集成鎖相環(huán)應(yīng)用

集成鎖相環(huán)應(yīng)用第1頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月試驗(yàn)任務(wù)與要求實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私怄i相環(huán)路的工作原理，電路組成及性能特點(diǎn)；掌握鎖相環(huán)路及其部件性能指標(biāo)的測試方法；掌握集成鎖相環(huán)的基本應(yīng)用。

第2頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)儀器高頻信號(hào)發(fā)生器QF1055A一臺(tái);超高頻毫伏表DA22A一臺(tái);頻率特性測試儀BT－3C一臺(tái);直流穩(wěn)壓電源HY1711－2一臺(tái);數(shù)字示波器TDS210一臺(tái).第3頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)任務(wù)與要求1.實(shí)驗(yàn)電路介紹

用CD4046構(gòu)成的10倍頻電路，見圖1。CD4046為鎖相環(huán)，74LS90及外圍電路組成十分頻電路。來自CD4046的4腳壓控振蕩器輸出信號(hào)經(jīng)T210十分頻從11腳反饋至鑒相器的引出端3腳，反饋信號(hào)與鑒相器的14腳輸入信號(hào)(標(biāo)準(zhǔn)參考信號(hào))作比較，在環(huán)路的同步范圍內(nèi)(鎖定狀態(tài))，實(shí)現(xiàn)倍頻作用，即4腳頻率是14腳頻率的10倍(3腳頻率與14腳頻率相等)。第4頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)說明及思路提示鎖相環(huán)的組成原理

鎖相環(huán)（PLL）基本組成框圖如圖6所示。AGC自動(dòng)增益控制AFC自動(dòng)頻率控制APC自動(dòng)相位控制鎖定時(shí)無剩余頻差良好的窄帶濾波特性第5頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月圖16.頻率合成原理圖如下：

第6頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月圖7.CD4046原理圖如下：第7頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.用CD4046構(gòu)成的十分頻電路

第8頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月2.基本命題①VCO特性的測量測試電路見圖2，測VCO的fo～Uc關(guān)系，UC從0V～5V變化，間隔1V，對(duì)應(yīng)測量VCO的輸出頻率，列表記錄并繪成曲線。a：R2＝10KΩ的情況。電源電壓為5V，控制電壓用另外一路電源產(chǎn)生，用頻率計(jì)測出相應(yīng)的頻率即可。b：若此時(shí)給控制端輸入50KHz的方波，觀測輸出波形。第9頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2.fo～VC測試線路圖如下：

第10頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月②測量CD4046鎖相環(huán)的同步帶測量電路如圖1，去掉分頻電路，CD4046的3.4腳短接。VCO的上、下限頻率測量。a.把9腳接地，用示波器觀察4腳波形，并用頻率計(jì)測出VCO下限頻率。b.把9腳接+5V電源，用示波器觀察波形，并測出VCO上限頻率。Ui輸入正弦信號(hào)，其頻率fi=100KHz，Vip.p>3p-p，用示波器觀察4腳波形，并記錄其頻率。測量環(huán)路的同步帶第11頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月用頻率計(jì)觀察VCO的輸出頻率f0，調(diào)節(jié)輸入信號(hào)頻率fi，當(dāng)f0跟著增加，直至增加到f0不變，測出剛好f0不變時(shí)的fi1。然后fi減小，使環(huán)路鎖定。在繼續(xù)減小fi，則f0也跟著減小，直至f0不跟隨fi變化測出剛好失鎖時(shí)的fi2，則環(huán)路的同步帶ΔfH為：ΔfH=(fi2-fi1)/2第12頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月③用CD4046鎖相環(huán)構(gòu)成10倍頻電路

測量電路見圖1，加上分頻器（10分頻）。調(diào)整參考信號(hào)頻率，使其環(huán)路處于鎖定狀態(tài)測量參考信號(hào)頻率fA、VCO的振蕩頻率fc，分頻器輸出fB，觀察三點(diǎn)的波形并記錄。測量10倍頻時(shí)的同步帶，與鎖相環(huán)路的同步帶作比較。測出5分鐘內(nèi)，環(huán)路鎖定時(shí)的VCO頻率穩(wěn)定度，并與參考信號(hào)作比較。

第13頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.CD4046鑒頻電路圖如下：第14頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.擴(kuò)展命題若選用NE562（國產(chǎn)型號(hào)L562）器件作實(shí)驗(yàn)，可作以下實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（實(shí)驗(yàn)電路如圖4）。該電路利用L562完成鑒頻，環(huán)路設(shè)計(jì)時(shí)，使環(huán)路處于調(diào)制跟蹤狀態(tài)，壓控振蕩器的振蕩頻率跟蹤輸入信號(hào)頻率而變化，由環(huán)路濾波器輸出端取出調(diào)制信號(hào)。由于要求環(huán)路工作在調(diào)制跟蹤狀態(tài)，因此必須設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器的帶寬，以保證調(diào)制信號(hào)成分通過。此實(shí)驗(yàn)電路在9端經(jīng)15KΩ電阻接地后取出調(diào)制信號(hào)，技術(shù)指標(biāo)是：調(diào)頻信號(hào)中心頻率fo＝10MHz調(diào)制頻率F＝300～4000Hz峰值調(diào)制指數(shù)mf＝4第15頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月輸入的單邊相加噪聲譜密度：Wi＝4nW/Hz提示：在解調(diào)電路中，根據(jù)調(diào)頻信號(hào)的中心頻率fo計(jì)算定時(shí)電容CT，根據(jù)調(diào)頻信號(hào)的最大頻偏計(jì)算環(huán)路參數(shù)。調(diào)整VCO的振蕩頻率f0=10MHz。觀察鎖相環(huán)路的工作過程，將輸入信號(hào)fi調(diào)在5MHz左右，使鎖相環(huán)處于鎖定和失鎖狀態(tài)，用示波器9端觀察波形的變化。測量鎖相環(huán)路的同步帶△fH。測量鎖相環(huán)路的撲捉帶ΔfP。輸入調(diào)頻波，用示波器觀察解調(diào)輸出。

第16頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4.調(diào)頻信號(hào)解調(diào)電路圖如下：第17頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月用L562鎖相環(huán)構(gòu)成十倍頻電路實(shí)驗(yàn)電路如圖5，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容參考基本命題所述。如何判斷環(huán)路處于鎖定狀態(tài)？你能想出一個(gè)簡便的指示鎖定的方法嗎？自行設(shè)計(jì)一個(gè)頻率合成器技術(shù)指標(biāo)要求：頻率范圍：10KHz～99KHz頻率穩(wěn)定度：Δf/f0≤10.5輸出幅度：Vp.p≥3V器材清單：CD4046、74LS00、74LS90、74LS161、晶體1MHz。

第18頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.鎖相倍頻電路如下圖：第19頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，做出必要的曲線。

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論。第20頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月鑒相器：是相位比較器。它把輸入信號(hào)Ui(t)和壓控振蕩器的輸出信號(hào)Uo(t)進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓Ud(t)。鑒相器完成相位差.電壓變換的作用，其輸出誤差電壓是瞬時(shí)相位差的函數(shù).環(huán)路濾波器：環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差電壓Ud(t)中的高頻成分和噪聲，以保證所要求的性能、增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。環(huán)路濾波器的特性為：壓控振蕩器：壓控振蕩器受控制電壓Uc(t)的控制，使壓控振蕩器的頻率向輸入信號(hào)的頻率靠攏，也就是使差拍頻率越來越小，直至清除頻差而鎖定。壓控振蕩器的特性為：或第21頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)環(huán)路的三個(gè)基本部件的特性可得到環(huán)路的基本方程為：常用單片集成鎖相環(huán)介紹1.COMS低頻數(shù)字鎖相環(huán)的介紹

COMS、CD4046鎖相環(huán)是低頻通用單片數(shù)字鎖相環(huán)，最高工作頻率為1MHz左右，電源電壓為5～

15MHz。當(dāng)f＝10KHz時(shí)，功耗約0.15～9mW。

CD4046電路在FM調(diào)制解調(diào)、頻率合成、數(shù)據(jù)同步、FSK調(diào)制及電機(jī)速度控制方面獲得了廣泛的應(yīng)用。第22頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月CD4046的工作原理及組成圖7是CD4046的原理圖。集成單片由兩個(gè)鑒相器(PDI和PDII）、壓控振蕩器、源極跟隨器和一個(gè)5V左右的齊納二極管等幾部分組成。PDI為異或門鑒相器，PDII為數(shù)字鑒頻鑒相器，它們有公共的信號(hào)輸入端14端和反饋輸入端3端。環(huán)路濾波器接在2端或13端，9端是VCO的控制端，定時(shí)電容CT接在6、7端。接在11、12端的電阻R1、R2同樣可以起到改變振蕩頻率的作用。12腳外接電阻R2，它用作確定控制電壓為0時(shí)的最低振蕩頻率f0max；5腳為VCO的第23頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月禁止端1NH，當(dāng)1NH＝“1”時(shí)，VCO停止振蕩，當(dāng)1NH＝“0”時(shí)，VCO振蕩；4腳為VCO的輸出，15腳內(nèi)接齊納二極管可提供與TTL兼容的電源。鎖相環(huán)4046外部元件的選擇由原理圖可知，VCO的特性由外接元件R1、R和C確定。兩個(gè)比較器可接不同的輸入狀態(tài)選擇使用。圖8(a).(b).(c)為CD4046中VCO在不同外部參數(shù)下的特性曲線，這些曲線可與圖9的表配合使用，可用作應(yīng)用時(shí)的設(shè)計(jì)依據(jù)。第24頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月圖8.VCO在不同外部參數(shù)下的特性曲線如下：第25頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

第26頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月圖9.PC和VCO外部特性表第27頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月續(xù)表第28頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月2.模擬集成鎖相環(huán)模擬集成鎖相環(huán)電路典型的有高頻NE560、NE561、NE562（L562）、NE564(L564)及超高頻μPC1477C等。其中NE564最高工作頻率可達(dá)50MHz，廣泛應(yīng)用于FM調(diào)制解調(diào)、載波提取數(shù)據(jù)同步、倍頻、移頻等。這里僅以L562為例作簡要說明。

L562的組成框圖見圖10，其引腳功能列于圖11所給的表中。

第29頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月圖10.L562方框圖如下：第30頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月圖11.L562管腳功能圖如下：第31頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月鑒相器：采用雙平衡模擬乘法器，壓控振蕩器以3、4端輸出的方波電壓，經(jīng)外電路接通，加在2、15端上。輸入信號(hào)電壓ui(t)加到11、12端上（可雙端輸入，也可單端輸入，單端輸入時(shí)一端必須經(jīng)過電容接地），產(chǎn)生的差電壓從13、14端輸出。PD的鑒相特性為：式中:Io為恒流源的電流

RL為鑒相器負(fù)載電阻

Ui為輸入信號(hào)振幅環(huán)路濾波器：根據(jù)環(huán)路用途的不同，可以從13、14端接入各種形式的濾波器，若環(huán)路用于對(duì)調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)，則可分別在13和14端到地串接R1C1網(wǎng)絡(luò)。構(gòu)成無源比例積分濾波器。常用濾波器如圖12所示，圖下面是它們的傳遞函數(shù)。第32頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月圖12.LF的結(jié)構(gòu)形式圖如下：第33頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月第34頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

式中R為13和14端之間的內(nèi)阻，取值為12KΩ。若VCO工作頻率在5MHz以下，一般用a、b兩種型式；當(dāng)工作頻率高于5MHz時(shí)，可用c、d兩種型式。壓控振蕩器：

VCO電路采用的是射極定時(shí)多諧振蕩器，產(chǎn)生的方波經(jīng)過射隨器由3、4端輸出，定時(shí)電容CT接在5、6端之間。振蕩器的固有振蕩頻率可由下式計(jì)算：式中CT為外接電容，單位為PFVCO微調(diào)頻率的方法：

a.在CT兩端并接一個(gè)微調(diào)電容，改變其容量即

第35頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

可調(diào)整fo，但因其變化范圍小，只適用于工作頻率高的調(diào)整。

b.在CT兩端并聯(lián)上電阻R和電源電壓EA組成微調(diào)電路，連接方法如圖13所示。第36頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月圖13.微調(diào)fo電路圖如下：

第37頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月鎖相環(huán)應(yīng)用1.利用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)鑒頻：

對(duì)調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)，可采用普通鑒頻器和鎖相鑒頻器。若用鎖相鑒頻器，可得到一些鑒頻門限上的改善，因此它很適用于對(duì)微弱調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)。兩種鑒頻器性能比較見圖14，鑒頻原理框圖見圖15。第38頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月圖14.鑒頻性能比較圖如下：第39頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月圖15.鎖相環(huán)鑒頻原理框圖如下：第40頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月2.利用鎖相環(huán)路實(shí)現(xiàn)頻率合成：

PLL最重要的應(yīng)用就是頻率合成。所謂頻率合成是指用任一指定的基準(zhǔn)頻率（例如用晶體振蕩產(chǎn)生的高頻穩(wěn)定頻率基準(zhǔn)）經(jīng)過一些功能電路的作用，產(chǎn)生一系列我們所需要的穩(wěn)定度與基準(zhǔn)頻率相當(dāng)?shù)钠渌l率信號(hào)。利用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)頻率合成的原理框圖如圖16所示.由圖可知，環(huán)路鎖定后，有fr＝f0‘。而fr=fs/M，f0’=f0/N，故有f0=(N/M)×fs。式中M若固定，N程控可變，改變N就可得到不同的輸出頻率，當(dāng)N也固定時(shí)，則電路就實(shí)現(xiàn)了倍頻。鎖相環(huán)的鎖相環(huán)的應(yīng)用很多，配合試驗(yàn)測試，以上僅介紹了其中兩種典型應(yīng)用。另第41頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月外現(xiàn)在的頻率合成也有專用的集成芯片，例如

MC145106、MC145152等，這些讀者可查詢相關(guān)資料。鎖相環(huán)路的測試

PLL的測量：鎖相環(huán)路的測量包括部件和環(huán)路整體的測量。由于組成環(huán)路部件電路不同，測量方法也就不同。下面以L562為例，簡述測量方法。1.環(huán)路部件的測量對(duì)于具有正弦鑒相特性的鑒相器，其鑒相靈敏度測量框圖如圖17所示。第42頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月圖17.鑒相靈敏度測量框圖如下：第43頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

將輸入信號(hào)fi調(diào)在fo＋△f，△f一般小于鑒相器自身低通濾波器的截止頻率，這樣兩個(gè)信號(hào)的相位差△θ＝△ωt，鑒相器輸出電壓Ud(t)近似正弦波，示波器y軸代表Ud,X軸代表時(shí)間，即代表相位差△θe，測出Ud(t)的振幅值，則鑒相靈敏度Kd=Udm。VCO控制特性的測量VCO是一個(gè)振蕩頻率受控制電壓控制的振蕩器，所以用改變控制電壓的方法，測出不同控制電壓時(shí)相應(yīng)的頻率，描繪成曲線，可得到控制特性。由于L562的VCO控制端無引出腳，不便直測，可加一個(gè)移相器來間接測量，如18所示。第44頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月圖18.壓控特性測量框圖如下：第45頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月信號(hào)源輸出一路直接加到鑒相器，它的輸出又經(jīng)移相器送到鑒相器的另一輸入端，改變移相器的相位，測出環(huán)路濾波器輸出電壓Uc，再測出對(duì)應(yīng)點(diǎn)的頻率，描繪成fo～