基本鎖相環(huán)、鎖相式數(shù)字頻率合成器系統(tǒng)實驗-

1、實驗八 基本鎖相環(huán)、鎖相式數(shù)字頻率合成器系統(tǒng)實驗實驗內(nèi)容1.基本鎖相環(huán)實驗2.同步帶與捕捉帶的帶寬測量實驗3.鎖相式數(shù)字頻率合成器實驗一. 實驗?zāi)康?.掌握VCO壓控振蕩器的基本工作原理, 加深對基本鎖相環(huán)工作原理的理解。2.熟悉鎖相式數(shù)字頻率合成器的電路組成與工作原理。二. 實驗電路工作原理本單元可做基本鎖相環(huán)和鎖相式數(shù)字頻率合成器兩個實驗?？傮w框圖如圖8-1,電路原理圖如圖8-2所示。 圖8-1 基本鎖相環(huán)與鎖相式數(shù)字頻率合成器電原理框圖 1.4046鎖相環(huán)芯片介紹4046鎖相環(huán)的功能框圖如圖8-3所示。外引線排列管腳功能簡要介紹:第1引腳(PD O3:相位比較器2輸出的相位差信號,為上升

2、沿控制邏輯。第2引腳(PD O1:相位比較器1輸出的相位差信號,它采用異或門結(jié)構(gòu),即鑒相特性為PD O1=PD I1PD I2第3引腳(PD I2:相位比較器輸入信號,通常PD為來自VCO的參考信號。第4引腳(VCO O:壓控振蕩器的輸出信號。第5引腳(INH: 控制信號輸入,若INH為低電平,則允許VCO工作和源極跟隨器輸出:若INH為高電平,則相反,電路將處于功耗狀態(tài)。第6引腳(CI: 與第7引腳之間接一電容,以控制VCO的振蕩頻率。第7引腳(CI: 與第6引腳之間接一電容,以控制VCO的振蕩頻率。第8引腳(GND:接地。第9引腳(VCO I:壓控振蕩器的輸入信號。第10引腳(SF O:源

3、極跟隨器輸出。第11引腳(R1: 外接電阻至地,分別控制VCO的最高和最低振蕩頻率。第12引腳(R2: 外接電阻至地,分別控制VCO的最高和最低振蕩頻率。第13引腳(PD O2:相位比較器輸出的三態(tài)相位差信號,它采用PD I1,PD I2上升沿控制邏輯。第14引腳(PD I1:相位比較器輸入信號,PD I1輸入允許將0.1V左右的小信號或方波信號在內(nèi)部放大并再經(jīng)過整形電路后,輸出至相位比較器。第15引腳(V I :內(nèi)部獨立的齊納穩(wěn)壓二極管負(fù)極,其穩(wěn)壓值V58V,若與TTL電路匹配時,可以用來作為輔助電源用。第16引腳(V DD:正電源,通常選+5V,或+10V,+15V。 2.VCO壓控振蕩器

4、所謂壓控振蕩器就是振蕩頻率受輸入電壓控制的振蕩器。4046鎖相環(huán)的VCO是一個線性度很高的多諧振蕩器,它能產(chǎn)生很好的對稱方波輸出。電源電壓可工作在3V18V之間。本電路取+5V電源。它利用由門電路組成的RS觸發(fā)器控制一對開關(guān)管輪番地向定時電容C1正向充電和反向充電,從而形成自激振蕩,振蕩頻率與充電電流成正比。與C1的容量成反比,振蕩頻率不僅與定時電容C1、外加控制電壓U i有關(guān)而且還與電源電壓有關(guān),與外接電阻R1、R2的比值也有關(guān)。圖 3.鎖相式數(shù)字頻率合成器工作原理鎖相式數(shù)字頻率合成器的框圖如圖8-5所示,其電原理圖如圖8-2所示。從圖8-2可見,U402(MC14522、U403(MC14

5、522、U404(MC14522為三級可預(yù)置分頻器,全部采用可預(yù)置BCD碼同步1/N計數(shù)器MC14522,可由4位小型撥動開關(guān)選擇。U402、U403、U404分別對應(yīng)著總頻比N的百位、十位、個位分頻器,U402、U403、U404的輸入端一方面SW401、SW402、SW403分別置入分頻比的百位數(shù)、十位數(shù)、個位數(shù)以8421 BCD碼形式輸入,使用時按所需分頻比N預(yù)置好SW401、SW402、SW403的輸入數(shù)據(jù),f0 = Nf R,3位程序分頻器MC14522的數(shù)據(jù)輸入端P0P3分別接有510K的下拉電阻,當(dāng)SW401、SW402、SW403沒有對該系統(tǒng)單元數(shù)據(jù)輸入時,即開路狀態(tài)時,此時下

6、拉電阻把數(shù)據(jù)輸入端置“0”電平;當(dāng)SW401、SW402、SW403工作時,則有相應(yīng)的“1”電平輸入到數(shù)據(jù)輸入端,使之置于“1”電平狀態(tài),以便程序分頻器進行處理。在圖8-2電路圖中,當(dāng)程序分頻器的分頻比N置成1,也就是把SW401、SW402均斷開, SW403置成“0001”狀態(tài)。也即N=1輸入至三級程序分頻器的對應(yīng)數(shù)據(jù)輸入碼。這時,該電路就是一個基本鎖相環(huán)電路。當(dāng)三級程序分頻器的N值可由外部輸入進行編程控制時,該電路就是一個鎖相式數(shù)字頻率合成器電路。輸入頻率轉(zhuǎn)換開關(guān)K401進行選擇,當(dāng)K401的2與1相連接,則把來自實驗一的時鐘信號發(fā)生器1KHz方波信號輸入到該14引腳;若K401的2與3

7、相連接,則必須用外接信號源所產(chǎn)生的1KHz方波信號,通過輸入信號插座S401引入。當(dāng)鎖相環(huán)鎖定后,可得到:f R=f V其中 f V=f0/N ,代入得: f R=f0/N移項得: f0=Nf R由此可知,當(dāng)f R固定不變時,改變?nèi)壋绦蚍诸l器的分頻比N,VCO的振蕩輸出頻率(也就是頻率合成器的輸出頻率f0也得到相應(yīng)的改變。例如: 當(dāng)設(shè)f R=1KHz方波 , 把三級程序分頻器的分頻比N置成257即N=257 則: f0=Nf R=2571KHz=257KHz當(dāng)N=132時 , f0=Nf R=1321KHz=132KHz當(dāng)N =999時 ,則f0=Nf R=9991KHz=999KHz。這樣

8、,只要輸入一個固定信號頻率f R,即可得到一系列所需要的頻率,其頻率間隔等于f R,這里為1KHz。選擇不同的f R,可以獲得不同f R的頻率間隔。在用實驗一信號發(fā)生器產(chǎn)生的時鐘信號頻率時,其準(zhǔn)確頻率為1.024KHz,而不是1KHz。因而經(jīng)過三級程序分頻器與鎖相實驗后,VCO壓控振蕩器的輸出頻率也應(yīng)當(dāng)是1.024KHz的N位數(shù)。例: 當(dāng)N = 132時則f0 = Nf R = 1321.024 = 135.168KHz當(dāng)N = 133時則f0= N1.024 = 1331.024 = 135.192KHz輸出產(chǎn)生一定的積累誤差,這點在下面進行實驗時應(yīng)注意。三. 實驗內(nèi)容(一基本鎖相環(huán)實驗1.

9、觀察鎖相環(huán)路的同步過程;2.觀察鎖相環(huán)路的跟蹤過程;3.觀察鎖相環(huán)路的捕捉過程;4.測試環(huán)路的同步帶與捕捉帶,并計算它們的帶寬。(二鎖相式數(shù)字頻率合成器實驗1.在程序分頻器的分頻比N=1、10、100三種情況下:a.測量輸入?yún)⒖夹盘柕牟ㄐ?b.測量相位比較器的信號波形;c.測量頻率合成器輸出信號的波形。2.檢查并觀察輸出頻率(或分頻比的置換功能;3.測量并觀察最小分頻比與最大分頻比?，F(xiàn)代通信原理綜合實驗 四. 實驗步驟及注意事項 （一）基本鎖相環(huán)實驗 1.觀察環(huán)路的同步過程 鎖相環(huán)在鎖定狀態(tài)下，如果輸入信號參考頻率fR保持不變，而VCO的振蕩頻率f0發(fā)生飄 移導(dǎo)致fV fR時，則在環(huán)路的反饋控

10、制作用下，使f0恢復(fù)仍然保持fC = fR的狀態(tài)，這種過 程叫做同步過程。 (1實驗方法：將圖 7-2 總電路圖中 SW401、SW402、SW403 設(shè)置為 001 狀態(tài)，此時分頻 比為 U1。即將程序分頻器的分頻比設(shè)置為 1(預(yù)置為 001 狀態(tài)。實驗電路的鎖相環(huán)即成 為基本鎖相環(huán)。其 fV f0/N f0/I f0 (2以外接信號源作參考信號(加入方波信號源。接通K401 的 2、3。令信號源輸出一個 參考頻率為 50KHz、電平為TTL電平(標(biāo)稱值高電平=3.4V，低電平=0.3V的參考信號加于相 位比較器的fR端。在TP402 處測量fV，我們可看到，這時fV經(jīng)過環(huán)路的反饋控制，將偏

11、離前 項測出的f0的參考值而趨向于fR，直至fV也等于外接信號源的參考頻率值 50KHz。(如果參 考頻率設(shè)定為 10KHz，經(jīng)環(huán)路調(diào)整后則fV也等于 10KHz。這就是同步過程，基本鎖相環(huán)被 外加信號源鎖定在fR的頻率上。 2.觀察環(huán)路的跟蹤過程 鎖相環(huán)進入鎖定狀態(tài)后，如果fV(現(xiàn)等于VCO的振蕩頻率f0不變，輸入?yún)⒖碱l率發(fā)生飄 移，則在環(huán)路的反饋控制作用下，使f0跟隨著fR的變化而變化，以保持fV=fR的環(huán)路鎖定狀 態(tài)。這種過程叫做跟蹤過程。 實驗方法：在上面實驗的基礎(chǔ)上將外加信號源的頻率(參考頻率fR逐次改變(模擬fR產(chǎn) 生的飄移，每改變一次fR，觀察一次fV的數(shù)值，可以看到，fV跟蹤f

12、R的變化fV=fR的狀態(tài) 3.觀察環(huán)路的捕捉過程 鎖相環(huán)在初始失鎖狀態(tài)下， 通過環(huán)路反饋控制作用， 使VCO的振蕩頻率f0調(diào)整fV=fR的鎖 定狀態(tài)，這個過程稱為捕捉過程。 實驗方法：電路連接同前項，TP402 處接頻率計，測量fV的數(shù)值，實驗開始時將信號 源頻率(fR遠(yuǎn)離VCO的中心振蕩頻率(如令fR高于 1.5MHz或遠(yuǎn)低于 1KH使環(huán)路處于失鎖狀 態(tài)，即fVfR，然后將fR從高端緩慢地降低(或從低端緩慢地升高，當(dāng)降低(或升高到一定 數(shù)值，頻率計顯示fV等于fR時即fR捕捉到了fV環(huán)路進入鎖定狀態(tài)。 4.測試環(huán)路的同步帶與捕捉帶 實驗方法：電路連接同前項，令信號源頻率(fR等于 50KHz

13、。這時環(huán)路應(yīng)處于鎖定狀 態(tài)(fV = fR。 (1慢慢增加信號源的頻率，直至環(huán)路失鎖(fVfR。此時信號源的輸出頻率就是同步 帶的最高頻率。 (2慢慢減小信號源的頻率，直到環(huán)路鎖定，此時信號源的輸出頻率就是捕捉帶的最 高頻率。 (3繼續(xù)慢慢減小信號源的頻率，直至環(huán)路失鎖，此時信號源的輸出頻率就是同步帶 的最低頻率。 (4慢慢增加信號源的頻率，直至環(huán)路鎖定，此時信號源的輸出率就是捕捉帶的最低 頻率。 (二鎖相式數(shù)字頻率合成器實驗 52 實驗八 基本鎖相環(huán)、鎖相式數(shù)字頻率合成器系統(tǒng)實驗 1.測量UR的頻率和波形。用示波器頻率計在TP401 上測量，應(yīng)為f=1KHz,高電平=3.4V,低 電平=0V

14、。 2.測量UV的頻率和波形(在TP402 正常工作時UV的波形應(yīng)與UR同頻同相，但UV的占空比與程序分頻器的分頻比N有關(guān)。若 N1 時 （K402 接 23） UV波形的占空比小于 50% 。 ， N=1 時(K402 接 12， R的波形相同； 與U 3.測量頻率合成器輸出信號的波形(在 TP403 頻率合成器的輸出即VCO的輸出，其波形應(yīng)為f=NfR的半占空方波。 4.檢查輸出頻率(或分頻比的置換功能 依次變換分頻比的個位數(shù)、十位數(shù)、百位數(shù)的預(yù)置開關(guān)，觀察N改變時，輸出頻率是 否符合f0 = NfR 的關(guān)系。 5.檢查最小分頻比與最大分頻比。 將SW403、SW402 都置于 0 位，SW401 從置入十進制數(shù) 9 開始，逐漸減置數(shù)值，當(dāng)輸出 頻率不符合f0=NfR的關(guān)系時，表示fR已不能鎖定VCO的頻率。頻率合成器已不能正常工作。 則能滿足f0=NfR關(guān)系式的最小的分頻比值，即為該合成器的最小分頻比。 同理，增大N的數(shù)值能夠滿足f=NfR關(guān)系式的最大的分頻比值，即為該合成器的最大 分頻比。 本合成器分頻比的范圍應(yīng)滿足從 1999。 五. 測量點說明 1.TP401：VCO 輸入?yún)⒖夹?/p>