實驗十一 基本鎖相環(huán)與鎖相式數(shù)字頻率合成器

1、實驗十一 基本鎖相環(huán)與鎖相式數(shù)字頻率合成器一、實驗?zāi)康?、掌握VCO壓控振蕩器的基本工作原理。2、加深對基本鎖相環(huán)工作原理的理解。3、熟悉鎖相式數(shù)字頻率合成器的電路組成與工作原理。4、熟悉555電路的使用方法。二、實驗內(nèi)容1、觀察鎖相環(huán)的同步態(tài)。2、在程序分頻器的分頻比N=1、10、100三種情況下： 測量輸入?yún)⒖夹盘柕牟ㄐ巍?測量相位比較器2信號的波形。 測量頻率合成器輸出信號的波形。 檢查并觀察輸出頻率（或分頻比）的置換功能。 測量并觀察最小分頻比與最大分頻比。三、實驗儀器1、信號源模塊2、鎖相環(huán)模塊3、20M雙蹤示波器 一臺4、頻率計（可選） 一臺5、連接線 若干四、實驗原理1、 基本鎖

2、相環(huán)電路工作原理 555電路（NE555）可用于產(chǎn)生不同頻率的方波，并可通過調(diào)節(jié)“頻率調(diào)節(jié)”電位器來改變其輸出頻率，從555電路輸出的方波經(jīng)過整形電路（74HC74）后，得到占空比為50頻率為的方波，然后此方波輸入鎖相環(huán)電路（CD4046）， CD4046是基本鎖相環(huán)電路。本實驗系統(tǒng)中采用4046集成電路鎖相環(huán)，該芯片包含鑒相器（PD）、壓控振蕩器電路兩部分，而環(huán)路濾波器（LF）由外接阻容元件構(gòu)成。圖11-1是基本鎖相環(huán)電原理圖。其中相位比較器2為四組邊沿觸發(fā)器。壓控振蕩器有跟隨器，輸入受到INH的控制。圖中PD（11-12）為相位比較器輸入；PD（01-03）為相位比較器輸出；VCO1為壓控

3、振蕩器輸入；VCO0為壓控振蕩器輸出；INH為禁止端，當(dāng)INH為“1”電平時，禁止VCO0輸出；Z為內(nèi)部提供的穩(wěn)壓管的負(fù)極；C1為壓控振蕩器外接振蕩電容端；R1、R2（第11、12端）則為壓控振蕩器外接電阻端；當(dāng)PLL作解調(diào)等使用時，解調(diào)信號從SF0端輸出。圖 11-1 基本鎖相環(huán)電原理圖2、 鎖相式數(shù)字頻率合成器工作原理時鐘輸入可采用從信號源上的BS信號輸入（頻率為），經(jīng)過鎖相環(huán)電路（CD4046）及分頻器個、十位控制電路（CD4522）即分頻比為N，則從VCO振蕩輸出口得到合成頻率為N信號。CD4522為可預(yù)置可編程的二十進(jìn)制記數(shù)器。N分頻器是鎖相式數(shù)字頻率合成器主要單元電路之一。當(dāng)程序分

4、頻器的分頻比N置成1，也就是把SW01斷開，SW02置成“0001”狀態(tài)，或者不接入兩級程序分頻器，即把壓控振蕩器VCO的輸入端用導(dǎo)線直接連接到相位比較器2的比較信號輸入端第三引腳PD12，這時，該電路就是一個基本鎖相環(huán)電路。本電路采用反饋封鎖的辦法，實現(xiàn)了使用極少的器件控制著眾多批頻率（即從1KHz99KHz共99個頻率點、頻率間隔為1KHz）的靈活轉(zhuǎn)換功能。分頻比范圍控制電路，主要通過改變電阻、電容的值來改變頻率合成器分頻比的范圍。五、實驗步驟及注意事項1、將信號源模塊、鎖相環(huán)模塊小心地固定在主機(jī)箱中，確保電源接觸良好。2、插上電源線，打開主機(jī)箱右側(cè)的交流開關(guān)，再分別按下兩個模塊中的開關(guān)P

5、OWER1、POWER2，對應(yīng)的發(fā)光二極管LED01、LED02發(fā)光，按一下信號源模塊的復(fù)位鍵，兩個模塊均開始工作。（注意，此處只是驗證通電是否成功，在實驗中均是先連線，后打開電源做實驗。不要帶電連線）3、觀察鎖相環(huán)模塊上的點“CLK-OUT”的波形，調(diào)節(jié)標(biāo)號為“頻率調(diào)節(jié)”的電位器，使該點輸出波形的頻率為100KHz。用連接線連接信號輸出點“CLK-OUT”和信號輸入點“CLK-IN”。4、基本鎖相環(huán)實驗 鎖相環(huán)在鎖定狀態(tài)下，如果輸入信號參考頻率保持不變，而VCO的振蕩頻率發(fā)生漂移從而導(dǎo)致輸出信號頻率時，然后在環(huán)路的反饋控制作用下，使恢復(fù)保持的狀態(tài)，這種過程叫同步過程。（1）實驗方法：將SW0

6、3設(shè)置為11000000，SW01、SW02分別設(shè)置為0000 0001狀態(tài)，即將分頻器的分頻比設(shè)置為1。實驗電路的鎖相環(huán)即成為基本鎖相環(huán)，其（2）在點“VCO-OUT”處測量?？梢钥吹?，這時經(jīng)過環(huán)路的反饋控制，將偏離前項測出的的參考值而趨向于，直至也等于外接信號源的參考頻率值100KHz（如果參考頻率設(shè)定為10KHz，經(jīng)環(huán)路調(diào)整后則也等于10KHz）。這就是同步狀態(tài)，基本鎖相環(huán)被外加信號源鎖定在的頻率上。5、數(shù)字頻率合成器實驗（1）測量參考信號Ur的頻率和波形：使信號源模塊的信號輸出點“BS”輸出頻率為1KHz的信號，連接信號源模塊的信號輸出點“BS”和鎖相環(huán)模塊的信號輸入點“CLK-IN”

7、，用示波器測量信號輸入點“CLK-IN”點的波形，應(yīng)是頻率為1KHz的方波。（2）測量頻率合成器輸出信號的波形：將SW03設(shè)置為11110000,用示波器測量信號輸出點“VCO-OUT”。頻率合成器的輸出即VCO的輸出，其波形應(yīng)為的占空比為50%的方波。（3）輸出頻率（或分頻比）的置換功能：通過改變預(yù)置開關(guān)SW01、SW02，依次變換分頻比的十位數(shù)和個位數(shù)，觀察N改變時，輸出頻率是否滿足的關(guān)系。（4）檢查最小分頻比與最大分頻比：將SW03設(shè)置為11000000，SW01、SW02設(shè)置為0001 0000，逐漸減置數(shù)值，當(dāng)輸入頻率不符合的關(guān)系時，表示已不能鎖定VCO的頻率,那么頻率合成器已不能正

8、常工作，此時的N值即為該頻率合成器的最小分頻比。同理，將SW01、SW02設(shè)置為0000 0001后，逐漸增大N的數(shù)值，當(dāng)輸出頻率不符合關(guān)系時的N值即為該頻率合成器的最大分頻比。（5）測試元器件數(shù)值變化對頻率合成器分頻比的影響：改變SW03的接入（其電容值有：22pf、220pf、2200pf、22000pf，電阻值有：10K、100K、510K、820 K，分別對應(yīng)撥碼開關(guān)SW03的18位），測試元器件數(shù)值變化對頻率合成器分頻比的影響（不同元件數(shù)值可以改變頻率合成器分頻比的范圍）。六、實驗結(jié)果1、CLKOUT測試點（555電路波形 2、VCOOUT測試點（基本鎖相環(huán)輸出輸出點） 輸出的方波（

9、頻率可調(diào)） 點，輸入信號為CLKOUT輸出的方波） 輸出的波形 3、VCOOUT測試點（基本鎖相環(huán) 4、VCOOUT測試點（數(shù)字頻率合成器輸出點，與測試點CLKIN的輸入 信號輸出點，輸入為信號源輸?shù)?KHz信號一起雙蹤觀察）輸出的波形 的方波，雙蹤觀察）輸出的波形 七、思考題答案1、本鎖相環(huán)電路中，若要擴(kuò)大捕捉帶，可采取什么措施？ 答：接在R2上的電阻值可控制VCO的最高、最低頻率。要想使捕捉帶擴(kuò)大，根據(jù)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可知通過增大R2的阻值即可。2、若頻率合成器輸出范圍從09999，且用CD4522作程序分頻器，如何連接？ 八、提問及解答1、當(dāng)設(shè)=1KHz的方波，把兩級程序器的分頻比N置成57即N=57,那么輸出頻率為多少？答：57×1KHz57KHz2、基本鎖相環(huán)電路中，其同步帶與捕捉帶之間的關(guān)系如何？答：當(dāng)fv=fR時，環(huán)路進(jìn)入了鎖定狀態(tài)，記此時的fR為f0 。先增大fR直到環(huán)路剛剛失鎖，記此時的輸入頻率為fR1 。再減小fR，直到環(huán)路剛剛鎖定為止，記此時的輸入頻率為fR2。繼續(xù)減小fR，直到環(huán)路再一次剛剛失鎖為止，記此時的fR為fR3，再一次增大，直到環(huán)路再一次剛剛鎖定，記fR為fR4。將上述實驗反復(fù)做若干次。將fR1 fR2 fR3 fR4做平均處理，然后求出頻差fp1/2() fH1/2()鎖相環(huán)能進(jìn)入鎖定狀態(tài)的條件是<fp環(huán)