鎖相環(huán)PLL原理與應(yīng)用課件

鎖相環(huán)PLL原理與應(yīng)用第一部分：鎖相環(huán)基本原理一、鎖相環(huán)基本組成二、鑒相器（PD）三、壓控振盪器（VCO）四、環(huán)路濾波器（LPF）五、固有頻率ωn和阻尼係數(shù)

的物理意義

六、同步帶和捕捉帶第二部分：鎖相環(huán)實驗實驗一、PLL參數(shù)測試一、壓控靈敏度KO的測量二、鑒相靈敏度Kd的測量三、環(huán)路開環(huán)增益（KH）的測量四、同步帶和捕捉帶的測量五、ωn、ξ的測量實驗二、PLL應(yīng)用實驗一、PLL頻率合成器實驗二、PLL調(diào)頻（FM）解調(diào)三、鎖相式雙音多頻信號（DTMF）解碼器四、PLL數(shù)字調(diào)諧實驗五、設(shè)計5/6分頻器

實驗?zāi)康耐ㄟ^上述實驗，使大家對由模擬電路、數(shù)字電路組成的硬體系統(tǒng)的設(shè)計、電路的搭接、故障的分析判斷、故障的排除得到一次鍛煉。

第一部分：鎖相環(huán)基本原理（P1）一、鎖相環(huán)基本組成一個典型的鎖相環(huán)（PLL）系統(tǒng)，是由鑒相器（PD），壓控蕩器（VCO）和低通濾波器（LPF）三個基本電路組成

Ud=Kd(θi–θo)

UF=UdF（s）

二．鑒相器（PD）Ud=Kd*

θKd

為鑒相靈敏度

三．壓控振盪器（VCO）（P2）ωo（t）=ωom+K0UF（t）K0——VCO控制特性曲線的斜率，常稱為VCO的控制靈敏度，或稱壓控靈敏度。四、環(huán)路濾波器，這裏僅討論無源比例積分濾波器其傳遞函數(shù)為：式中：τ1=R1Cτ2=R2C

當(dāng)鎖相環(huán)處於鎖定狀態(tài)時，鑒相器（PD）的兩輸入端一定是兩個頻率完全一樣但有一定相位差的信號。如果它們的頻率不同，則在壓控振盪器（VCO）的輸入端一定會產(chǎn)生一個控制信號使壓控振盪器的振盪頻率發(fā)生變化，最終使鑒相器（PD）的兩輸入信號（一個是鎖相環(huán)的輸入信號Vi,一個是壓控振盪器的輸出信號Vo）的頻率完全一樣，則環(huán)路系統(tǒng)處於穩(wěn)定狀態(tài)。五、系統(tǒng)的固有頻率ωn和阻尼係數(shù)

的物理意義（P3）

一個ＲＬＣ串聯(lián)電路，當(dāng)輸入端加一個階躍電壓時，輸出端電壓變化有三種可能當(dāng)鎖相環(huán)的輸入信號的相位有一個階躍跳變時，輸出信號相位的變化也有三種情況ωn、ξ就是指欠阻尼振盪時的振盪頻率和和阻尼係數(shù)六、鎖相環(huán)的同步和捕捉同步狀態(tài)：鎖相環(huán)的輸出頻率（或VCO的頻率）ωo能跟蹤輸入頻率ωi的工作狀態(tài)，稱為同步狀態(tài)（或鎖定狀態(tài)），在同步狀態(tài)下，始終有ωo=ωi。這時如果用示波器觀察Vi與Vo,即使單路觸發(fā)，兩個波形都是清晰穩(wěn)定的。同步帶：在鎖相環(huán)保持同步的條件下，輸入頻率ωi的最大變化範(fàn)圍，稱為同步帶寬，用

ωH

表示。超出此範(fàn)圍，環(huán)路則失鎖。捕捉帶失鎖時，ωo

ωi，如果從兩個方向設(shè)法改變ωi，使ωi向ωo靠近，進(jìn)而使

ωo=（ωi－ωo）

，當(dāng)

ωo小到某一數(shù)值時，環(huán)路則從失鎖進(jìn)入鎖定狀態(tài)。這個使PLL經(jīng)過頻率牽引最終導(dǎo)致入鎖的頻率範(fàn)圍稱為捕捉帶

ωp。同步帶

ωH，捕捉帶

ωp

和VCO中心頻率ωo的關(guān)係

實驗原理及步驟P（4）CD4046原理圖

實驗一、PLL參數(shù)測試（P5）一、壓控靈敏度KO的測量二、鑒相靈敏度Kd的測量。三、環(huán)路開環(huán)增益（KH）的測量當(dāng)鑒相器比較兩同相信號時，UF=0，VC0振盪於fmin;當(dāng)鑒相器比較兩反相信號時，UF=VDD，VCO振盪於fmax

在理想情況下KH=2(fmax-fmin)同步帶的測量調(diào)信號源（圖11）頻率約為４０４６Ａ的中心頻率。示波器分別測Ui和Uo，並以Ui作為示波器的觸發(fā)同步信號，頻率計測Ui，這時示波器可顯示兩個穩(wěn)定的波形，即Ui和Uo是鎖定的。在一定範(fàn)圍內(nèi)緩慢改變信號源頻率，可看到兩個波形的頻率同時變化，且都保持穩(wěn)定清晰，這就是跟蹤。但當(dāng)信號源頻率遠(yuǎn)大於（高端）或遠(yuǎn)小於（低端）４０４６Ａ的中心頻率時，Ui波形還保持穩(wěn)定清晰，但Uo不能保持穩(wěn)定清晰，這就是失鎖。記下剛出現(xiàn)失鎖時的Ui頻率即高端頻率fHH和低端頻率fHL，則同步帶ΔfH＝fHH－fHL。由於我們用的是PD1，是異或門相鑒器，當(dāng)Ui和Uo為分?jǐn)?shù)倍數(shù)關(guān)係時，也可能出現(xiàn)兩個穩(wěn)定的波形，這種情況應(yīng)認(rèn)為是“失鎖”。只有出現(xiàn)兩個同頻的穩(wěn)定波形時才認(rèn)為是“鎖定捕捉帶的測量

環(huán)路失鎖後，緩慢改變信號源頻率，從高端或低端向４０４６Ａ的中心頻率靠近，當(dāng)信號源頻率分別為fＰH和fＰL時，環(huán)路又鎖定。則環(huán)路捕捉帶ΔfP＝fPH－fPL。ωn、ξ的測量P（8）當(dāng)信號源的頻率突然改變時（即對應(yīng)Uj方波的前後沿），UF都產(chǎn)生一次阻尼振盪。從阻尼振盪波形可測出A1、A2、T，並由A1、A2、T求出PLL的ωn

和ξωn、ξ的實際測量波形實驗二、PLL應(yīng)用實驗P（9）當(dāng)PLL處於鎖定狀態(tài)時，PD兩個輸入信號的頻率一定精確相等,所以可得：f0=N*fifi為晶振標(biāo)準(zhǔn)信號

通過改變分頻比N，便可獲得同樣精度的不同頻率信號輸出一、PLL頻率合成器實驗

1）1KHZ標(biāo)準(zhǔn)信號源用CMOS與非門和4M晶體組成4MHz振盪器。圖中Rf

使F1工作於線性放大區(qū)。晶體的等效電感，C1、C2構(gòu)成諧振回路。C1、C2可利用器件的分佈電容不另接。F1、F2、F3使用CD4069。測量CD4518時序圖根據(jù)講義後面的CD4518管腳圖,測量並畫出Q1，Q2、Q3、Q4及CP之間的相位關(guān)係圖(時序圖)(BCD碼計數(shù)器)4000分頻器製作根據(jù)上面測出的4518的波形圖，用二片CD4518（共4個計數(shù)器）組成一個4000分頻器，也就是一個四分頻器，三個十分頻器。

2）用一片CD4017作分頻器組成2-9KHZ頻率合成器（P10）4017（十進(jìn)位計數(shù)分配器）功能測試2—9KHZ頻率合成器

3）撥盤開關(guān)式1—999KHZ

頻率合成器（P10）單片4522分頻器用三片4522組成1——999HHZ頻率合成器（P11）4）健盤置數(shù)式1—999KHZ頻率合成器（P12）就是用數(shù)字健盤以及一些數(shù)字IC替代撥盤開關(guān)組成1——999KHZ頻率合成器。最終應(yīng)做到：當(dāng)順序按鍵盤的任意三個?。ㄈ?.9.2）時，則輸出信號的頻率就為592KHz。置數(shù)部分的框圖如圖

號碼脈衝發(fā)生器

根據(jù)HM9102D資料，請用HM9102D自己設(shè)計一個號碼脈衝發(fā)生器，要求：1)VDD=5V；2)斷續(xù)比為1.5：13)號碼脈衝輸出幅度為0到9V（注意：DP輸出端是OC電路，上拉電阻取100K。另外，為安全起見，輸出和負(fù)載之間應(yīng)串一個10K電阻)開門脈衝和記數(shù)脈衝發(fā)生器

為了使後面的控制引導(dǎo)電路能正常工作，還需一種開門脈衝。也就是每按一次鍵，即每輸出一列脈衝（不管這一列含有幾個號碼脈衝）就要產(chǎn)生一個開門脈衝。同時為了使後面的記數(shù)電路能正確記數(shù)，還應(yīng)保證“先開門後送計數(shù)脈衝”。也就是要求開門脈衝要比送到計數(shù)器的號碼脈衝超前一點。所以開門脈衝和號碼脈衝的時間關(guān)係應(yīng)如圖

開門脈衝和號碼脈衝

HM9102D輸出，作單穩(wěn)的CP

單穩(wěn)2輸出，開門脈衝

單穩(wěn)1輸出，號碼脈衝控制引導(dǎo)電路及計數(shù)、置數(shù)電路

PLL調(diào)頻（FM）解調(diào)（P15）鎖相式雙音多頻信號（DTMF）解碼器雙音多頻信號（DTMF）P（16）

低頻群L（Hz）高頻群H(Hz)120913361477697123770456852789941*0#每個按紐各由H和L中的一個頻率組成

鎖相式雙音多頻信號（DTMF）解碼器

用5087構(gòu)成雙音多頻信號（DTMF）發(fā)生器（P17）用LM567進(jìn)行單一頻率檢測電路（P18）

如567的中心頻率(由5,6腳週邊的R,C決定)為fo,當(dāng)Vin中包含有fo成分時，則8腳輸出低電平，否則高電平。

1組DTMF信號解碼器（P18）

當(dāng)輸入信號同時包含兩個頻率(697,1209)時，可輸出或邏輯“0”。

6組DTMF信號解碼器（P19）（如用7個LM567和12個或非門則可解調(diào)12組DTMF信號。）

PLL數(shù)字調(diào)諧實驗（P20）

現(xiàn)代的接收機(jī)（如電視機(jī)、收音機(jī)）大多採用超外差接收方式。如要接收的信號的載波頻率為fC，則接收機(jī)要產(chǎn)生一個本振信號，其頻率fL=fC+fI，其中fI為中頻。在模擬調(diào)諧方式中，本振信號一般是由LC振盪回路產(chǎn)生的。調(diào)諧（調(diào)臺）時，一般是用改變LC振盪回路中電容的容量（如改變變?nèi)荻O體的反向偏壓），來改變本振信號的頻率，從而達(dá)到選臺的目的在數(shù)字調(diào)諧(頻率合成)方式中，本振信號則是用鎖相環(huán)的方法來產(chǎn)生。即由晶振電路產(chǎn)生頻率高穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)信號，再用鎖相環(huán)倍頻的方法產(chǎn)生本振信號，通過改變鎖相環(huán)回饋回路分頻比的方法來改變本振信號頻率，就象前面實驗中用一片4046和三片4522以及1KHz標(biāo)準(zhǔn)信號就可獲得1~999KHz信號一樣。要獲得某一準(zhǔn)確的本振頻率，只要在4522的置數(shù)端置入相應(yīng)的數(shù)值（BCD碼）即可。所以數(shù)字調(diào)諧的關(guān)鍵就是解決如何置數(shù)的問題。在這個實驗中我們是用鍵盤通過DTMF編譯碼的方法來置數(shù)。最終應(yīng)做到：如要接收某一載波信號（如fC=345KHz）,則只要在鍵盤上按該載波的數(shù)值（即3，4，5三個鍵），就可得到fL=fC+fI=345+455=800KHz的本振信號。（這裏中頻fI為455KHz）。最後信號發(fā)生器輸出的載波信號(345KHz正弦波)和本振信號（4046的4腳輸出的800KHz方波）經(jīng)混頻濾波後應(yīng)得到455KHz的中頻信號（用示波器觀察）。置數(shù)電路方框圖

鍵盤和5087（或HM9102D）組成DTMF編碼電路。MT8870是DTMF解碼電路。當(dāng)輸入某個DTMF編碼信號（即按鍵盤的某個鍵）時，8870的數(shù)據(jù)輸出端D01-D04就輸出相應(yīng)的二進(jìn)碼，同時其15腳（CID）輸出高電平。即每按一次鍵，CID就輸出一個正脈衝可作為百、十、個位選擇電路的CP信號。4017為百、十、個位選擇電路，作用是按第一次鍵時，8870的D01-D04輸出的BCD碼應(yīng)鎖存到“百”位的鎖存器，二、三次則分別為“十”、“個”位。三片74LS175（或CD40175）分別為“百”、“十”、“個”位鎖存器。每片74LS175含有4個D觸發(fā)器（D1~D4），分別對應(yīng)BCD碼的1，2，4，8位。三片的D1端應(yīng)都接到MT8870的D01輸出端，D2、D3、D4也類似。4017的“1”、“2”、“3”輸出端（即2、4、7腳）的輸出信號分別作為三片74LS175的CP信號。這樣，當(dāng)對4017清零後，8870再順序輸出三個數(shù)字（如：3，4，5），則相應(yīng)的二進(jìn)碼（0011，0100，0101）就鎖存在三片74LS175的輸出端。三片74LS175的輸出信號（如：3，4，5）輸入到加法器（三片4560）A輸入端，和固定中頻數(shù)值455（由B輸入端輸入）相加後的和的數(shù)值（如：8，0，0）就作為4522的置數(shù)信號。即這時鎖相環(huán)輸出的是800KHz的方波，作為本振信號。根據(jù)上述工作原理、方框圖以及附錄1，自己設(shè)計、搭接具體電路。要求當(dāng)信號發(fā)生器輸出123KHz的正弦波（即Us）時，如順序按“1”、“2”、“3”三鍵，則用示波器可看到455KHz的中頻信號UI，而且要求“上電清零”?；祛l電路（MC1496）（P21）

輸入信號Us的幅度為15mV,本振信號UL為TTL電平。

混頻電路（MC1496）調(diào)試步驟(1)455KHz諧振回路調(diào)整Us開路，電位器W旋到任一極端位置，示波器探頭（X10檔）測1496（12）腳，UL為200mVp-p的455KHz附近的正弦信號，微調(diào)UL的頻率，觀察LC回路的選頻作用，其中心頻率應(yīng)為455KHz。如不是455KHz,則固定UL的頻率為455KHz，調(diào)線圈的磁芯，使（12）腳輸出信號的幅度最大，即可?；祛l電路（MC1496）調(diào)試步驟(2)平衡電位器的調(diào)整在步驟（1）的基礎(chǔ)上，調(diào)電位器W，使（12）腳輸出信號的幅度為零，即可。

講義訂正P5,圖10RW

10KP6,第3行,…接實驗圖,4046A的6、7、11、12腳週邊元件應(yīng)留著,9腳外的電位器應(yīng)去掉.P6,第