锁相环调频.docx

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锁相环调频

实验十锁相环调频

一.实验目的

1．加深对锁相环基本工作原理的理解。

2．掌握锁相环同步带、捕捉带的测试方法，增加对锁相环捕捉、跟踪和锁定等概念的理解。

3．掌握集成锁相环芯片NE564的使用方法和典型外部电路设计。

二、实验使用仪器

1．NE564锁相和调频实验板

2．200MHz泰克双踪示波器

3.FLUKE万用表

4.射频信号发生器

5.低频信号源

三、实验原理

本实验采用的是锁相环来实现调频的功能，锁相环是由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和电压控制振荡器（VCO）三个基本部件组成。

它它它是一个相位误差控制系统，它将参考信号与输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整输出信号的相位，以达到与参考信号同频的目的。

锁相环的构成框图

鉴相器是相位比较器，用来比较输入信号

与压控振荡器输出信号

的相位，输出电压对应于这两个信号相位差的函数。

环路滤波器是滤除

高频分量及噪声，以保证环路所要求的性能。

压控振荡器受环路滤波器输出电压

的控制，使振荡频率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频率相

同，使得VCO输出信号的相位和输入信号的相位保持某种特定的关系，达到相位

锁定的目的。

*判断环路是否锁定的方法

在有双踪示波器的情况下，开始时环路处于失锁状态，加大输入信号频率，用双踪示波器观察压控振荡器的输出信号和环路的输入信号，当两个信号由不同步变成同步，且

时，表示环路已经进入锁定状态。

锁相调频电路

在普通的直接调频电路中，振荡器的中心频率稳定度较差，而采用晶体振荡器的调频电路，其调频范围又太窄。

采用锁相环的调频器可以解决这个矛盾。

锁相调频原理框图如下图所示

锁相调频原理图

正如上面锁相调频原理图所示，

实现锁相调频的条件是调制信号的频谱要处于低通滤波器通带之外。

使压控振荡器的中心频率锁定在稳定度很高的晶振频率上，而随着输入调制信号的变化，振荡频率可以发生很大偏移。

这种锁相环路称载波跟踪型PLL，本实验中使用的锁相环是NE564。

NE564内部压控振荡器的最高工作频率是50MHz，从图10-5的逻辑框图中可以看到，NE564的内部包含一个限幅放大器，对外部的输入信号进行限幅放大，抑制寄生调幅，内部还包含压控振荡器和相位比较器。

环路低通滤波器外接，内部有一个放大器对鉴相器的输出电压进行放大，然后经过直流恢复器后得到模拟信号的输出。

内部还有一个斯密特触发器，可以得到TTL电平的数字信号输出。

锁相环闭环的拉氏模型方程可以表示为：

四、仿真

锁相环调频实验

其输出调频波的波形如下：

仿真的时候输出的波形是完好的调频波（是正弦波的形式），而实验输出的却不是这么好看的调频波，可见仿真与实验还是不能等同的，这也告诫我们在做后续的设计电路的时候，万不能太相信仿真，仿真出了结果可是实际焊的电路未出结果是很正常的。

五、实验内容：

锁相环调频实验原理图电路原理图

电路原理：

电容C12和C13是5V的直流电源的去耦电容，NE564的1脚和10脚外接5V正电源，8脚接地。

12脚和13脚之间有一个可变电容，可以微调压控振荡器的中心频率，跳线开关S8可以切换固定电容，决定了载波中心频率的范围。

调制信号从J2输入，滑动变阻器W2分压控制输入调制信号的幅度，电容C1是隔直电容，调制信号从6脚输入鉴相器，电阻R1和电容C2是7脚外接的滤波电路。

9脚是压控振荡器的输出端，电阻R7是上拉电阻。

3脚是鉴相器的另外一个输入端，当跳线S1接到锁相环路时，构成锁相环路。

当跳线S1接到调频回路时，构成调频电路。

调频信号直接从9脚输出，在FMOUT端可以通过示波器观察调频信号。

芯片的4，5脚分别外接低通滤波器的滤波电容，跳线S3，S4的断开时，滤波电容是300pF，闭合时滤波电容是1300pF。

TP4是环路低通滤波器的输出端。

滑动变阻器W3可以调节低通滤波器的截止频率。

滑动变阻器W1可以调节芯片2脚的基准电流，从而调整NE564的频率锁定范围。

16脚是FSK解调的输出端，电阻R4是上拉电阻。

TP3处可以外接示波器观察FSK解调出的TTL电平的数字基带信号。

14脚是普通调频信号的解调输出端，电容C14是外接的积分电容。

15脚是NE564内部斯密特触发器的迟滞电压控制端，当跳线S6闭合时，可以通过滑动变阻器W4调节迟滞电压，来获得FSK解调出的正确的数字基带信号。

实验过程：

本实验主要包括如下三个内容

1.压控振荡器的测试；2.同步带和捕捉带的测量；3.调频信号的产生和测量。

Step1.压控振荡器的测试

（1）在实验箱主板上插上锁相环调频与测试电路实验模块。

接通实验箱上电源开关，电源指标灯点亮。

（2）把跳线S1，S2，S5，S6，S7断开，S3，S4合上。

在这种状态下，单独测试压控振荡器的自由振荡频率：

将双排开关S8的5端合上，此时8200pF的固定电容接入12，13脚之间，用示波器观察TP2处的波形（压控振荡器的输出端），并测量此时的振荡频率。

调节滑动变阻器W1的值，观察振荡频率是否有变化，并思考原因。

然后调节可变电容CW，观察振荡频率的变化范围，并记录。

当合上S8的5端时，此时振荡器输出频率f=50.91kHz的方波，Vpp=5.24V其波形如下图图1

将双排开关S8的6端合上，此时820pF的固定电容接入12，13脚之间，用示波器观察TP2处的波形（压控振荡器的输出端），并测量此时的振荡频率。

调节滑动变阻器W1的值以及CW，观察及记录振荡频率的变化。

当合上S8的6端时，此时振荡器输出频率f=342.91kHz的方波，其波形如下图图3。

与S8接到5端时的情况比较，输出频率普遍增大，这是因为S8所接的电容直接接入压控振荡器的12、13脚，它决定了振荡器的载波中心频率，接入的C越小，振荡频率越大，这可由公式得到。

S8接5的时候，接入了8200pF的电容，而S8接6端时，只接入了820pF的电容，所以接6端时振荡频率要普遍比它大。

上面两图显示的是W1减小过程的波形变化，同样我们发现输出波的频率随着W1的减小而增大，从起初的342.91kHz变到了704.20kHz，其原因在S8接5端的时候已经叙述。

另外调节微变电容CW（此时使得W1保持不变），测得输出信号频率的变化范围为487.281~505.7601kHz

将双排开关S8的7端合上，此时82pF的固定电容接入12，13脚之间，用示波器观察TP2处的波形（压控振荡器的输出端），并测量此时的振荡频率。

调节滑动变阻器W1的值以及CW，观察及记录振荡频率的变化。

当合上S8的7端时，此时振荡器输出频率f=2.82MHz的方波，其波形如下图图5。

因为此种情况，接入压控振荡器的是82pF的电容，所以频率更进一步的增大时理所当然（前面已经说明理由）。

上面两图显示的是W1减小过程的波形变化，同样我们发现输出波的频率随着W1的减小而增大，从起初的2.82MHz变到了3.46MHz，其原因在S8接5端的时候已经叙述。

另外调节微变电容CW（此时使得W1保持不变），测得输出信号频率的变化范围为2.67~3.6MHz

锁相环此时输出的已不是方波，上下已明显不对称？

试解释其原因。

原因解释：

这是由频率牵引造成的。

在锁相环中，压控振荡器是一个电压—频率变换装置，在环中作为被控振荡器，它的振荡频率随输入控制电压

线性的变化（实际上，只是在一定范围内线性变化），即

，定义

，在

稍大于K时，由于在一周内瞬时相差平均增长率不一样，使得鉴相器输出误差电压称为一个上下不对称的非正弦差拍波形，其频率为输入频率与振荡频率之差，属于有直流分量的情况。

这一非正弦差拍电压作用于VCO上，使其振荡频率随之作相应规律的周期性变化，最终平均振荡频率偏离VCO中心频率而向输入频率靠拢，此即为频率牵引现象。

下图即为频率牵引现象造成的输出波形：

所以我们的输出波形才会出项前面的不对称波形

将双排开关S8的8端合上，此时22pF的固定电容接入12，13脚之间，用示波器观察TP2处的波形（压控振荡器的输出端），并测量此时的振荡频率。

调节滑动变阻器W1的值，观察振荡频率是否有变化，并思考原因。

然后调节可变电容CW，观察振荡频率的变化范围，并记录。

当合上S8的7端，即接入22pF电容时，此时振荡器输出频率f=7.8MHz的方波，其波形如下图图7。

Step2.同步带和捕捉带的测量

把跳线S1接到锁相位置，把跳线S2，S6，S7断开，S3，S4，S5，S8的7端合（即接入82pF的电容）上。

（1）调节可变电容CW和滑动变阻器W1的值，，用示波器观察TP2处的波形，使其振荡频率达到4MHz（

作为参考值），用高频信号源产生频率为3.8MHz，Vpp=4V的正弦信号

，从TP1处输入。

（2）同步带和捕捉带的测量

测量方法：

基准频率

，一般情况下环路都会处于失锁状态，然后缓缓增加输入信号频率

，用双踪示波器仔细观察TP1和TP2处两信号之间（即

和

）之间的关系。

当发现两信号由不同步变为同步，表示环路进入刚进入到锁定状态，记下此时的频率

，这就是捕捉带的下限频率，继续增加

，此时压控振荡器频率

将随

而变。

但当

增加到

时，

不再随

而变，记下此时的

，即为环路同步带的上限频率，然后再逐步降低

。

当

降低到

时，两信号又开始同步，此频率

即捕捉带的上限频率。

然后不断降低

，两信号开始是一直同步的，直到输入信号频率降低到

时，两信号不再同步，此频率

即同步带的下限频率。

捕捉带

同步带

记录测量的同步带和捕捉带范围。

根据如上的测量顺序，我所得到的测量数据为：

（3）观察锁定后的典型波形

实验中，观察TP1、TP2、芯片4，5脚处的典型波形。

Step3利用NE564产生调频信号

把跳线S1接到调频位置，把跳线S2，S3，S4，S5，S6，S7断开，S8的8端合上。

调节滑动变阻器W1的值，调节可变电容CW，使TP2处测量到的振荡频率为10.7MHz，以此频率作为调频信号的中心频率，用低频信号源产生频率为1KHz，幅度为500mV的调制信号从TP1处输入。

在TP2处用示波器观察输出的调频信号，并接入频谱分析仪观察频偏大小。

逐步增加调制信号的幅度，用示波器和频谱分析仪观察频偏的变化情况。

我们可以看到，随着调制幅度的增加，调制深度越来越大，表现在频谱上就是频偏越来越大，频率峰点之间区分的越明显，正如前面的变容二极管调频实验中所讲，输入调制信号的幅度越大，调制指数越大，从而使的调频波的频偏越大，在频谱图上就表现为频率峰点之间的距离越大。

逐渐增加调制信号的频率，其频谱图变化规律如下：

六、结束语

本实验以及下面的实验十一是基于单片集成锁相环NE564的调频与鉴频系统。

此系统具有调制性能好，载频稳定度高的优点。

并且该调频系统不需要更改电路结构就可以实现自由振荡、压控振荡、直接调频和锁相调频和调相的功能，实现方法简单。

其内部结构：

频率锁相环技术一般使用相位反馈，此技术可以用固定的相位差实现频率的跟踪。

并且锁相环中比较相位的部件都是数字电路，本身对元件误差不敏感。

即使振荡部分的器件参数发生一些变化，也仍可按所设定的频率稳定工作，从而提高了系统的整体功能和稳定性。

基于本次实验，后面我们做收发电路的可以考虑使用锁相环实现之。

参考文献：

【1】高贺《Protel99SE仿真实例——典型锁相环回路的仿真》走进仿真世界2007年.01总第532期

【2】宁波大学师院张卫强《高精度锁相环调频电路》维普资讯

【3】张肃文《高频电子线路》北京高等教育出版社