鎖相電路通信電子電路實(shí)驗(yàn).

1、通信電子電路實(shí)驗(yàn)通信電子電路實(shí)驗(yàn)u鎖相電路鎖相電路鎖相電路鎖相電路 掌握鎖相環(huán)的基本原理及集成鎖相環(huán)的組成和工作原理。學(xué)習(xí)并掌握鎖相環(huán)構(gòu)成鎖相倍頻電路輸出頻率的設(shè)置方法和測(cè)試方法。 了解鎖相環(huán)電路在電子學(xué)中的應(yīng)用。 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康逆i相環(huán)的基本原理鎖相環(huán)的基本原理 鎖相環(huán)是一種以消除頻率誤差為目的的鎖相環(huán)是一種以消除頻率誤差為目的的頻率反饋控制電路，它的基本原理是：兩個(gè)頻頻率反饋控制電路，它的基本原理是：兩個(gè)頻率不同的信號(hào)其相位誤差會(huì)連續(xù)增加（或減率不同的信號(hào)其相位誤差會(huì)連續(xù)增加（或減?。?，采用一種所謂小），采用一種所謂“鑒相器鑒相器”的電路將相位誤的電路將相位誤差轉(zhuǎn)換為誤差電壓，用誤差電壓去

2、控制其中一差轉(zhuǎn)換為誤差電壓，用誤差電壓去控制其中一個(gè)信號(hào)的頻率改變使得兩個(gè)信號(hào)的頻率趨于一個(gè)信號(hào)的頻率改變使得兩個(gè)信號(hào)的頻率趨于一致。所以當(dāng)電路達(dá)到平衡狀態(tài)之后，雖然有剩致。所以當(dāng)電路達(dá)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，余相位誤差存在，但頻率誤差可以降低到零，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)頻差的頻率跟蹤。從而實(shí)現(xiàn)無(wú)頻差的頻率跟蹤。 電路結(jié)構(gòu)：電路結(jié)構(gòu)：實(shí)驗(yàn)任務(wù)實(shí)驗(yàn)任務(wù): 鎖相環(huán)可用來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出和輸入兩個(gè)信號(hào)之間的相位同步。鎖相環(huán)可用來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出和輸入兩個(gè)信號(hào)之間的相位同步。1.當(dāng)沒(méi)有基準(zhǔn)（參考）輸入信號(hào)時(shí)，低通濾波器的輸出為零（或?yàn)槟骋还潭ㄖ担?。?dāng)沒(méi)有基準(zhǔn)（參考）輸入信號(hào)時(shí)，低通濾波器的

3、輸出為零（或?yàn)槟骋还潭ㄖ担?。這時(shí)，壓控振蕩器按其固有頻率這時(shí)，壓控振蕩器按其固有頻率fv進(jìn)行自由振蕩。進(jìn)行自由振蕩。2.當(dāng)有頻率為當(dāng)有頻率為fi的參考信號(hào)輸入時(shí)，的參考信號(hào)輸入時(shí)，Ui 和和Uo同時(shí)加到鑒相器進(jìn)行鑒相。如果同時(shí)加到鑒相器進(jìn)行鑒相。如果fi和和fo相差不大，鑒相器對(duì)相差不大，鑒相器對(duì)Ui 和和Uo進(jìn)行鑒相的結(jié)果，輸出一個(gè)與進(jìn)行鑒相的結(jié)果，輸出一個(gè)與Ui 和和Uo的相位差成正的相位差成正比的誤差電壓比的誤差電壓Uc。3.經(jīng)過(guò)低通濾波器濾去經(jīng)過(guò)低通濾波器濾去Uc中的高頻成分，輸出一個(gè)控制電壓中的高頻成分，輸出一個(gè)控制電壓Ud。4.Ud將使壓控振蕩器的頻率將使壓控振蕩器的頻率fo（和相

4、位）發(fā)生變化，朝著參考輸入信號(hào)的頻率靠攏，（和相位）發(fā)生變化，朝著參考輸入信號(hào)的頻率靠攏，最后使最后使fi= fo，環(huán)路鎖定。，環(huán)路鎖定。 環(huán)路一旦進(jìn)入鎖定狀態(tài)后，壓控振蕩器的輸出信號(hào)與環(huán)路的輸入信號(hào)（參考環(huán)路一旦進(jìn)入鎖定狀態(tài)后，壓控振蕩器的輸出信號(hào)與環(huán)路的輸入信號(hào)（參考信號(hào)）之間只有一個(gè)固定的穩(wěn)態(tài)相位差，而沒(méi)有頻差存在。這時(shí)我們就稱環(huán)路已信號(hào)）之間只有一個(gè)固定的穩(wěn)態(tài)相位差，而沒(méi)有頻差存在。這時(shí)我們就稱環(huán)路已被鎖定。被鎖定。鎖相環(huán)的工作過(guò)程 1）環(huán)路的跟蹤過(guò)程）環(huán)路的跟蹤過(guò)程 在環(huán)路鎖定之后，若輸入信號(hào)頻率發(fā)生變化，產(chǎn)生了瞬在環(huán)路鎖定之后，若輸入信號(hào)頻率發(fā)生變化，產(chǎn)生了瞬時(shí)頻差，從而使瞬時(shí)相位

5、差發(fā)生變化，則環(huán)路將及時(shí)調(diào)時(shí)頻差，從而使瞬時(shí)相位差發(fā)生變化，則環(huán)路將及時(shí)調(diào)節(jié)誤差電壓去控制節(jié)誤差電壓去控制VCO，使，使VCO輸出信號(hào)頻率隨之變化，輸出信號(hào)頻率隨之變化，即產(chǎn)生新的控制頻差，即產(chǎn)生新的控制頻差，VCO輸出頻率及時(shí)跟蹤輸入信號(hào)輸出頻率及時(shí)跟蹤輸入信號(hào)頻率，當(dāng)控制頻差等于固有頻差時(shí)，瞬時(shí)頻差再次為零，頻率，當(dāng)控制頻差等于固有頻差時(shí)，瞬時(shí)頻差再次為零，繼續(xù)維持鎖定，這就是跟蹤過(guò)程，在鎖定后能夠繼續(xù)維繼續(xù)維持鎖定，這就是跟蹤過(guò)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持鎖定所允許的最大固有角頻差w1m的兩倍稱為跟蹤的兩倍稱為跟蹤帶或同步帶。帶或同步帶。鎖相環(huán)的工作過(guò)程 2 )

6、環(huán)路的捕捉過(guò)程環(huán)路的捕捉過(guò)程 環(huán)路由失鎖狀態(tài)進(jìn)入鎖定狀態(tài)的過(guò)程稱為捕捉過(guò)程。環(huán)路由失鎖狀態(tài)進(jìn)入鎖定狀態(tài)的過(guò)程稱為捕捉過(guò)程。 設(shè)設(shè)t=0時(shí)環(huán)路開(kāi)始閉合，此前輸入信號(hào)角頻率時(shí)環(huán)路開(kāi)始閉合，此前輸入信號(hào)角頻率wi不等于不等于VCO輸出振蕩角頻率輸出振蕩角頻率wyo（因控制電壓（因控制電壓uc0）,環(huán)路處環(huán)路處于失鎖狀態(tài)。假定于失鎖狀態(tài)。假定wi是一定值，二者有一瞬時(shí)角頻差是一定值，二者有一瞬時(shí)角頻差w1wi-wyo，瞬時(shí)是相位差，瞬時(shí)是相位差w1隨時(shí)間線性增大，隨時(shí)間線性增大，因此鑒相器輸出誤差電壓因此鑒相器輸出誤差電壓ue（t）kbsinw1t將是一個(gè)將是一個(gè)周期為周期為2/w1的正弦函數(shù)，稱為正

7、弦差拍電壓。所謂的正弦函數(shù)，稱為正弦差拍電壓。所謂差拍電壓是指其角頻率（此處是差拍電壓是指其角頻率（此處是w1）為兩個(gè)角頻率）為兩個(gè)角頻率（此處是（此處是wi與與wyo）的差值，角頻差）的差值，角頻差w1的數(shù)值大小不的數(shù)值大小不同，環(huán)路的工作情況也不同同，環(huán)路的工作情況也不同。鎖相環(huán)的工作過(guò)程 若若w1較小，處于環(huán)路濾波器的通頻帶內(nèi)，則差拍誤差電壓較小，處于環(huán)路濾波器的通頻帶內(nèi)，則差拍誤差電壓ue（t）能順利通過(guò)環(huán)路濾波器加到）能順利通過(guò)環(huán)路濾波器加到VCO上，控制上，控制VCO的振的振蕩頻率，使其隨差拍電壓的變化而變化，所以蕩頻率，使其隨差拍電壓的變化而變化，所以VCO輸出是一輸出是一個(gè)調(diào)頻

8、波，即個(gè)調(diào)頻波，即wy（t）將在）將在wyo上下擺動(dòng)。由于上下擺動(dòng)。由于w1較小，較小，所以所以wy（t）很容易擺動(dòng)到）很容易擺動(dòng)到wi，環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)，鑒相器，環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)，鑒相器將輸出一個(gè)與穩(wěn)態(tài)相位差對(duì)應(yīng)的直流電壓，維持環(huán)路動(dòng)態(tài)平將輸出一個(gè)與穩(wěn)態(tài)相位差對(duì)應(yīng)的直流電壓，維持環(huán)路動(dòng)態(tài)平衡。衡。 若瞬時(shí)角頻差若瞬時(shí)角頻差w1數(shù)值較大，則差拍電壓數(shù)值較大，則差拍電壓ue（t）的頻率較）的頻率較高，它的幅度在經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器時(shí)可能受到一些衰減，這樣高，它的幅度在經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器時(shí)可能受到一些衰減，這樣VCO的輸出振蕩角頻率的輸出振蕩角頻率wy（t）上下擺動(dòng)的范圍也將減小一）上下擺動(dòng)的范圍也將減小一

9、些，故需要多次擺動(dòng)才能靠近輸入角頻率些，故需要多次擺動(dòng)才能靠近輸入角頻率wi（t）即捕捉過(guò)程）即捕捉過(guò)程需要許多個(gè)差拍周期才能完成，因此捕捉時(shí)間較長(zhǎng)，若需要許多個(gè)差拍周期才能完成，因此捕捉時(shí)間較長(zhǎng)，若w1太大，將無(wú)法捕捉到，環(huán)路一直處于失鎖狀態(tài)。能夠由失鎖太大，將無(wú)法捕捉到，環(huán)路一直處于失鎖狀態(tài)。能夠由失鎖進(jìn)入鎖定所允許的最大固有角頻差進(jìn)入鎖定所允許的最大固有角頻差w1m的兩倍稱為環(huán)路的的兩倍稱為環(huán)路的捕捉帶捕捉帶集成鎖相環(huán)4046的介紹及應(yīng)用CD4046的引腳排列，采用的引腳排列，采用16腳雙列直腳雙列直插式，各管腳功能：插式，各管腳功能： 1腳腳 相位輸出端，環(huán)路人鎖時(shí)為相位輸出端，環(huán)路人

10、鎖時(shí)為高電平，環(huán)路失鎖時(shí)為低電平。高電平，環(huán)路失鎖時(shí)為低電平。 2腳腳 相位比較器相位比較器的輸出端。的輸出端。 3腳腳 比較信號(hào)輸入端。比較信號(hào)輸入端。 4腳腳 壓控振蕩器輸出端。壓控振蕩器輸出端。 5腳腳 禁止端，高電平時(shí)禁止，低禁止端，高電平時(shí)禁止，低電平時(shí)允許壓控振蕩器工作。電平時(shí)允許壓控振蕩器工作。 6、7腳腳 外接振蕩電容。外接振蕩電容。 8、16 腳腳 電源的負(fù)端和正端。電源的負(fù)端和正端。 9腳腳 壓控振蕩器的控制端。壓控振蕩器的控制端。 10腳腳 解調(diào)輸出端，用于解調(diào)輸出端，用于FM解調(diào)。解調(diào)。 11、12腳腳 外接振蕩電阻。外接振蕩電阻。 13腳腳 相位比較器相位比較器的輸出

11、端。的輸出端。 14腳腳 信號(hào)輸入端。信號(hào)輸入端。15腳腳 內(nèi)部獨(dú)立的齊納穩(wěn)壓管負(fù)極。內(nèi)部獨(dú)立的齊納穩(wěn)壓管負(fù)極。 相位比較器（鑒相器）壓控振蕩器6.2V穩(wěn)壓二極管集成鎖相環(huán)4046的頻率設(shè)計(jì)方法 不使用R2時(shí)，VCO最高自由振蕩頻率（9端控制電壓為VDD時(shí)）為 )32(111maxpFCRf使用R2時(shí) )32(112minpFCRf)32(1)32(11112maxpFCRpFCRf其中R1、R2和C1的選擇在下述范圍內(nèi)較為合適：10KR11M,1K R21M,50pFC10.01F。鎖相環(huán)倍頻器電路 VCCCLR1CLK2A3B4C5D6ENP7GND8LOAD9ENT10QD11QC12Q

12、B13QA14RCO15VCC16U274LS161CLR1CLK2A3B4C5D6ENP7GND8LOAD9ENT10QD11QC12QB13QA14RCO15VCC16U374LS161123U1A74LS00VCCVCC1122334455667788161615151414131312121111101099K1SW-DIP8112233445566778899RP110K11Y2REF IN(TTL)11Y1VT INVCO IN9COMP IN3SIGN IN14VCO OUT4PC1 OUT2PC2 OUT13ZENER15DEM OUT10C1(1)6C1(2)7INH5PHA

13、SE PULSES1R111R212VDD16VSS8U4CD404612R52K12C2100P12R710K12R4100K12C61n12R82K12C31u12R32K112233J1JUMP212R91K12C41nVCC12R1010K12C547u456U1B74LS008910U1C74LS00+5V1A2KD1LED112233445566S1SW12R147011Y3VCO OUT(TTL)12R1110012R210012R610012C10.111G2AGND11G1AGNDVCC可變分頻器128KHz512KHz 32KHz128KHz 環(huán)路濾波器 通電后用示波器測(cè)量

14、通電后用示波器測(cè)量Y3輸出端的波形，應(yīng)為輸出端的波形，應(yīng)為TTL脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)。將一路穩(wěn)壓電源調(diào)整為將一路穩(wěn)壓電源調(diào)整為2.5V,加到加到Y(jié)1端（端（VCO頻率控制頻率控制端）。選擇跳線端）。選擇跳線J1為下方（頻段為下方（頻段1），用示波器測(cè)量），用示波器測(cè)量Y3輸輸出端的出端的TTL波形的頻率，頻率約為波形的頻率，頻率約為34KHz。調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源。調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源的電壓從的電壓從1.5V4.5V變化，每隔變化，每隔1V為一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)量為一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)量Y3輸出端輸出端TTL波形的頻率。波形的頻率。 實(shí)驗(yàn)任務(wù)實(shí)驗(yàn)任務(wù): VCO自由振蕩頻率測(cè)試自由振蕩頻率測(cè)試選擇跳線選擇跳線J1為上方（頻段

15、為上方（頻段2），重復(fù)上述過(guò)程，），重復(fù)上述過(guò)程，Y3輸出輸出端端TTL波形的中心頻率為波形的中心頻率為255KHz，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源的電，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源的電壓從壓從1.5V4.5V變化，每隔變化，每隔1V為一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)量為一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)量Y3輸輸出端出端TTL波形的頻率。波形的頻率。電壓（V）1.52.53.54.5頻率（KHz）任選一個(gè)頻段，用示波器的一個(gè)通道測(cè)量任選一個(gè)頻段，用示波器的一個(gè)通道測(cè)量Y3輸出端的波形，輸出端的波形，用示波器的另一個(gè)通道測(cè)量用示波器的另一個(gè)通道測(cè)量74161的的LD端（端（9腳）腳）波形波形,也應(yīng)為也應(yīng)為TTL脈沖信號(hào)。調(diào)整撥碼開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)。調(diào)整撥碼開(kāi)關(guān)K1的狀態(tài)

16、，的狀態(tài)， 74161的的LD端（端（9腳）腳）波形的頻率應(yīng)有變化，其中波形的頻率應(yīng)有變化，其中K1的高位變化的高位變化的影響?yīng)q為明顯。兩個(gè)信號(hào)的頻率比即為分頻比的影響?yīng)q為明顯。兩個(gè)信號(hào)的頻率比即為分頻比N?？捎檬尽？捎檬静ㄆ骰蝾l率計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率后經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算得出。波器或頻率計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率后經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算得出。 實(shí)驗(yàn)任務(wù)實(shí)驗(yàn)任務(wù):可變分頻器測(cè)試可變分頻器測(cè)試 注：由于分頻器采用了加法計(jì)數(shù)器，所以分頻比注：由于分頻器采用了加法計(jì)數(shù)器，所以分頻比N和撥碼開(kāi)關(guān)和撥碼開(kāi)關(guān)K1的狀態(tài)為反碼的關(guān)系，即實(shí)際分頻比的狀態(tài)為反碼的關(guān)系，即實(shí)際分頻比N=256-B,其中其中B為撥碼為撥碼開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)K1的狀態(tài)。的狀態(tài)。K1

17、狀態(tài)（二進(jìn)制碼）狀態(tài)（二進(jìn)制碼）Y3輸出波形頻率（輸出波形頻率（KHz）與非門輸出波形頻率（與非門輸出波形頻率（KHz）分頻比分頻比 實(shí)驗(yàn)任務(wù)實(shí)驗(yàn)任務(wù):鎖相環(huán)倍頻器測(cè)試鎖相環(huán)倍頻器測(cè)試 去除穩(wěn)壓電源，將去除穩(wěn)壓電源，將DG1022雙函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的通道雙函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的通道1設(shè)置為方波設(shè)置為方波輸出，頻率輸出，頻率500Hz，幅度，幅度4V(峰峰值峰峰值)，直流偏移設(shè)置為，直流偏移設(shè)置為2V,加到加到Y(jié)2輸入端；選擇跳線輸入端；選擇跳線J1為下方（頻段為下方（頻段1），參照表），參照表1調(diào)整撥碼開(kāi)關(guān)調(diào)整撥碼開(kāi)關(guān)K1的狀態(tài)，用示波器測(cè)量的狀態(tài)，用示波器測(cè)量Y3輸出端的輸出端的TTL波形并測(cè)量其頻

18、率，并填波形并測(cè)量其頻率，并填入表入表1第二欄。第二欄。改變改變DG1022雙函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的通道雙函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的通道1的輸出頻率為的輸出頻率為2KHz，幅，幅度和直流偏移不變，選擇跳線度和直流偏移不變，選擇跳線J1為上方（頻段為上方（頻段2），參照表），參照表1調(diào)整調(diào)整撥碼開(kāi)關(guān)撥碼開(kāi)關(guān)K1的狀態(tài)，用示波器測(cè)量的狀態(tài)，用示波器測(cè)量Y3輸出端的輸出端的TTL波形并測(cè)量波形并測(cè)量其頻率，并填入表其頻率，并填入表1第三欄。第三欄。 分頻比分頻比N 2 5 10 20 50 100 150 200 250 255 輸出頻率（輸出頻率（KHz）（頻段）（頻段1） 輸出頻率（輸出頻率（KHz）（頻段）（頻段2） 實(shí)驗(yàn)任務(wù)實(shí)驗(yàn)任務(wù):鎖相環(huán)頻率穩(wěn)定度測(cè)試鎖相環(huán)頻率穩(wěn)定度測(cè)試 將鎖相環(huán)設(shè)置于任一工作頻率，用示波器測(cè)量將鎖相環(huán)設(shè)置于任一工