鎖相實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)內(nèi)容

1、實(shí)驗(yàn)一 鎖相環(huán)單元實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握通用單片集成鎖相環(huán)LM565的工作原理和應(yīng)用。2、了解鎖相環(huán)LM565參數(shù)的計(jì)算方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器1、EE1642B型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器/計(jì)數(shù)器 1臺(tái)2、6504雙蹤示波器 1臺(tái)鎖相技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱三、實(shí)驗(yàn)原理和電路說(shuō)明1、芯片簡(jiǎn)介L(zhǎng)M565是一塊工作頻率低于1MHz的通用單片集成鎖相環(huán)路，其組成方框圖如圖1-1所示。引腳框圖如圖1-2所示。它包含鑒相器、壓控振 圖1-1 LM565CN方框圖蕩器和放大器三部分。鑒相器為雙平衡模擬相乘電路，壓控振蕩器為積分施密特電路。輸入信號(hào)加在2、3端，7 端外接電容器與放大器的集電極電阻（典型值為3.6K）組成環(huán)路濾波器。由

2、7端輸出的誤差電壓在內(nèi)部直接加到壓控振蕩器的控制端。6端提供了一個(gè)參考電壓，其標(biāo)稱值與7端相同。6、7端可以一起作為后接差動(dòng)放大器的偏置。壓控振蕩器的定圖1-2 LM565CN引腳圖時(shí)電阻接在8端，定時(shí)電容接在9端，振蕩信號(hào)從4端輸出。壓控振蕩器的輸出端4與鑒相器反饋輸入端5是斷開(kāi)的，允許插入分頻器來(lái)做頻率合成器。對(duì)LM565而言，壓控振蕩器振蕩頻率可近似表示為： 壓控靈敏度為 ： 式中是電源電壓（雙向饋電時(shí)則為總電壓）。鑒相靈敏度為： 放大器增益為 ： LM565工作頻率范圍為0.001Hz500KHz，電源電壓為±6±12V，鑒頻失真低于0.2%，最大鎖定范圍為

3、7;60%，輸入電阻為10K，典型工作電流為8mA。主要用于FSK解調(diào)、單音解碼、寬帶FM解調(diào)、數(shù)據(jù)同步、倍頻與分頻等方面。2、實(shí)驗(yàn)電路鎖相環(huán)單元電路如圖1-3所示。其中頻率粗調(diào)波段開(kāi)關(guān)控制鎖相環(huán)的頻率粗調(diào)，分為三個(gè)頻段。頻率細(xì)調(diào)電位器調(diào)節(jié)各個(gè)頻段的細(xì)調(diào)范圍。帶寬選擇確定環(huán)路濾波器的帶寬。濾波器可選擇比例積分濾波器或RC濾波器。鎖相環(huán)面板布局圖參考附錄一。 圖1-3 鎖相環(huán)單元實(shí)驗(yàn)電路圖五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟一、壓控振蕩器頻段的測(cè)試：1、打開(kāi)鎖相環(huán)單元實(shí)驗(yàn)?zāi)K的電源開(kāi)關(guān)。2、將“信號(hào)輸入”和“反饋輸入”端接地。3、將頻率粗調(diào)打在“1”頻段，用頻率計(jì)測(cè)量“VCO頻率輸出”端的頻率，調(diào)節(jié)“頻率細(xì)調(diào)”電

4、位器測(cè)出最高頻率和最低頻率。將得到的數(shù)據(jù)填入下表。頻率粗調(diào)典型數(shù)據(jù)頻段最低頻率（KHz）最高頻率（KHz）123二、壓控振蕩器兩種輸出信號(hào)的觀察：用雙蹤示波器分別觀察“VCO輸出”端和“三角波輸出”端的波形。并畫(huà)出對(duì)應(yīng)的波形圖。“三角波輸出”和“VCO輸出”的頻率是由誤差電壓控制的，與鑒相器、放大器等構(gòu)成基本鎖相環(huán)電路（注：由于示波器探頭存在電阻和電容，因此會(huì)影響壓控振蕩器的輸出頻率）。三、濾波器帶寬的測(cè)試：1、將K101中的1、3用短路帽短接（正常工作時(shí)1、2短接）。2、從“濾波輸入”端輸入音頻正弦信號(hào)，在“控制輸出”端觀察輸出波形，并根據(jù)濾波器帶寬的定義，分別測(cè)出兩種濾波器的帶寬，將得到的

5、數(shù)據(jù)填入下表。帶寬選擇濾波器類型RC濾波比例積分濾波寬中窄五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1、整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫(huà)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)表格和波形圖。2、鎖相環(huán)由哪些部分組成？各部分的作用是什么？實(shí)驗(yàn)二 環(huán)路部件特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握鎖相環(huán)路部件特性的測(cè)試方法。2、加深對(duì)鑒相器、環(huán)路濾波器以及壓控振蕩器等部件的理解。二、實(shí)驗(yàn)儀器1、EE1642B型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器/計(jì)數(shù)器 1臺(tái)2、6504雙蹤示波器 1臺(tái)鎖相技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱三、實(shí)驗(yàn)原理和電路說(shuō)明一、基本原理鎖相環(huán)是一個(gè)相位的負(fù)反饋控制系統(tǒng)。這個(gè)負(fù)反饋控制系統(tǒng)是由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）三個(gè)基本部件組成，基本構(gòu)成如圖5-1。實(shí)驗(yàn)應(yīng)用中有各種形式

6、的環(huán)路，但它們都是由這個(gè)基本環(huán)路演變而來(lái)的。下面逐個(gè)介紹基本部件在環(huán)路中的作用。圖5-1 鎖相環(huán)路的基本構(gòu)成1、鑒相器鑒相器是一個(gè)相位比較裝置，用來(lái)檢測(cè)輸入信號(hào)相位與反饋信號(hào)相位之間的相位差。輸出的誤差信號(hào)是相差的函數(shù)，即鑒相特性可以是多種多樣的，有正弦形特性、三角形特性、鋸齒形特性等等。常用的正弦鑒相器可用模擬相乘器與低通濾波器的串接作為模型，如圖5-2所示。圖5-2 正弦鑒相器模型 設(shè)相乘器的相乘系數(shù)為單位為1/V，輸入信號(hào)與反饋信號(hào)經(jīng)相乘作用 經(jīng)過(guò)低通濾波器（LPF）濾除成分之后，得到誤差電壓令 為鑒相器的最大輸出電壓，則 這就是正弦鑒相特性，如圖5-3。圖5-3 正弦鑒相特性鑒相器的電

7、路是多種多樣的，總得可以分為兩大類：第一類是相乘器電路，它是對(duì)輸入信號(hào)波形與輸出信號(hào)波形的乘積進(jìn)行平均，從而獲得直流的誤差輸出，如上面分析所述。第二類是序列電路，它的輸出電壓是輸入信號(hào)過(guò)零點(diǎn)與反饋電壓過(guò)零點(diǎn)之間時(shí)間差的函數(shù)。因此這類鑒相器的輸出只與波形的邊沿有關(guān)，與其它是無(wú)關(guān)的。這類鑒相器適用于方波（也可以用正弦波通過(guò)限幅得到）輸入，通常用數(shù)字電路構(gòu)成。2、環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器具有低通特性，它可以起到圖5-2中低通濾波器的作用，更重要的是它對(duì)環(huán)路參數(shù)調(diào)整起著決定性的作用。環(huán)路濾波器是一個(gè)線性電路，在時(shí)域分析中可用一個(gè)傳輸算子來(lái)表示，其中是微分算子；在頻域分析中可用傳遞函數(shù)表示，其中是復(fù)頻率；若

8、用代入就得到它的頻率響應(yīng)，故環(huán)路濾波器模型可表示為圖5-4。常用的環(huán)路濾波器有RC積分濾波器、無(wú)源比例積分濾波器和有源比例積分濾波器三種，現(xiàn)分別說(shuō)明如下。 圖5-4 環(huán)路濾波器的模型、RC積分濾波器這是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的低通濾波器，電路構(gòu)成如圖5-5，其傳輸算子 （5-1）式中是時(shí)間常數(shù)，這是這種濾波器唯一可調(diào)的參數(shù)。圖5-5 RC積分濾波器電路組成令，并代入（5-1）式，即可得到濾波器的頻率特性 圖5-6 RC積分濾波器的對(duì)數(shù)頻率特性 作為對(duì)數(shù)頻率特性，如圖5-6。可見(jiàn)，它具有低通特性，且相位滯后。當(dāng)頻率很高時(shí)，幅度趨于零，相位滯后接近于。、無(wú)源比例積分濾波器無(wú)源比例積分濾波器如圖5-7所示，它與

9、積分濾波器相比，附加了一個(gè)與電容器相串聯(lián)的電阻，這樣就增加了一個(gè)可調(diào)參數(shù)，它的傳輸算子為： （5-2）式中；。這是兩個(gè)獨(dú)立可調(diào)的參數(shù)，其頻率響應(yīng)為： 圖5-7 無(wú)源比例積分濾波器電路組成據(jù)此可作出對(duì)數(shù)頻率特性，如圖5-8所示。這也是一個(gè)低通濾波器，與積分濾波器不同的是，當(dāng)頻率很高時(shí) 等于電阻的分壓比，這就是濾波器的比例作用。從相頻特性上看，當(dāng)頻率很高時(shí)有相位超前校正的作用，這是由相位超前因子引起的。這個(gè)相位超前作用對(duì)改善環(huán)路的穩(wěn)定性是有用的。 圖5-8 無(wú)源比例積分濾波器的對(duì)數(shù)頻率特性有源比例積分濾波器有源比例積分濾波器由運(yùn)算放大器組成，電路如圖5-9所示，它的傳輸算子 式中；。是運(yùn)算放大器無(wú)

10、反饋時(shí)的電壓增益。若運(yùn)算放大器的增益很高，則圖5-9 有源比例積分濾波器電路組成式中負(fù)號(hào)表示濾波器輸出和輸入電壓之間相位相反。假如環(huán)路原來(lái)工作在鑒相特性的正斜率處，那么加入有源比例積分濾波器之后就自動(dòng)地工作到鑒相特性的負(fù)斜率處，其負(fù)號(hào)與有源比例積分濾波器的負(fù)號(hào)相抵消。因此，這個(gè)負(fù)號(hào)對(duì)環(huán)路的工作沒(méi)有影響，分析時(shí)可以不予考慮。故傳輸算子可以近似為 （5-3）式中。（5-3）式傳輸算子的分母中只有一個(gè)，是一個(gè)積分因子，故高增益的有源比例積分濾波器又稱為理想積分濾波器。顯然，A越大就越接近理想積分濾波器。此濾波器的頻率響應(yīng)為 其對(duì)數(shù)頻率特性見(jiàn)圖1-10。可見(jiàn)它具有低通特性和比例作用，相頻特性也有超前校

11、正。嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，在頻率極低的情況下，近似條件不能成立，上述近似特性也就不適宜了。在有些場(chǎng)合，例如分析穩(wěn)定性時(shí)，應(yīng)加以注意。圖5-10 有源比例積分濾波器的對(duì)數(shù)頻率特性3、壓控振蕩器壓控振蕩器是一個(gè)電壓頻率變換裝置，在環(huán)中作為被控振蕩器，它的振蕩頻率應(yīng)隨輸入控制電壓線性地變化，即應(yīng)有變換關(guān)系 （5-4）式中是壓控振蕩器的瞬時(shí)角頻率；為控制靈敏度或稱增益系數(shù)，單位是rad/s·v。實(shí)際應(yīng)用中的壓控振蕩器的控制特性只有有限的線性控制范圍，超出這個(gè)范圍之后控制靈敏度將下降。圖5-11中的實(shí)線為一條實(shí)際壓控振蕩器的控制特性，虛線為符合（5-4）式的線性控制特性。由圖可見(jiàn)，在以為中心的一個(gè)區(qū)域內(nèi)，

12、兩者是吻合的，故在環(huán)路分析中我們就用（5-4）式作為壓控振蕩器的控制特性。由于壓控振蕩器的輸出反饋到鑒相器上，對(duì)鑒相器輸出誤差電壓起作用的不是其頻率，而是其相位即改寫(xiě)成算子形式為鎖相環(huán)路中要求壓控振蕩器輸出的是相位，因此，這個(gè)積分作用是壓控振蕩器所固有的。正因?yàn)檫@樣，通常稱壓控振蕩器是鎖相環(huán)路中的固有積分環(huán)節(jié)。這個(gè)積分作用在環(huán)路中起著相當(dāng)重要的作用。圖5-11 壓控振蕩器的控制特性壓控振蕩器電路的形式很多，常用的有壓控振蕩器、晶體振蕩器、負(fù)阻壓控振蕩器和壓控振蕩器等幾種。前兩種振蕩器的頻率控制都是用變?nèi)莨軄?lái)實(shí)現(xiàn)的。由于變?nèi)荻O管結(jié)電容與控制電壓之間具有非線性的關(guān)系，所以壓控振蕩器的控制特性肯定

13、也是非線性的。為了改善壓控特性的線性性能，在電路上采取一些措施，如與線性電容串接或并接，以背對(duì)背或面對(duì)面方式連接等等。二、實(shí)驗(yàn)框圖圖5-12 環(huán)路部件特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)框圖1、測(cè)量鑒相特性鑒相器（PD）的作用是比較兩個(gè)輸入信號(hào)的相位，并將相位差轉(zhuǎn)換為誤差電壓。LM565的PD采用雙平衡乘法器。誤差電壓 ： 為相乘系數(shù)鑒相特性為正弦波特性。特性如圖5-13所示。圖5-13 鑒相特性曲線鑒相靈敏度在數(shù)值上等于誤差電壓峰值。測(cè)試原理圖如圖5-12所示，高頻信號(hào)源提供200400KHz信號(hào)，一路送至PD信號(hào)輸入端，另一路經(jīng)0° 360°移相后加至反饋輸入端。兩個(gè)信號(hào)相位差可用雙蹤示波器讀

14、取（也可用李沙育圖形法測(cè)量）。由于靜態(tài)改變，為直流電壓，其值可由LF對(duì)稱輸出端用直流電壓表測(cè)得。3、測(cè)量VCO的壓控特性由于LM565 的VCO控制端在內(nèi)部直接連接到直流放大器，不能用外加直流電壓來(lái)控制VCO的頻率。前面在測(cè)量鑒相特性時(shí)，提供了大小變化的控制電壓，用頻率計(jì)測(cè)得相應(yīng)的振蕩頻率。壓控靈敏度 可根據(jù)測(cè)得的曲線求得。 rad/s·v四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、打開(kāi)各相關(guān)單元實(shí)驗(yàn)?zāi)K的電源開(kāi)關(guān)。2、從“信號(hào)輸入”端輸入信號(hào)（正弦波幅度為400mVP-P，頻率為200400KHz）。將“移相輸出”端和“反饋輸入”端相連，移相輸出信號(hào)的幅度為1VP-P。用雙蹤示波器分別觀察“信號(hào)輸入”端

15、和“反饋輸入”端的波形。參考移相器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)二中的波段開(kāi)關(guān)的電位器，使相位差滿足下表的要求，讀出直流電壓表和頻率計(jì)的數(shù)據(jù)填入下表。為提高測(cè)量精度，上述過(guò)程可反復(fù)進(jìn)行幾次。相位差（示波器 °） （直流電壓表讀數(shù)V）頻率計(jì)讀數(shù)（KHz）1231230306090120150180210240270300330360注意：“反饋輸入”信號(hào)的幅度可通過(guò)移相器的幅度調(diào)節(jié)電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。使在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中保證“信號(hào)輸入”端和“反饋輸入”端信號(hào)的幅度和頻率保持不變。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1、整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫(huà)出鑒相特性和壓控特性的曲線。2、確定K0， Kd并計(jì)算環(huán)路增益K。3、對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論的差異進(jìn)

16、行分析。實(shí)驗(yàn)三 鎖相環(huán)路靜態(tài)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握用常規(guī)儀表測(cè)量鎖相環(huán)路工作特性的方法。2、加深對(duì)環(huán)路工作過(guò)程和基本特性的理解。二、實(shí)驗(yàn)儀器1、EE1642B型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器/計(jì)數(shù)器 1臺(tái)2、6504雙蹤示波器 鎖相技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱 三、實(shí)驗(yàn)原理和電路說(shuō)明1、實(shí)驗(yàn)框圖圖6-1 鎖相環(huán)路靜態(tài)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)框圖2、鎖定狀態(tài)的觀察與測(cè)量由鎖相理論可知，對(duì)于固有頻率輸入信號(hào)，當(dāng)固有頻差小于（及等于）捕獲帶時(shí)，環(huán)路能夠?qū)λ东@并鎖定。鎖定狀態(tài)的基本特征是:，常數(shù)誤差電壓與控制電壓均為直流，而且輸入信號(hào)與VCO輸出信號(hào)相位相干且同頻率，用雙蹤示波器觀察信號(hào)可以看到兩個(gè)清晰的同頻信號(hào)，如圖6-2所示。輸入

17、信號(hào)與VCO輸出信號(hào)的相位差為：當(dāng)時(shí)，。兩信號(hào)相位差為90°。圖6-2 輸入信號(hào)和VCO輸出信號(hào)波形圖3、當(dāng)固有頻差大于環(huán)路同步帶時(shí)，環(huán)路失鎖，環(huán)路處于差拍振蕩狀態(tài)，其特征是：波形不對(duì)稱交變振蕩，如圖6-3所示。輸入信號(hào)與VCO輸出信號(hào)相位不相干，雙蹤示波器顯示波形模糊。圖6-3 波形圖4、環(huán)路能由失鎖狀態(tài)進(jìn)入鎖定的最大固有頻差叫捕獲帶，環(huán)路能維持鎖定最大固有頻差叫同步帶。圖6-4示出了兩個(gè)性能指標(biāo)的定義及測(cè)試方法。通過(guò)調(diào)節(jié)頻率粗調(diào)和頻率細(xì)調(diào)選擇一個(gè)固有頻率點(diǎn)，由低往高緩緩調(diào)節(jié)信號(hào)源的頻率。環(huán)路由失鎖到鎖定，此點(diǎn)頻率記作。繼續(xù)向高調(diào)節(jié)頻率，直到環(huán)路由鎖定到失鎖，該點(diǎn)頻率記作。將信號(hào)源

18、頻率由此點(diǎn)往低調(diào)節(jié)，調(diào)到再次鎖定時(shí)，此點(diǎn)頻率記作。繼續(xù)向低調(diào)節(jié)頻率直到失鎖時(shí)，此點(diǎn)頻率記作。為提高測(cè)量精度，上述過(guò)程可反復(fù)進(jìn)行幾次。圖6-4是根據(jù)環(huán)路電壓Ud與頻率的關(guān)系畫(huà)出的同步帶和捕捉帶示意圖。圖中 、與實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的、一一對(duì)應(yīng)。這樣，同步帶 捕捉帶 5、環(huán)路在失鎖狀態(tài)。誤差電壓為不對(duì)稱交變信號(hào)，其中所包含的直流分量將使VCO的振蕩頻率不再是時(shí)的固有頻率，而是來(lái)回改變的，并且其平均頻率向著靠近了一個(gè)值，這就是對(duì)于VCO 的頻率牽引現(xiàn)象，VCO的平均頻率與參考輸入信號(hào)頻率的關(guān)系曲線如圖6-5所示。其中： 45°線表示鎖定狀態(tài)； 箭頭表示變化的方向。圖6-4 同步帶和捕捉帶示意圖圖6-

19、5 牽引特性曲線圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、打開(kāi)各相關(guān)單元實(shí)驗(yàn)?zāi)K的電源開(kāi)關(guān)。2、將“VCO輸出”與“反饋輸入”用導(dǎo)線短接。3、同時(shí)將直流電壓表和示波器按照實(shí)驗(yàn)框圖連接好。4、從“信號(hào)輸入”端輸入高頻正弦信號(hào)，調(diào)節(jié)高頻信號(hào)源的頻率使環(huán)路分別處于鎖定和失鎖狀態(tài)，用雙蹤示波器分別觀察“信號(hào)輸入”端和“反饋輸入”端（或“VCO輸出”端）的波形，并且記錄波形。在“解調(diào)輸出”端觀察的波形并記錄。5、用頻率計(jì)測(cè)量“VCO頻率輸出”端的頻率，調(diào)節(jié)高頻信號(hào)源的頻率，測(cè)定環(huán)路的同步帶和捕捉帶范圍。6、在測(cè)定牽引特性曲線時(shí)，為了保證環(huán)路處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，應(yīng)緩慢地改變，另外為使特性對(duì)稱，首先將VCO的固定頻率置于所工作頻段中點(diǎn)，即 當(dāng)參考輸入電平時(shí)，系統(tǒng)處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，VCO的振蕩頻率即為，改變頻率細(xì)調(diào)電位器可測(cè)得所選擇頻段的、 及。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1、整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫(huà)出相應(yīng)的曲線。2、對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論的差異進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)四 鎖相環(huán)應(yīng)用實(shí)驗(yàn) 頻率合成實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握鎖相環(huán)用作頻率合成器的工作原理。2、加深對(duì)環(huán)路基本特性的理解。二、實(shí)驗(yàn)儀器1、EE1642B型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器/計(jì)數(shù)器 1臺(tái)2、6504雙蹤示波器 鎖相技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱 三、實(shí)驗(yàn)原理和電路說(shuō)明1、基本實(shí)驗(yàn)原理應(yīng)用鎖相環(huán)路的頻率合成方法稱為間接合成。它是目前應(yīng)用最為廣泛的一種頻率合成方法。鎖相頻率合成的基本框圖如圖8-1。在