锁相环调频和解调实验频率合成器实验.docx
《锁相环调频和解调实验频率合成器实验.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《锁相环调频和解调实验频率合成器实验.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
锁相环调频和解调实验频率合成器实验
实验11锁相调频与鉴频实验
一、实验目的
1.掌握锁相环的基本概念。
2.了解集成电路CD4046的内部结构和工作原理。
3.掌握由集成锁相环电路组成的频率调制电路/解调电路的工作原理。
二、预习要求
1.复习反馈控制电路的相关知识。
2.锁相环路的工作原理。
三、实验仪器
1.高频信号发生器
2.频率计
3.双踪示波器
4.万用表
5.实验板GPMK8
4、锁相环的构成和基本原理
（1）锁相环的基本组成
图11-1是锁相环的基本组成方框图，它主要由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）组成。
图11-1锁相环的基本组成
1压控振荡器（VCO）
VCO是本控制系统的控制对象，被控参数通常是其振荡频率，控制信号为加在VCO上的电压。
所谓压控振荡器就是振荡频率受输入电压控制的振荡器。
2鉴相器（PD）
PD是一个相位比较器，用来检测输出信号
（t）与输入信号
（t）之间的相位差
（t），并把
（t）转化为电压
输出，
称为误差电压，通常
作为一直流分量或一低频交流量。
3环路滤波器（LF）
LF作为一低通滤波电路，其作用是滤除因PD的非线性而在
中产生的无用组合频率分量及干扰，产生一个只反映
（t）大小的控制信号
。
4046锁相环芯片包含鉴相器（相位比较器）和压控振荡器两部分，而环路滤波器由外接阻容元件构成。
（2）锁相环锁相原理
锁相环是一种以消除频率误差为目的反馈控制电路，它的基本原理是利用相位误差电压去消除频率误差。
按照反馈控制原理，如果由于某种原因使VCO的频率发生变化使得与输入频率不相等，这必将使
与
的相位差
（t）发生变化，该相位差经过PD转换成误差电压
。
此误差电压经过LF滤波后得到
，由
去改变VCO的振荡频率，使其趋近于输入信号的频率，最后达到相等。
环路达到最后的这种状态就称为锁定状态。
当然由于控制信号正比于相位差，即
正比于
（t），因此在锁定状态，
（t）不可能为零，换言之，在锁定状态
与
仍存在相位差。
虽然有剩余相位误差存大，但频率误差可以降低到零，因此环路锁定时，压控振荡器输出频率
与外加基准频率（输入信号频率）
相等，即压控振荡器的频率被锁定在外来参考频率上。
（3）同频带与捕捉带
同步带是指从环路锁定开始，改变输入信号的频率
（向高或向低两个方向变化），直到环路失锁（由锁定到失锁），这段频率范围称为同步带。
捕捉带是指锁相环处于一个固有的自由振荡频率
，即处于失锁状态，当从高端慢慢减小外加输入信号频率
（初始频率设置较高），直到环路锁定，此时外加输入信号频率
就是同步带的最高频率。
当从低端慢慢增加外加输入信号频率（初始频率设置较低），直到环路锁定，此时外加输入信号频率
就是捕捉带的最低频率。
捕捉带为
-
。
五、实验电路说明
调频是用调制信号直接线性地改变载波振荡的瞬时频率，既使载波振荡频率随调制信号的失真变化而变化。
其逆过程为频率解调（也称频率检波或鉴频）。
本实验是用CD4046数字集成锁相环（PLL）来实现调频/解调（鉴频）的。
有关数字集成锁相环CD4046的内部构成和工作原理请参阅相关内容的书籍。
锁相环（4046）的结构框图及引出端功能图如下图所示。
1.用锁相环（集成）构成的调频/解调（鉴频）电路
（1）．锁相环调频原理
注：
由于载波信号频率相对于调制信号频率高的多，故载波信号频率称为所谓的高频（只是相对而言），而调制信号频率则相对应的称为低频。
将调制信号加到压控振荡器（VCO）的控制端，使压控振荡器的输出频率（在自振频率（中心频率）f0上下）随调制信号的变化而变化，于是生成了调频波。
当载波频率与压控振荡频率相近时，载波频率与压控振荡器的振荡频率锁定。
低通滤波器只保证压控振荡器中心振荡频率与载波频率锁定时所产生的相位误差电压通过，该电压与调制信号同经加法器，用以控制压控振荡器的频率，从而获得与载波频率具有同样频率稳定度的调频波。
（2）．锁相环解调原理
调频波（经过放大器放大后）与压控振荡器的输出被送入鉴频器，经鉴相获得变化着的相位误差电压，该误差电压通过低通滤波器被滤掉其高频成份，继而获得随调制信号频率变化而变化的信号，经跟随器得到解调信号，从而实现了解调（鉴频）过程。
2.锁相环振荡频率f0、同步带与捕捉带的测量方法。
（1）．自振频率f0的测量
用示波器观测
脚的输出波形（方波），用频率计测量自振频率f0。
（2）．锁定的判断
脚（SIGNin）输入方波信号，用示波器观察
脚（PC1out）的波形，如锁定，可得到一个稳定的矩形脉冲；若
脚输入信号频率与压控振荡器的振荡频率相等，则
脚输出为稳定地两倍频方波信号。
（3）．同步带宽（锁定范围）和捕捉带宽（捕捉范围）的测量
脚输入一个方波信号（最好用频率计检测），其频率与f0（VCO自振频率）相同。
Ø改变
脚输入信号频率，使频率逐渐降低，直至
脚（或
脚）输出方波刚好不稳定时，环路进入失锁状态，该点频率定义为同步带的下限频率“f1”。
Ø改变
脚输入信号频率，由f1开始频率逐渐增加，直至
脚输出方波刚好再次稳定时，环路进入锁定状态，该点频率定义为捕捉带的下限频率“f2”。
Ø改变
脚输入信号频率，由f2开始频率逐渐增加，直至
脚输出方波刚好再次不稳定时，环路进入失锁状态，该点频率定义为同步带的上限频率“f4”。
Ø改变
脚输入信号频率，由f4开始频率逐渐降低，直至
脚输出方波刚好稳定时，环路进入锁定状态，该点频率定义为捕捉带的上限频率“f3”。
由以上可计算出：
同步带宽为：
f4-f1
捕捉带宽为：
f3-f2
3.实验电路说明
相关概念前面已分析清楚。
这里需要说明的是当要测量压控振荡器的自振频率时，必须先将IN1短路，当要测量压控振荡器的同步带和捕捉带时，必须将IN2短路。
由于电路是环路锁相，改变滤波器参数既可改变VCO的自振频率，因此调节RP1或RP2可改变VCO的自振频率。
当改变C3、C4、R11、R12、R13、R14也可在较大范围内改变VCO的输出频率。
六、实验内容与步骤
1.调频锁相环部分的测试
（1）．锁相环自振频率f0的测量
将IN1、IN2分别对地短路，调节电位器RP1至适中位置，测量D端直流电压（近似电源电压的1/2），用示波器观察锁相环输出OUT1端的波形。
记录波形特性、频率、幅度，填入下表。
OUT1端
锁相环自振波形
波形特性
频率（KHz）
幅度（VP-P）
观察相位比较器（鉴相器）B端的波形，将测量结果填入下表。
B端相位比较器的输出波形
波形特性
频率（KHz）
幅度（VP-P）
相差（不做要求）
观察鉴相器输出C端的预积分波形，将测量结果填入下表。
C端鉴相器输出预积分波形
波形特性
频率（KHz）
幅度（VP-P）
相差（不做要求）
观察压控振荡器输入D端的波形，将测量结果填入下表。
D端鉴相器输出积分波形
波形特性
频率（KHz）
幅度（VP-P）
相差（不做要求）
（2）．锁定的判断
将信号发生器输出的方波信号（幅度3.5VP-P，频率为自振频率f0）加到载波输入IN1端，用双踪示波器同时观测锁相环OUT1端和A端的波形（即锁相环的
脚和
脚）。
如波形稳定表示频率被锁定。
改变信号发生器的输出信号频率，可发现在较大范围内锁相环均能锁定。
记录测量结果。
思考：
当频率锁定时，观测OUT1端和B端出现什么现象？
如何解释？
（3）．测量同步带宽（锁定范围）和捕捉带宽（捕捉范围）
观测A端和OUT1端，改变信号发生器的输出频率（即载波频率）
Ø调节载波信号频率（输入IN1），由自振频率f0开始逐渐缓慢降低，直至（VCOout端）波形抖动（即：
失锁），记录此时的载波输入信号频率f1（下限失锁频点）。
Ø调节载波信号频率，由f1开始逐渐缓慢增加，直至（VCOout端）波形不抖动（即：
锁定），记录此时的载波输入信号频率f2（下限锁定频点）。
Ø调节载波信号频率，由f2开始逐渐缓慢增加，直至（VCOout端）波形抖动（即：
失锁），记录此时的载波输入信号频率f4（上限失锁频点）。
同步带宽（锁定范围）=f4-f1
Ø调节载波信号频率，由f4开始逐渐缓慢降低，直至（VCOout端）波形不抖动（即：
锁定），记录此时的载波输入信号频率f3（上限锁定频点）。
捕捉带宽（捕捉范围）=f3-f2
2.解调部分的测试
（1）．锁相环自振频率的测量
调节电位器RP2至适中位置，测量G端直流电压，用示波器观察锁相环输出E端的波形。
记录波形特性、频率、幅度，填入下表。
E端
锁相环自振波形
波形特性
频率（KHz）
幅度（VP-P）
观察相位比较器（鉴相器）F端的波形，将测量结果填入下表。
F端相位比较器的输出波形
波形特性
频率（KHz）
幅度（VP-P）
观察压控振荡器输入G端的波形，将测量结果填入下表。
G端鉴相器输出积分波形
波形特性
频率（KHz）
幅度（VP-P）
（2）．锁定的判断
将信号发生器输出的方波信号（幅度3.5VP-P，频率为自振频率f0）加到载波输入IN1端，连接A端和IN3端，用双踪示波器同时观测锁相环E端和A端的波形。
如波形稳定表示频率被锁定。
改变信号发生器的输出信号频率，可发现在较大范围内锁相环均能锁定。
记录测量结果。
思考：
锁定时观测A端和F端的波形，有何结论，如何分析？
（3）．测量同步带宽（锁定范围）和捕捉带宽（捕捉范围）
观测A端和E端，改变信号发生器的输出频率（即载波频率）
Ø调节载波信号频率（输入IN1），由自振频率f0开始逐渐缓慢降低，直至（E端）波形抖动（即：
失锁），记录此时的载波输入信号频率f1（下限失锁频点）。
Ø调节载波信号频率，由f1开始逐渐缓慢增加，直至（E端）波形不抖动（即：
锁定），记录此时的载波输入信号频率f2（下限锁定频点）。
Ø调节载波信号频率，由f2开始逐渐缓慢增加，直至（E端）波形抖动（即：
失锁），记录此时的载波输入信号频率f4（上限失锁频点）。
同步带宽（锁定范围）=f4-f1
Ø调节载波信号频率，由f4开始逐渐缓慢降低，直至（E端）波形不抖动（即：
锁定），记录此时的载波输入信号频率f3（上限锁定频点）。
捕捉带宽（捕捉范围）=f3-f2
3.观测系统的调频情况
IN1端输入幅值为3.5VP-P，频率与自振频率相同的方波信号（定义为载波）。
IN2端输入幅值为0.4VP-P，频率1KHz的正弦波信号（定义为调制波）。
用双踪示波器仔细观测OUT1和IN2端，为了可清楚地观看到调频波的疏密变化，可微调调制信号的频率。
4.观测系统的解调（鉴频）情况
保持第3步的状态，联结OUT1端与IN3端（即将调频波接入解调电路），用示波器观测IN2和OUT2，可清楚地观察到频率为1KHz的正弦波（即解调出的波形），可同时与IN2的调制信号进行比较，其相位和频率相同。
七、实验注意事项
用双踪示波器观察波形时要注意波形的锁定，通常是用低频信号作为触发信号，这样更容易观测到波形。
八、实验报告
1.整理所观测到的波形与数据。
绘制相应的波形图。
2.分析锁相环调频时，外加载波信号频率与压控振荡器的中心频率，哪个频率稳定度要求较高？
3.简述实现锁相环调频与鉴频的方法。
4.锁相环调频与锁相环鉴频均有低通滤波器，说明它们有何不同？
实验12锁相式数字频率合成器实验
一、实验目的
1.进一步加深对锁相环工作的基本原理。
2.掌握锁相式数字频率合成电路的工作原理。
二、预习要求
复习反馈控制电路的相关知识。
三、实验仪器
1.双踪示波器
2.频率计
四、实验电路说明
锁相式数字频率合成电路结构框图见下图。
图12-1频率合成器结构框图
1.锁相式数字频率合成电路的组成及工作原理
频率合成技术是现代通信对频率源的频率稳定与准确度，频率纯度及频带利用率提出越来越高的要求的产物。
它能够利用一个高稳标准频率源（如晶体振荡器）合成出大量具有同样性能的离散频率。
直接式锁相频率合成器构成如图12-1所示。
图中
为高稳定的参考脉冲信号（如晶体振荡器输出的信号）。
压控振荡器（VCO）输出经N次分频后得到频率为
的脉冲信号。
和
在鉴相器（PD）进行比较，当环路处于锁定状态时，则：
=
因为：
所以：
1/N分频电路是由三组可预制分频电路完成，各组均由CD4522可编程二进制4位1/N计数器组成，每组分频可用“接入+5V的方法”以8421码的形式对技术器进行预制，也可用单片机编程去控制，分频比的选择范围为1—999（针对三组分频电路而言），总共可预置999个频率点，它是构成锁相式数字频率合成器的重要单元电路，即可编程分频电路。
2.实验电路使用的相位比较器和环路低通滤波器
CD4046内部有两个相位比较器，其中相位比较器
为异或门比较器，要使锁相环范围尽量大，一般要求两个比较信号（进入CD4046的
脚和
脚）的占空比必须为50%的方波，而相位比较器II为过沿控制式比较器，只由两个信号的上升沿作用，所以不要求波形占空比必须为50%的方波。
本实验电路的锁相环电路与锁相式数字频率合成器电路二者均组合在一起，由于相位比较器的比较信号来自可编程分频电路，占空比不是50%的方波，所以本实验电路就选用了相位比较器II。
它具有鉴频和鉴相功能，当两输入信号Ui和Uf频率差较大时，环路从鉴相工作状态自动转入鉴频工作状态，迫使ff逼近fi，当ff=fi时，环路由鉴频器工作状态自动转入鉴相工作状态，这种鉴相器将鉴频与鉴相结合起来工作，的确很方便。
相位比较器II输出的相位误差电压是周期性脉冲波形，需使用低通滤波器将其滤波平滑，得到一直流控制电压，用来控制VCO（压控振荡器）的频率和相位，使其向减小误差的方向变化，从而消除频差与相差，达到锁定状态。
而高频噪声和其它交流谐波分量将被滤波器抑制。
实验电路中的低通滤波器是由R、C元件组成的。
五、实验内容与步骤
1.实验说明
（1）连接A与A’两个端点，B与B’两个端点，由于本实验选用了相位比较器II，所以将D和E两个端点连接。
（2）分频数的设置：
其中组一、组二、组三分别为可编程分频电路的预置数选择组件（每个分组的四个选择端不接线为“0”，任和一端接5V均为“1”），
（3）．组四（电容C）和组五（电阻R）用来预置C和R的数值，不同组合得到不同的自振频率和频率合成范围。
CD4046自由振荡频率主要由外接电阻11脚R1、12脚R2和6、7脚之间C1决定，与其三者成反比关系，在电容C固定的情况下，CD4046的振荡下限频率主要由R2决定，而上限频率则由R1、R2决定，由于R2远远大于R1，所以改变R2的阻值时上限频率增加有限，而下限频率改变较多。
在实验中可试着作出R、C不同组合（十六种），观察不同组合时的下限频率，并作比较，记录结果。
fo（KHz）
C1
C2
C3
C4
R1
R2
R3
R4
2.锁相环电路的观测
选择数字信号发生电路（GPMK10）的1K方波信号接至锁相环的IN端，适当选择组四和组五中的电容和电阻值（自己选择数据测量）。
用双踪示波器同时检测IN端、OUT端的波形频率，记录测量结果。
测量IN端和A端应能观测到同频同宽、但不一定同相的波形，记录测量结果。
波形
频率
IN
OUT
A
3.观察锁相式数字频率合成器
（1）．对可编程分频电路中的组一、组二、组三的预置，可任意设置分频比N，同时选择适当的电阻、电容值，即可在OUT端观测到压控振荡器（VCO）输出的跟踪波形，记录测量结果，并绘制出波形。
（自己选择几组数据测量）
（2）．改变上一步的分频比N，选择适当的电容值，保持适当的时间常数。
重复1的步骤，记录测量结果，并绘制出波形。
（3）．试分别合成出：
890KHZ650KHZ340KHZ167KHZ85KHZ等，记录合成时所选的R、C和N
六、实验注意事项
1.用双踪示波器观察锁相环的跟踪波形时，断开电源，使电路复位后再观察。
2.通过适当的选择R、C组合，可获得最佳的实验效果。
七、实验报告要求
1.根据测量结果，绘出锁相环的跟踪波形。
2.当分频比（N）分别为3、8、12时，计算压控振荡器（VCO）输出的频率。
简述可编程二进制4位1/N技术器CD4522各引脚的功能及逻辑功能。
升级会员 