實驗八-模擬鎖相環(huán)應用實驗

1、實臉報告實驗名稱模擬鎖相環(huán)應用實驗成績姓名馬曉恬專業(yè)班級電信081實驗日期學號042指導教師劉富強提交報告日期一、實驗目的1、掌握模擬鎖相環(huán)的組成及工作原理。2、學習用集成鎖相環(huán)構(gòu)成鎖相解調(diào)電路。3、學習用集成鎖相環(huán)構(gòu)成鎖相倍頻電路。二. 實驗內(nèi)容1、完成鎖相環(huán)解調(diào)實驗，觀察輸出端解調(diào)波形。2、完成鎖相環(huán)倍頻實驗，觀察輸出端波形，并測量其頻率。三. 實驗儀器20MHz雙蹤模擬示波器一臺四、實驗原理1、鎖相環(huán)路的基本組成鎖相環(huán)是一種以消除頻率誤差為目的的反饋控制電路，但它的基本原理是利用相位誤差 電壓去消除頻率誤差，所以當電路達到平衡狀態(tài)之后，雖然有剩余相位誤差存在，但頻率誤 差可以降低到零，從

2、而實現(xiàn)無頻差的頻率跟蹤和相位跟蹤。鎖相環(huán)由三部分組成，如圖8-1所示。圖8-1鎖相環(huán)組成方框圖它包含壓控振蕩器（VC0）,鑒相器（pd）和環(huán)路濾波器（LF）三個基本部件，三者組成 一個閉合環(huán)路，輸入信號為匕（/）,輸出信號為（/）,反饋至輸入端。下面逐一說明基本 部件的作用。（I）壓控振蕩器（VCO）VC0是本控制系統(tǒng)的控制對象，被控參數(shù)通常是其振蕩頻率，控制信號為加在YC0上的 電壓，故稱為壓控振蕩器，也就是一個電壓一頻率變換器，實際上還有一種電流一頻率變換 器，但習慣上仍稱為壓控振蕩器。(2) 鑒相器(PD)PD是一相位比較裝置，用來檢測輸出信號(f)與輸入信號匕(/)之間的相位差？(/)

3、, 并把0(/)轉(zhuǎn)化為電壓匕(/)輸出，©(f)稱為誤差電壓，通常嶺(/)為一直流量或一低頻 交流量。(3) 環(huán)路濾波器(LF)LF為一低通濾波電路，其作用是濾除因PD的非線性而在匕(“中產(chǎn)生的無用的組合頻 率分量及干擾，產(chǎn)生一個只反映Q(f)大小的控制信號Vc(t).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0(/),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)LF濾波后得到匕“)，由匕(/)去改變VCO的振蕩頻率使趨近于輸入 信號的頻率，最后達到相等。環(huán)路達到最后的這種狀態(tài)就稱為鎖定狀態(tài)，當然由于

4、控制信號 正比于相位差，即因此在鎖定狀態(tài)，0(/)不可能為0,換有之在鎖定狀態(tài)“)與(/)仍存在相位差。92、鎖相環(huán)路的兩種調(diào)節(jié)過程鎖相環(huán)路有兩種不同的自動調(diào)節(jié)過程：一是跟蹤過程，二是捕捉過程。(1) 環(huán)路的跟蹤過程在環(huán)路鎖定之后，若輸入信號頻率發(fā)生變化，產(chǎn)生了瞬時頻差，從而使瞬時相位差發(fā)生 變化，則環(huán)路將及時調(diào)節(jié)誤差電壓去控制VC0,使VC0輸出信號頻率隨之變化，即產(chǎn)生新的 控制頻差，VC0輸出頻率及時跟蹤輸入信號頻率，當控制頻差等于固有頻差時，瞬時頻差再 次為零，繼續(xù)維持鎖定，這就是跟蹤過程，在鎖定后能夠繼續(xù)維持鎖定所允許的最大固有角 頻差嗎"，的兩倍稱為跟琮帶或同步帶。(2)

5、環(huán)路的捕捉過程環(huán)路由失鎖狀態(tài)進入鎖定狀態(tài)的過程稱為捕捉過程。設/ = 0時環(huán)路開始閉合，此前輸入信號角頻率氣不等于VC0輸出振蕩角頻率叭,。(因 控制電壓4=0),環(huán)路處于失鎖狀態(tài)。假定叫是一定值，二者有一瞬時角頻差 嗎=ivr. - ivw ,瞬時相位差說隨時間線性增大，因此鑒相器輸出誤差電壓 (4(/)=好兀山帀將是一個周期為2/Au-的正弦函數(shù)，稱為正弦差拍電壓。所謂差拍電 壓是指其角頻率(此處是叫)為兩個角頻率(此處是叫與"0)的差值，角頻差叫的 數(shù)值大小不同，環(huán)路的工作情況也不同。若叫較小，處于環(huán)路濾波器的通頻帶內(nèi)，則差拍誤差電壓“,(/)能順利通過環(huán)路濾波 器加到Y(jié)CO上

6、，控制VCO的振蕩頻率，使其隨差拍電壓的變化而變化，所以VCO輸出是一個 調(diào)頻波，即叫將在叫。上下擺動。由于邸較小，所以叫(/)很容易擺動到叱，環(huán)路進 入鎖定狀態(tài)，鑒相器將輸出一個與穩(wěn)態(tài)相位差對應的直流電壓，維持環(huán)路動態(tài)平衡。若瞬時角頻差數(shù)值較大，則差拍電壓h.(z)的頻率較高，它的幅度在經(jīng)過環(huán)路濾波 器時可能受到一些衰減，這樣VCO的輸出振蕩角頻率Wv(r)上下擺動的范圍也將減小一些， 故需要多次擺動才能靠近輸入角頻率IV.(r),即捕捉過程需要許多個差拍周期才能完成，因 此捕捉時間較長，若嗎太大，將無法捕捉到，環(huán)路一直處于失鎖狀態(tài)。能夠由失鎖進入鎖 定所允許的最大固有角頻差的兩倍稱為環(huán)路的

7、捕捉帶。3、集成鎖相環(huán)NE564介紹及應用(1) 在本實驗中，所使用的鎖相環(huán)為NE564 (國產(chǎn)型號為L564)是一種工作頻率可高 達50MF1Z的超高頻集成鎖相環(huán)。其內(nèi)部框圖和腳管定義如圖8-2。 其內(nèi)部電路原理圖如圖8-3oa、在圖8-2 (a)中，Al (LIMITER)為限幅放大器，它主要由原理圖中的Q1Q5及 Q8, Q7組成。Q1Q5組成PNP, NPN互補的共集一共射組合差分放大器，由于Q2, Q3負載 并聯(lián)有肖特基二極管DI, D2,故其雙端輸出電壓被限幅在2Vd = 0.3 - 0.4v左右。因此可 有效消除FM信號輸入時，干擾所產(chǎn)生的寄生調(diào)幅。Q7, Q8為射極輸出差放，以

8、作緩沖，其 輸出信號送鑒相器。(a)NE564內(nèi)部框圖GW>LOOP GAIN CONTROL 2BIAS FILTER 7INPUT TO PHASE COMPFROM VCOLOOP FILTER *LOOP FILTER 5FM«F INPUT V9TTL OUTPUT HYSTERESIS SET ANALOG OUT FREQ. SET CAP FREQ. SET CAP VCO OUT 2WVCO OUTTTL(b)NE564管腳分布圖圖8-2鎖相環(huán)內(nèi)部框圖和引腳圖OC1I說I*n4常ILDllOHIII QW I' 11 汕IIIIIIIIihr!SCHM

9、ITT TRIGGERib、鑒相PD (PHASE COMPARATOR)采用普通雙差分模擬相乘器，由壓控振蕩器反饋過 來的信號從外部由端輸入。另外由端去改變雙差分電路的偏置電流，控制鑒相器增益, 從而實現(xiàn)環(huán)路增益控制。圖8-3鎖相環(huán)內(nèi)部電路原理圖C、壓控振蕩器VCONE564的壓控振蕩器是一改進型的射極定時多諧振蕩器。主電路由Q21, Q22與Q23, Q24 組成。其中Q22, Q23兩射極通過，(13)端外接定時電容Cf , Q21.Q24兩射極分別經(jīng)電阻忌2， 尺牛接電源Q27, Q25。Q26也為電流源。Q17, Q18為控制信號輸入緩沖級。接通電源，Q21,Q22與Q23, Q24

10、雙雙輪流導通與截止，電容C,周期地充電與放電，于是Q22, Q23集電極 輸出極性相反的方波脈沖。根據(jù)特定設計，固有振蕩頻率為/() «116 心 C,其中/?2() = 100Q 人為VCO振蕩頻率d、輸出放大器A2 (AMPLIFIER)與直流恢復電路A2與直流恢復電路是專為解調(diào)FH信號與FSK信號而設計的。輸出放大器A2由Q37.Q38, Q39組成，顯然這是一恒流源差分放大電路，來自鑒相器的誤差電壓由，端輸入，經(jīng)緩 沖后，雙端送入A2放大。直流恢復電路由Q42, Q43, Q44等組成，電流源Q40作Q43的有 源負載。若環(huán)路的輸入為FSK信號一一即頻率在£與厶之間

11、周期性班變的信號，則鑒相器的輸 出電壓A2放大后分兩路，一路直接送施密特觸發(fā)黠的輸入，另一路送直流恢復電路Q42基 極，由于Q43集電極通過(14)端外接一濾波電容，故直流恢復電路的輸出電壓就是一個平均值 直流。這個直流電壓人防再送施密特觸發(fā)器另一輸入端就作為基準電壓。若環(huán)路的輸入為FM信號，那么在鎖定狀態(tài)，(端的電壓就是FM解調(diào)信號。e、施密特觸發(fā)器(POST DETECTION PROCESSOR)施密特觸發(fā)器是專為解調(diào)FSK信號而設計的，其作用就是將模擬信號轉(zhuǎn)換成TTL數(shù)字信 號。直流恢復輸出的直流電壓基準匕巧(經(jīng)心到Q49基極)與被A2放大了的誤差電壓匕“ 分別送入Q49和Q50的基極

12、，與人防進行比較，當"伽 匕肋時，則Q50導通，Q49截 止，從而迫使Q54截止，Q55導通，于是(端輸出低電平。當匕腫匕好時，Q49導通Q50 截止，從而迫使Q54導通Q55截止，(16)端輸出高電平。通過Q5)端改變Q52的電流大小，可改 變觸發(fā)器上下戳轉(zhuǎn)電平，上限電平與下限電平之差也稱為滯后電壓。調(diào)節(jié)V可消除因載 波泄漏而造成的誤觸發(fā)而出現(xiàn)的FSK解調(diào)輸出，特別是在數(shù)據(jù)傳輸速率比較高的場合，并且 此時(端濾波電容不能太大。)NE564的主要參數(shù)如下：NE564的最高工作頻率為50MHz,最大鎖定范圍達土 12%/0,輸入阻抗大于50£G ,電 源工作電壓512V,典型

13、工作電壓為5V,典型工作電流為60mA,最大允許功耗為40mV；在 頻偏為±10%,中心頻率為5MHz時，解調(diào)輸出電壓可達140加匕_卩。輸入信號為有效值大于 或等于200加。(2) NE564基本應用電路(實驗原理圖)如附圖G5其中IC71及其外圍器件組成FM鎖相解調(diào)電路，IC31和IC32組成鎖相倍頻電路。在鎖相解調(diào)電路中，信號從第6腳經(jīng)交流耦合輸入，2腳作為壓控振蕩器增益控制端， 12腳和13腳外接定時電容，使振蕩在0.7MHz上，從14腳輸出調(diào)制信號經(jīng)運算放大器 IC72放大后輸出。在鎖相倍頻中，74LS393為分頻器，它由兩個完全相同單元組成（IC32A, IC32B）,分

14、 別可以進行2分頻，4分頻，8分頻，16分頻，如果將IC32A中的16分頻輸出與IC32B中 的時鐘輸入端相接則IC32B可以組成32分頻，64分頻，128分頻，256分頻。在本實驗中 參考信號為厶=50KHz，進行16、32. 64、128倍頻。NE564的VCO振蕩輸出信號（從9腳輸出）經(jīng)與&分壓（74LS393輸入信號不能大輸出仏=心于）由74LS393的1腳輸入，分頻后由NE564的3腳輸入，簡單的框圖如圖8-4。 參考輸入fK圖8-4鎖相倍頻框圖由NE564的3腳輸入的分頻信號與從NE564的6腳輸入的參考信號進行鑒頻，輸出誤差 電壓控制VCO,最終使VCO輸出f（）=NfK

15、的頻率，達到倍頻目的。在鎖相分頻電路中，7E564 的2腳為增益控制端，調(diào)節(jié)W31可改變同步帶大小。NE564的12腳和13腳跨接定時電容C, C值由下列算式確定。九1216/?C其中 /? = 100Q則C 116磯則當f0 =800KHz 時C«780PF（16 倍頻）f0 =1.6KHz 時C«390PF（32 倍頻）fo =:32KHz 時C«195PF （64 倍頻）fo =6AKHz 時CalOOPF （128 倍頻）在實際電路中，由于分布電容的存在應比計算值偏小。五、實驗內(nèi)容1、鎖相解調(diào)實驗原理圖如附圖G4,按下開關，K71,用MHz的調(diào)頻信號進行解

16、調(diào)電路實驗，從IN71處 輸入調(diào)頻信號（調(diào)頻信號由高頻信號源單元提供，參考高頻信號源和低頻信號源的使用，載 波信號大小為Vp-p=500mV左右.調(diào)制信號大小為VoP-p=lV左右，頻率為lKHzK從TT71觀 察輸出波形，微調(diào)CC70使VCO鎖定在，調(diào)節(jié)W71使輸出波形不失真，幅度最大。觀察調(diào)制 信號頻率大小（改變WD6）與調(diào)制頻偏大?。ǜ淖僕D2）對輸出信號的影響（當頻率計工作時, 輸出的解調(diào)信號可能會有抖動現(xiàn)象）。2、鎖相倍頻實驗如附圖G4（下圖由IC31, IC32組成）。鎖相環(huán)的外掛電容，根據(jù)所需輸出頻率的大小，由J31'J37選擇。以下提供的僅作為參 考。根據(jù)實際情況進行調(diào)

17、整。由IN31輸入50KHz的純載波（為正弦波信號，信號大小約Vp-p=2V,此信號由低頻信 號源部分提供，方法參見低頻信號源的使用），作為參考信號。（1）連接J38進行16倍頻實驗，根據(jù)計算的Ct值，通過連接J31, J32、J33等容值 的電容（參考連接為J31、J32）,改變Ct的大小使輸出信號鎖定到輸入信號上（鎖定時TT32 和IN31的頻率一樣），此時從H31處測得的信號頻率為16X50KHz=800KHz （74LS393的1 腳輸入信號保持在左右）。調(diào)節(jié)的方法為：用雙蹤示波器同時在IN31和TT32處觀察輸入信 號和分頻信號，調(diào)節(jié)Ct的大?。ㄈ绻鸗T32的波形頻率比IN31的高，

18、即周期大則應將電容 值減小，否則増大），當兩信號同頻時即鎖定輸出SOOKHz的信號。（2）連接J39進行32倍頻實驗（參考連接為J32、J33, TT31處的頻率為32X50=）； 連接J310進行64倍頻實驗（參考連接為J33、J34, TT31處的頻率為64X50=）,連接J311 進行128倍頻實驗（參考連接為處的頻率為128X50=）。進行倍頻連接時,J38、 J39、J310, J311四個連接器每次只能連一個。在應用中可根據(jù)需要適當改變Ct的值，輸 出分頻信號頻率偏高時增大電容，偏低時減小電容。（3）將鎖相倍頻電路接連16倍頻電路，觀察鎖相環(huán)鎖定、同步、跟蹤、失鎖和再同步 過程。首先使輸出信號鎖定在800KHz。用雙琮示波器的探頭分別測試輸入信號（在IN31處） 和分頻后的信號（在TT32處），示波器上同時顯示兩處的波形，TT32處的波形為方波。改變輸入信號仇的頻率（參考低頻信號源的使用），（1）先增大行觀察示波器上兩波形, 開始時，兩波形同步移動，此時處在同步跟蹤狀態(tài)。6增加到一定值時，只有輸入信號fR （正弦波）在移動。此時，處于失鎖狀態(tài)，記下此時的仇值。（2）再減小h直至進入鎖定 狀態(tài)（兩波同步移動）調(diào)節(jié)W31 （逆時針調(diào)節(jié)）。再增大仇值直至失鎖，記下h值，比較兩 次的&值，（3）重復步驟（2）,找