實(shí)驗(yàn)七、八 鎖相環(huán)調(diào)頻和解調(diào)實(shí)驗(yàn),頻率合成器實(shí)驗(yàn)

1、7實(shí)驗(yàn)11 鎖相調(diào)頻與鑒頻實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握鎖相環(huán)的基本概念。2. 了解集成電路CD4046的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理。3. 掌握由集成鎖相環(huán)電路組成的頻率調(diào)制電路/解調(diào)電路的工作原理。二、預(yù)習(xí)要求1. 復(fù)習(xí)反饋控制電路的相關(guān)知識(shí)。2. 鎖相環(huán)路的工作原理。三、實(shí)驗(yàn)儀器1. 高頻信號(hào)發(fā)生器2. 頻率計(jì)3. 雙蹤示波器4. 萬用表5. 實(shí)驗(yàn)板GPMK84、 鎖相環(huán)的構(gòu)成和基本原理 （1）鎖相環(huán)的基本組成 圖11-1是鎖相環(huán)的基本組成方框圖，它主要由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）組成。 圖11-1 鎖相環(huán)的基本組成 壓控振蕩器（VCO）VCO是本控制系統(tǒng)的控制對象，被控

2、參數(shù)通常是其振蕩頻率，控制信號(hào)為加在VCO上的電壓。所謂壓控振蕩器就是振蕩頻率受輸入電壓控制的振蕩器。 鑒相器（PD）PD是一個(gè)相位比較器，用來檢測輸出信號(hào)（t）與輸入信號(hào)（t）之間的相位差 (t)，并把(t)轉(zhuǎn)化為電壓輸出，稱為誤差電壓，通常作為一直流分量或一低頻交流量。 環(huán)路濾波器（LF）LF作為一低通濾波電路，其作用是濾除因PD的非線性而在中產(chǎn)生的無用組合頻率分量及干擾，產(chǎn)生一個(gè)只反映(t)大小的控制信號(hào)。4046鎖相環(huán)芯片包含鑒相器（相位比較器）和壓控振蕩器兩部分，而環(huán)路濾波器由外接阻容元件構(gòu)成。（2）鎖相環(huán)鎖相原理鎖相環(huán)是一種以消除頻率誤差為目的反饋控制電路，它的基本原理是利用相位誤

3、差電壓去消除頻率誤差。按照反饋控制原理，如果由于某種原因使VCO的頻率發(fā)生變化使得與輸入頻率不相等，這必將使與的相位差(t)發(fā)生變化，該相位差經(jīng)過PD轉(zhuǎn)換成誤差電壓。此誤差電壓經(jīng)過LF濾波后得到，由去改變VCO的振蕩頻率，使其趨近于輸入信號(hào)的頻率，最后達(dá)到相等。環(huán)路達(dá)到最后的這種狀態(tài)就稱為鎖定狀態(tài)。當(dāng)然由于控制信號(hào)正比于相位差，即正比于（t），因此在鎖定狀態(tài)，（t）不可能為零，換言之，在鎖定狀態(tài)與仍存在相位差。雖然有剩余相位誤差存大，但頻率誤差可以降低到零，因此環(huán)路鎖定時(shí)，壓控振蕩器輸出頻率與外加基準(zhǔn)頻率（輸入信號(hào)頻率）相等，即壓控振蕩器的頻率被鎖定在外來參考頻率上。（3）同頻帶與捕捉帶同步帶

4、是指從環(huán)路鎖定開始，改變輸入信號(hào)的頻率（向高或向低兩個(gè)方向變化），直到環(huán)路失鎖（ 由鎖定到失鎖），這段頻率范圍稱為同步帶。捕捉帶是指鎖相環(huán)處于一個(gè)固有的自由振蕩頻率，即處于失鎖狀態(tài)，當(dāng)從高端慢慢減小外加輸入信號(hào)頻率（初始頻率設(shè)置較高），直到環(huán)路鎖定，此時(shí)外加輸入信號(hào)頻率就是同步帶的最高頻率。當(dāng)從低端慢慢增加外加輸入信號(hào)頻率（初始頻率設(shè)置較低），直到環(huán)路鎖定，此時(shí)外加輸入信號(hào)頻率就是捕捉帶的最低頻率。捕捉帶為-。五、實(shí)驗(yàn)電路說明調(diào)頻是用調(diào)制信號(hào)直接線性地改變載波振蕩的瞬時(shí)頻率，既使載波振蕩頻率隨調(diào)制信號(hào)的失真變化而變化。其逆過程為頻率解調(diào)（也稱頻率檢波或鑒頻）。本實(shí)驗(yàn)是用CD4046數(shù)字集成鎖相

5、環(huán)（PLL）來實(shí)現(xiàn)調(diào)頻/解調(diào)（鑒頻）的。有關(guān)數(shù)字集成鎖相環(huán)CD4046的內(nèi)部構(gòu)成和工作原理請參閱相關(guān)內(nèi)容的書籍。鎖相環(huán)（4046）的結(jié)構(gòu)框圖及引出端功能圖如下圖所示。1. 用鎖相環(huán)（集成）構(gòu)成的調(diào)頻/解調(diào)（鑒頻）電路（1）鎖相環(huán)調(diào)頻原理注：由于載波信號(hào)頻率相對于調(diào)制信號(hào)頻率高的多，故載波信號(hào)頻率稱為所謂的高頻（只是相對而言），而調(diào)制信號(hào)頻率則相對應(yīng)的稱為低頻。 將調(diào)制信號(hào)加到壓控振蕩器（VCO）的控制端，使壓控振蕩器的輸出頻率（在自振頻率（中心頻率）f0上下）隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化，于是生成了調(diào)頻波。當(dāng)載波頻率與壓控振蕩頻率相近時(shí)，載波頻率與壓控振蕩器的振蕩頻率鎖定。低通濾波器只保證壓控振蕩器

6、中心振蕩頻率與載波頻率鎖定時(shí)所產(chǎn)生的相位誤差電壓通過，該電壓與調(diào)制信號(hào)同經(jīng)加法器，用以控制壓控振蕩器的頻率，從而獲得與載波頻率具有同樣頻率穩(wěn)定度的調(diào)頻波。（2）鎖相環(huán)解調(diào)原理鑒相器PID壓控振蕩器VCO低通濾波器R15C6FM波解調(diào)輸出CD4046(3)(4)(14)(2)(9)鎖相環(huán)解調(diào)電路原理框圖跟隨器調(diào)頻波（經(jīng)過放大器放大后）與壓控振蕩器的輸出被送入鑒頻器，經(jīng)鑒相獲得變化著的相位誤差電壓，該誤差電壓通過低通濾波器被濾掉其高頻成份，繼而獲得隨調(diào)制信號(hào)頻率變化而變化的信號(hào)，經(jīng)跟隨器得到解調(diào)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了解調(diào)（鑒頻）過程。2. 鎖相環(huán)振蕩頻率f0、同步帶與捕捉帶的測量方法。（1）自振頻率f0

7、的測量 用示波器觀測腳的輸出波形（方波），用頻率計(jì)測量自振頻率f0。（2）鎖定的判斷 腳（SIGNin）輸入方波信號(hào)，用示波器觀察腳（PC1out）的波形，如鎖定，可得到一個(gè)穩(wěn)定的矩形脈沖；若腳輸入信號(hào)頻率與壓控振蕩器的振蕩頻率相等，則腳輸出為穩(wěn)定地兩倍頻方波信號(hào)。（3）同步帶寬（鎖定范圍）和捕捉帶寬（捕捉范圍）的測量 腳輸入一個(gè)方波信號(hào)（最好用頻率計(jì)檢測），其頻率與f0（VCO自振頻率）相同。Ø 改變腳輸入信號(hào)頻率，使頻率逐漸降低，直至腳（或腳）輸出方波剛好不穩(wěn)定時(shí)，環(huán)路進(jìn)入失鎖狀態(tài)，該點(diǎn)頻率定義為同步帶的下限頻率“f1”。Ø 改變腳輸入信號(hào)頻率，由f1開始頻率逐漸增加，

8、直至腳輸出方波剛好再次穩(wěn)定時(shí)，環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)，該點(diǎn)頻率定義為捕捉帶的下限頻率“f2”。Ø 改變腳輸入信號(hào)頻率，由f2開始頻率逐漸增加，直至腳輸出方波剛好再次不穩(wěn)定時(shí)，環(huán)路進(jìn)入失鎖狀態(tài)，該點(diǎn)頻率定義為同步帶的上限頻率“f4”。Ø 改變腳輸入信號(hào)頻率，由f4開始頻率逐漸降低，直至腳輸出方波剛好穩(wěn)定時(shí)，環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)，該點(diǎn)頻率定義為捕捉帶的上限頻率“f3”。 由以上可計(jì)算出： 同步帶寬為：f4-f1 捕捉帶寬為：f3-f2 3. 實(shí)驗(yàn)電路說明相關(guān)概念前面已分析清楚。這里需要說明的是當(dāng)要測量壓控振蕩器的自振頻率時(shí)，必須先將IN1短路，當(dāng)要測量壓控振蕩器的同步帶和捕捉帶時(shí)，必須將

9、IN2短路。由于電路是環(huán)路鎖相，改變?yōu)V波器參數(shù)既可改變VCO的自振頻率，因此調(diào)節(jié)RP1或RP2可改變VCO的自振頻率。當(dāng)改變C3、C4、R11、R12、R13、R14也可在較大范圍內(nèi)改變VCO的輸出頻率。六、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1. 調(diào)頻鎖相環(huán)部分的測試（1）鎖相環(huán)自振頻率f0的測量 將IN1、IN2分別對地短路，調(diào)節(jié)電位器RP1至適中位置，測量D端直流電壓（近似電源電壓的1/2），用示波器觀察鎖相環(huán)輸出OUT1端的波形。記錄波形特性、頻率、幅度，填入下表。OUT1端鎖相環(huán)自振波形波形特性頻率（KHz）幅度（VP-P） 觀察相位比較器（鑒相器）B端的波形，將測量結(jié)果填入下表。B端相位比較器的輸出波形

10、波形特性頻率（KHz）幅度（VP-P）相差（不做要求） 觀察鑒相器輸出C端的預(yù)積分波形，將測量結(jié)果填入下表。C端鑒相器輸出預(yù)積分波形波形特性頻率（KHz）幅度（VP-P）相差（不做要求）觀察壓控振蕩器輸入D端的波形，將測量結(jié)果填入下表。D端鑒相器輸出積分波形波形特性頻率（KHz）幅度（VP-P）相差（不做要求）（2）鎖定的判斷將信號(hào)發(fā)生器輸出的方波信號(hào)（幅度3.5VP-P，頻率為自振頻率f0）加到載波輸入IN1端，用雙蹤示波器同時(shí)觀測鎖相環(huán)OUT1端和A端的波形（即鎖相環(huán)的腳和腳）。如波形穩(wěn)定表示頻率被鎖定。改變信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)頻率，可發(fā)現(xiàn)在較大范圍內(nèi)鎖相環(huán)均能鎖定。記錄測量結(jié)果。思考：當(dāng)

11、頻率鎖定時(shí)，觀測OUT1端和B端出現(xiàn)什么現(xiàn)象？如何解釋？（3）測量同步帶寬（鎖定范圍）和捕捉帶寬（捕捉范圍）觀測A端和OUT1端，改變信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率（即載波頻率）Ø 調(diào)節(jié)載波信號(hào)頻率（輸入IN1），由自振頻率f0開始逐漸緩慢降低，直至（VCOout端）波形抖動(dòng)（即：失鎖），記錄此時(shí)的載波輸入信號(hào)頻率f1（下限失鎖頻點(diǎn)）。Ø 調(diào)節(jié)載波信號(hào)頻率，由f1開始逐漸緩慢增加，直至（VCOout端）波形不抖動(dòng)（即：鎖定），記錄此時(shí)的載波輸入信號(hào)頻率f2（下限鎖定頻點(diǎn)）。Ø 調(diào)節(jié)載波信號(hào)頻率，由f2開始逐漸緩慢增加，直至（VCOout端）波形抖動(dòng)（即：失鎖），記錄此時(shí)的載

12、波輸入信號(hào)頻率f4（上限失鎖頻點(diǎn)）。同步帶寬（鎖定范圍）=f4-f1Ø 調(diào)節(jié)載波信號(hào)頻率，由f4開始逐漸緩慢降低，直至（VCOout端）波形不抖動(dòng)（即：鎖定），記錄此時(shí)的載波輸入信號(hào)頻率f3（上限鎖定頻點(diǎn)）。 捕捉帶寬（捕捉范圍）=f3-f22. 解調(diào)部分的測試（1）鎖相環(huán)自振頻率的測量 調(diào)節(jié)電位器RP2至適中位置，測量G端直流電壓，用示波器觀察鎖相環(huán)輸出E端的波形。記錄波形特性、頻率、幅度，填入下表。E端鎖相環(huán)自振波形波形特性頻率（KHz）幅度（VP-P）觀察相位比較器（鑒相器）F端的波形，將測量結(jié)果填入下表。F端相位比較器的輸出波形波形特性頻率（KHz）幅度（VP-P）觀察壓控振

13、蕩器輸入G端的波形，將測量結(jié)果填入下表。G端鑒相器輸出積分波形波形特性頻率（KHz）幅度（VP-P）（2）鎖定的判斷將信號(hào)發(fā)生器輸出的方波信號(hào)（幅度3.5VP-P，頻率為自振頻率f0）加到載波輸入IN1端，連接A端和IN3端，用雙蹤示波器同時(shí)觀測鎖相環(huán)E端和A端的波形。如波形穩(wěn)定表示頻率被鎖定。改變信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)頻率，可發(fā)現(xiàn)在較大范圍內(nèi)鎖相環(huán)均能鎖定。記錄測量結(jié)果。思考：鎖定時(shí)觀測A端和F端的波形，有何結(jié)論，如何分析？ （3）測量同步帶寬（鎖定范圍）和捕捉帶寬（捕捉范圍） 觀測A端和E端，改變信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率（即載波頻率）Ø 調(diào)節(jié)載波信號(hào)頻率（輸入IN1），由自振頻率f0開

14、始逐漸緩慢降低，直至（E端）波形抖動(dòng)（即：失鎖），記錄此時(shí)的載波輸入信號(hào)頻率f1（下限失鎖頻點(diǎn)）。Ø 調(diào)節(jié)載波信號(hào)頻率，由f1開始逐漸緩慢增加，直至（E端）波形不抖動(dòng)（即：鎖定），記錄此時(shí)的載波輸入信號(hào)頻率f2（下限鎖定頻點(diǎn)）。Ø 調(diào)節(jié)載波信號(hào)頻率，由f2開始逐漸緩慢增加，直至（E端）波形抖動(dòng)（即：失鎖），記錄此時(shí)的載波輸入信號(hào)頻率f4（上限失鎖頻點(diǎn)）。同步帶寬（鎖定范圍）=f4-f1Ø 調(diào)節(jié)載波信號(hào)頻率，由f4開始逐漸緩慢降低，直至（E端）波形不抖動(dòng)（即：鎖定），記錄此時(shí)的載波輸入信號(hào)頻率f3（上限鎖定頻點(diǎn)）。捕捉帶寬（捕捉范圍）=f3-f23. 觀測系統(tǒng)的調(diào)頻

15、情況IN1端輸入幅值為3.5VP-P，頻率與自振頻率相同的方波信號(hào)（定義為載波）。IN2端輸入幅值為0.4VP-P，頻率1KHz的正弦波信號(hào)（定義為調(diào)制波）。用雙蹤示波器仔細(xì)觀測OUT1和IN2端，為了可清楚地觀看到調(diào)頻波的疏密變化，可微調(diào)調(diào)制信號(hào)的頻率。4. 觀測系統(tǒng)的解調(diào)（鑒頻）情況保持第3步的狀態(tài)，聯(lián)結(jié)OUT1端與IN3端（即將調(diào)頻波接入解調(diào)電路），用示波器觀測IN2和OUT2，可清楚地觀察到頻率為1KHz的正弦波（即解調(diào)出的波形），可同時(shí)與IN2的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行比較，其相位和頻率相同。七、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)用雙蹤示波器觀察波形時(shí)要注意波形的鎖定，通常是用低頻信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)，這樣更容易觀測到波

16、形。八、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1. 整理所觀測到的波形與數(shù)據(jù)。繪制相應(yīng)的波形圖。2. 分析鎖相環(huán)調(diào)頻時(shí)，外加載波信號(hào)頻率與壓控振蕩器的中心頻率，哪個(gè)頻率穩(wěn)定度要求較高？ 3. 簡述實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)調(diào)頻與鑒頻的方法。4. 鎖相環(huán)調(diào)頻與鎖相環(huán)鑒頻均有低通濾波器，說明它們有何不同？5. 什么因素會(huì)影響到鎖相和捕捉帶寬？（濾波器-積分常數(shù)）8實(shí)驗(yàn)12 鎖相式數(shù)字頻率合成器實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 進(jìn)一步加深對鎖相環(huán)工作的基本原理。2. 掌握鎖相式數(shù)字頻率合成電路的工作原理。二、預(yù)習(xí)要求復(fù)習(xí)反饋控制電路的相關(guān)知識(shí)。三、實(shí)驗(yàn)儀器1. 雙蹤示波器2. 頻率計(jì)四、實(shí)驗(yàn)電路說明鎖相式數(shù)字頻率合成電路結(jié)構(gòu)框圖見下圖。 圖12-1頻率合成

17、器結(jié)構(gòu)框圖1. 鎖相式數(shù)字頻率合成電路的組成及工作原理頻率合成技術(shù)是現(xiàn)代通信對頻率源的頻率穩(wěn)定與準(zhǔn)確度，頻率純度及頻帶利用率提出越來越高的要求的產(chǎn)物。它能夠利用一個(gè)高穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)頻率源（如晶體振蕩器）合成出大量具有同樣性能的離散頻率。直接式鎖相頻率合成器構(gòu)成如圖12-1所示。圖中為高穩(wěn)定的參考脈沖信號(hào)（如晶體振蕩器輸出的信號(hào)）。壓控振蕩器（VCO）輸出經(jīng)N次分頻后得到頻率為的脈沖信號(hào)。和在鑒相器（PD）進(jìn)行比較，當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，則： = 因?yàn)椋?所以：1/N分頻電路是由三組可預(yù)制分頻電路完成，各組均由CD4522可編程二進(jìn)制4位1/N計(jì)數(shù)器組成，每組分頻可用“接入+5V的方法”以8421碼的形

18、式對技術(shù)器進(jìn)行預(yù)制，也可用單片機(jī)編程去控制，分頻比的選擇范圍為1999（針對三組分頻電路而言），總共可預(yù)置999個(gè)頻率點(diǎn)，它是構(gòu)成鎖相式數(shù)字頻率合成器的重要單元電路，即可編程分頻電路。 2. 實(shí)驗(yàn)電路使用的相位比較器和環(huán)路低通濾波器CD4046內(nèi)部有兩個(gè)相位比較器，其中相位比較器為異或門比較器，要使鎖相環(huán)范圍盡量大，一般要求兩個(gè)比較信號(hào)（進(jìn)入CD4046的腳和腳）的占空比必須為50%的方波，而相位比較器II為過沿控制式比較器，只由兩個(gè)信號(hào)的上升沿作用，所以不要求波形占空比必須為50%的方波。本實(shí)驗(yàn)電路的鎖相環(huán)電路與鎖相式數(shù)字頻率合成器電路二者均組合在一起，由于相位比較器的比較信號(hào)來自可編程分頻

19、電路，占空比不是50%的方波，所以本實(shí)驗(yàn)電路就選用了相位比較器II。它具有鑒頻和鑒相功能，當(dāng)兩輸入信號(hào)Ui和Uf頻率差較大時(shí)，環(huán)路從鑒相工作狀態(tài)自動(dòng)轉(zhuǎn)入鑒頻工作狀態(tài)，迫使ff逼近fi，當(dāng)ff=fi時(shí)，環(huán)路由鑒頻器工作狀態(tài)自動(dòng)轉(zhuǎn)入鑒相工作狀態(tài)，這種鑒相器將鑒頻與鑒相結(jié)合起來工作，的確很方便。 相位比較器II輸出的相位誤差電壓是周期性脈沖波形，需使用低通濾波器將其濾波平滑，得到一直流控制電壓，用來控制VCO（壓控振蕩器）的頻率和相位，使其向減小誤差的方向變化，從而消除頻差與相差，達(dá)到鎖定狀態(tài)。而高頻噪聲和其它交流諧波分量將被濾波器抑制。實(shí)驗(yàn)電路中的低通濾波器是由R、C元件組成的。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1. 實(shí)驗(yàn)說明（1） 連接A與A兩個(gè)端點(diǎn)，B與B兩個(gè)端點(diǎn)，由于本實(shí)驗(yàn)選用了相位比較器II，所以將D和E兩個(gè)端點(diǎn)連接。（2） 分頻數(shù)的設(shè)置：其中組一、組二、組三分別為可編程分頻電路的預(yù)置數(shù)選擇組件（每個(gè)分組的四個(gè)選擇端不接線為“0”，任和一端接5V均為“1”），（3）組四（電容C）和組五（電阻R）用來預(yù)置C和R的數(shù)值，不同組合得到不同的自振頻率和頻率合成范圍。CD4046自由振蕩頻率主要由外接電阻11腳R1、12腳R2和6、7腳之間C1決定，與其三者成反比關(guān)系，在電容C固定的情況下，CD4046的振蕩下限頻率主要由R2決定，而上限頻率則由R1、R2決