輸入信號的占空 比要求不高，允許輸入非對稱波形，具有很寬的捕捉范圍，而且不會鎖定 在輸入信號的諧波。它提供兩種輸出信號，數(shù)字誤差信號和鎖定信號（相 位脈沖），當達到鎖定時，pdii的兩個輸入信號相位差為0。pd ii的工作波形如圖4所示，當輸入信號超前于比較信號時，pdii輸 出正脈沖，當輸入信號滯后于比較信號時，pdi輸出為負脈沖，這兩種情 況都會在1腳產(chǎn)生負脈沖。當兩個輸入脈沖的頻率和相位均相同時，pdii 的輸出為高阻態(tài)，1腳輸出高電平。因此，pdii可實現(xiàn)兩個輸入信號頻率 嚴格同步，此時同步帶等于捕捉帶，與

8、環(huán)路濾波器無關。圖4 pdii輸入、輸出波形及vco輸入波形vco需耍外接電阻rl, r2和電容c1。rl, c1是充放電元件，電阻r2起到頻率補償作用。r1確定vco的最高振蕩頻率，r2確定vco的最低振蕩頻率。vco的振蕩頻率不僅和 rl, r2及cl的取值有關，還和電源電壓有關，電源電壓越高振蕩頻率越 高。5腳為高電平vco禁止工作。2. 鎖相調(diào)頻圖5所示為鎖相調(diào)頻電路框圖，圖中ui(t)由標準信號源或晶體振蕩器 提供穩(wěn)定的標準頻率，鎖相環(huán)路使壓控振蕩器的屮心頻率穩(wěn)定在標準頻率 上。當調(diào)制信號uq(t)加到壓控振蕩器的輸入端，vco的振蕩頻率將隨u q(t)的變化而改變，從而輸出調(diào)頻信號

9、。圖5鎖相調(diào)頻電路框圖3鎖相環(huán)路用于調(diào)頻信號的解調(diào)時，調(diào)頻信號從相位比較器輸入，環(huán)路 入鎖后，vco的振蕩頻率將跟蹤調(diào)頻信號的頻率的變化。其鑒相器輸出的 控制電壓經(jīng)低通濾波器濾除載波信號后，輸出調(diào)制信號。鎖相環(huán)路鑒頻器 方框圖如圖6所示。圖6鎖相環(huán)路鑒頻器方框圖4 鎖相頻率合成器鎖相頻率合成是利用鎖相環(huán)路的窄帶跟蹤特性，在基準頻率源作用下, 產(chǎn)生一系列離散的頻率。具有系統(tǒng)結(jié)構簡單，輸出信號的頻譜純度高，易 于實現(xiàn)等優(yōu)點。鎖相頻率合成器框圖如圖7所示。圖7頻率合成器框圖圖屮輸入信號為標準源fi,經(jīng)可預置m分頻器后得到參考頻率fref, fref的信號輸入相位比較器的一端，壓控振蕩器的輸出信號經(jīng)可

10、預置n分頻器后輸入相位比較器的另一端，這兩個信號進行比相，當環(huán)路鎖定，有:fifn?ofo?fimnm當改變預置數(shù)m、n時，可得到不同的輸出頻率fo。實驗電路簡介：圖5為鎖相環(huán)性能測試、鎖相調(diào)頻及鎖相式頻率合成器實驗電路。圖 屮1k1-1k4撥向上，構成鎖相環(huán)性能測試及鎖相調(diào)頻電路，1w7用于調(diào)節(jié) vco的固有振蕩頻率。1k1-1k4撥向下，構成鎖相式頻率合成器電路。數(shù) 碼開關1sw3、1sw4和1sw5可設置不同的分頻比，其中1、2、3、4撥 向上“on”，輸入邏輯電平“1”，撥向下輸入邏輯“0”，分別對應8421bcd 碼的權值8、4、2、lo4圖5鎖相環(huán)性能測試、鎖相調(diào)頻及鎖相式頻率合成

11、器實驗原理電路圖6為鎖相解調(diào)實驗電路，1w8用于調(diào)節(jié)vco的固有振蕩頻率。圖6鎖相解調(diào)實驗電路實驗內(nèi)容：1 鎖相環(huán)性能測試（1）電路連接及設置將調(diào)幅與調(diào)頻發(fā)射模塊接+12v電源電壓，打開“鎖相環(huán)、鎖相調(diào) 頻、頻率合成”電路電源開關，將開關1k1-1k4撥向上，構成鎖相環(huán)性能 測試和鎖相調(diào)頻電路。方框圖如圖7所示。5u測量vco的固有振蕩頻率uu圖7 u鎖相環(huán)測試電路框圖輸入端不接信號，示波器連接輸出電壓u0,萬用表(直流電壓檔)連 接uc。然后，調(diào)節(jié)1w7,使vco的固有振蕩頻率foo?(fomax?fomin)2,記 錄foo及此時uc的大小。由實驗得：fomin?204.96khzfoma

12、x?729.7khzfoo?(f試驗中，記錄的foo?467.7khz,此時uc?4.369v 測量同步帶、捕捉帶、鑒相特性及壓控特性，測量過程中注意觀 察跟蹤特性及頻率牽引過程測量同步帶保持以上電路狀態(tài)不變，輸入端接入頻率fi?foo, 6vpp的方波信號。 用示波器連接ui和uo及ud,觀測ui和uo的波形、頻率、相位差?d及 ud的平均幅值(類型：平均 全屏)，同時用萬用表測量直流電壓uc的大 小?，F(xiàn)象：以ui通道做觸發(fā)源，在鎖定狀態(tài)下，輸入、輸出波形清晰穩(wěn) 定；失鎖時，波形模糊不穩(wěn)定。omax?fomin)2?467.33khz減小或增加輸入信號頻率fi,分別記錄環(huán)路由鎖定到失鎖的分界

13、頻率 fl和f2,則同步帶為:?fh?fl?f2o測量過程:在350?d?1500范圍內(nèi)， 改變輸入信號頻率的十位數(shù)；當?d?350或?d?1500時，改變輸入頻率的 個位數(shù)；當?d?150或?d?1750后，改變輸入頻率的十分位，此時輸出頻 率仍在跟蹤輸入頻率變化，但開始出現(xiàn)頻率牽引。ui和uo的波形如圖8所示，圖屮，ch1為ui, ch2為uo, ch3為ud6圖8 ui> uo和ud的波形由圖 8 和實驗所得數(shù)據(jù)，可知:fi?467.7khz,fo0?467.7khz, ?d?94.1?,ud?5.393, uc?4.576v在試驗中，測得失鎖頻率分別為fl?41.701khz,f

14、2?790.7khz所以同步帶?fh? | fl?f21 ?749.0khz 測量捕捉帶，注意觀察捕捉特性使環(huán)路處于失鎖狀態(tài)，即fi?fl或fi?f2。逐漸增加或減小輸入信號頻率,分別記錄環(huán)路由失鎖到鎖定的分界頻率f3和f4,則捕捉帶為：?fp?f4?f3o實驗測得：f3?365.7khz, f4?589.7khz所以捕捉帶?fp? | f4?f31 ?224.0khz 在環(huán)路鎖定狀態(tài)下，改變輸入信號頻率fi,使?d=100> 300、600、900、1200、1500> 1750o測量并繪制鑒相特性曲線ud?d及壓控特性 曲線fouc。由于?d最小值不能到達10o,最大值不能到達

15、1750,所以均是從能到達的最小最大的?d開始測量的。7由上數(shù)據(jù)用origin繪制鑒相特性曲線ud?d及壓控特性曲線fouc,如圖9、圖10所示12108b2oa圖9相特性曲線ud-?dba圖10 壓控特性曲線fouc8由圖可知，在環(huán)路鎖定的狀態(tài)下，ud隨?d線性變化，fo也隨uc線性變化。2.鎖相調(diào)頻及參數(shù)測試鎖相調(diào)頻電路方框圖如圖口所示,此電路稱為載波跟蹤型鎖相調(diào)頻。 采用鎖相環(huán)路調(diào)頻，能夠得到中心頻率高度穩(wěn)定的調(diào)頻信號。實現(xiàn)鎖相 調(diào)頻的條件是：調(diào)制信號的頻譜處于低通濾波器的通帶之外，并且，調(diào)制 指數(shù)不能太大。圖11鎖相調(diào)頻框圖（1）1tp11接入高頻等幅載波信號（fi?foo, 6vpp

16、方波），觀察并記錄 輸入、輸岀波形及頻率。示波器記錄的輸入輸出波形如下圖所示，其中ch1為輸入波形，ch2 為輸出波形。測得fo?467.7khz, fd?962khz圖121tp11接入高頻等幅載波信號的輸入輸出波形（2）1tp12接入調(diào)制信號u? （lkhz, 1vpp正弦波）,觀察并記錄輸入載 波、輸出調(diào)頻波及調(diào)制信號波形。示波器記錄的波形如圖13所示，其中ch1為輸入波形，ch3為輸出 波形，ch4為調(diào)制信號波形。9圖131tp12接入調(diào)制信號u?時的輸出輸出波形3. 鎖相鑒頻及參數(shù)測試實驗電路如圖6所示，鎖相鑒頻電路方框圖如圖14所示，這種電路稱為調(diào)制跟蹤型鎖相鑒頻。為了實現(xiàn)不失真的

17、解調(diào)，環(huán)路的捕捉帶必須大 于輸入調(diào)頻信號的最大頻偏，環(huán)路的帶寬必須大于輸入調(diào)頻信號屮調(diào)制信 號的頻譜寬度。（1）鑒頻器的主要指標：圖14鎖相鑒頻框圖 鑒頻線性范圍（或稱鑒頻帶寬人鑒頻特性曲線中近似直線段的頻 率范圍，用?fm表示。表明鑒頻器不失真解 調(diào)吋所允許的頻率變化范圍。 要求?fm>?fmaxo 鑒頻靈敏度（單位為v/hz或v/khz）：在中心頻率附近單位頻偏引 起的解調(diào)輸出電壓的大小，即鑒頻特性曲線在中心頻率附近的斜率sd?uo?fof?fo測量內(nèi)容（1）打開“鎖相鑒頻”電路電源開關，輸入端不接信號，調(diào)節(jié)1w8,使vco的固有振蕩頻率為500khzo （2）輸入端1tp18接入中

18、心頻率500khz, 調(diào)制頻率lkhz、最大偏移lookhz的調(diào)頻波，觀察并記錄ufm、uo的波形， 測量uo的頻率和幅度。用示波器記錄的ufm、uo的波形如圖15所示，其中ch1為ufm, ch2為uo。試驗中測得uo?4.0v, fo?1.0073khzo10圖15 ufm、uo的波形(3) 調(diào)制頻率為100hz,觀察并記錄ufm、uo的波形，測量uo的頻率 和幅度。ufm、uo的波形如下圖所示，其ch1為ufm, ch2為uo實驗測得uo?3.7v, fo?99.62khz11圖16 ufm、uo的波形(4) 在10 khz 250 khz范圍，以20 khz為步進單位改變頻偏?f,觀測

19、 鑒頻輸出uo的變化，繪制鑒頻特性uo?f曲線，計算靈敏度sdo記錄的數(shù)據(jù)如下表格所示由表格數(shù)據(jù)用origin繪制鑒頻特性uo?f曲線，如圖17所示。ba圖17 鑒頻特性uo?f曲線 鑒頻靈敏度鑒頻特性sd?uo?f ?0.03404v/khzf?fo4. 鎖相頻率合成器：是利用鎖相環(huán)的窄帶濾波特性，將基準頻率fi 產(chǎn)生一系列所需的離散頻率fo。(1)頻率合成器的主耍指標： 頻率范圍：頻率合成器能夠輸出的最高頻率fomax和最低頻率 fomin, k?fomax稱為頻率覆蓋系數(shù)。fomin實驗測得，最高頻率fomax?780.0khz,最低頻率fomin?1.01k,計算可得頻率覆蓋系數(shù)4hzk?fomax?769.23o fomin 分辨率