第四次高頻電子技術實驗報告鎖相環(huán)調(diào)頻

1、高頻電子技術實驗報告 實 驗 報 告 課 程: 高頻電子技術 實 驗: 鎖相環(huán)調(diào)頻 班 級: 電信142班 組 員:辛杰 李聰 黃盟 宋明春 羅流菊 日 期: 二零一五 年 十一月 二十七日 鎖相環(huán)調(diào)頻一. 實驗目的1 加深對鎖相環(huán)基本工作原理的理解。2 掌握鎖相環(huán)同步帶、捕捉帶的測試方法，增加對鎖相環(huán)捕捉、跟蹤和鎖定等 概念的理解。3 掌握集成鎖相環(huán)芯片NE564的使用方法和典型外部電路設計。二、實驗使用儀器1NE564鎖相和調(diào)頻實驗板2200MHz泰克雙蹤示波器3. FLUKE萬用表4. 射頻信號發(fā)生器5. 低頻信號源三、實驗原理工作原理本實驗采用的是鎖相環(huán)來實現(xiàn)調(diào)頻的功能，鎖相環(huán)是由鑒相

2、器( PD)、環(huán)路濾波器( LF)和電壓控制振蕩器( VCO)三個基本部件組成。它它它是一個相位誤差控制系統(tǒng)，它將參考信號與輸出信號之間的相位進行比較，產(chǎn)生相位誤差電壓來調(diào)整輸出信號的相位，以達到與參考信號同頻的目的 。 鎖相環(huán)的構成框圖鑒相器是相位比較器，用來比較輸入信號ui(t)與壓控振蕩器輸出信號uo(t)的相位，輸出電壓對應于這兩個信號相位差的函數(shù)。環(huán)路濾波器是濾除ud(t)高頻分量及噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能。 壓控振蕩器受環(huán)路濾波器輸出電壓uc(t)的控制，使振蕩頻率向輸入信號的頻率靠攏，直至兩者的頻率相同，使得VCO輸出信號的相位和輸入信號的相位保持某種特定的關系，達到相位鎖定

3、的目的。*判斷環(huán)路是否鎖定的方法在有雙蹤示波器的情況下，開始時環(huán)路處于失鎖狀態(tài)，加大輸入信號頻率，用雙蹤示波器觀察壓控振蕩器的輸出信號和環(huán)路的輸入信號，當兩個信號由不同步變成同步，且fi=f0時，表示環(huán)路已經(jīng)進入鎖定狀態(tài)。鎖相調(diào)頻電路在普通的直接調(diào)頻電路中，振蕩器的中心頻率穩(wěn)定度較差，而采用晶體振蕩器的調(diào)頻電路，其調(diào)頻范圍又太窄。采用鎖相環(huán)的調(diào)頻器可以解決這個矛盾。鎖相調(diào)頻原理框圖如下圖所示 鎖相調(diào)頻原理圖正如上面鎖相調(diào)頻原理圖所示，實現(xiàn)鎖相調(diào)頻的條件是調(diào)制信號的頻譜要處于低通濾波器通帶之外。使壓控振蕩器的中心頻率鎖定在穩(wěn)定度很高的晶振頻率上，而隨著輸入調(diào)制信號的變化，振蕩頻率可以發(fā)生很大偏移

4、。這種鎖相環(huán)路稱載波跟蹤型PLL，本實驗中使用的鎖相環(huán)是NE564。 NE564內(nèi)部壓控振蕩器的最高工作頻率是50MHz，從圖10-5的邏輯框圖中可以看到，NE564的內(nèi)部包含一個限幅放大器，對外部的輸入信號進行限幅放大，抑制寄生調(diào)幅，內(nèi)部還包含壓控振蕩器和相位比較器。環(huán)路低通濾波器外接，內(nèi)部有一個放大器對鑒相器的輸出電壓進行放大，然后經(jīng)過直流恢復器后得到模擬信號的輸出。內(nèi)部還有一個斯密特觸發(fā)器，可以得到TTL電平的數(shù)字信號輸出。鎖相環(huán)閉環(huán)的拉氏模型方程可以表示為：鎖相環(huán)傳遞函數(shù)鎖相環(huán)誤差傳遞函數(shù)四、仿真鎖相環(huán)調(diào)頻實驗其輸出調(diào)頻波的波形如下：仿真的時候輸出的波形是完好的調(diào)頻波（是正弦波的形式）

5、，而實驗輸出的卻不是這么好看的調(diào)頻波，可見仿真與實驗還是不能等同的，這也告誡我們在做后續(xù)的設計電路的時候，萬不能太相信仿真，仿真出了結果可是實際焊的電路未出結果是很正常的。五、實驗內(nèi)容： 鎖相環(huán)調(diào)頻實驗原理圖電路原理圖電路原理：電容C12和C13是5V的直流電源的去耦電容，NE564的1腳和10腳外接5V正電源，8腳接地。12腳和13腳之間有一個可變電容，可以微調(diào)壓控振蕩器的中心頻率，跳線開關S8可以切換固定電容，決定了載波中心頻率的范圍。調(diào)制信號從J2輸入，滑動變阻器W2分壓控制輸入調(diào)制信號的幅度，電容C1是隔直電容，調(diào)制信號從6腳輸入鑒相器，電阻R1和電容C2是7腳外接的濾波電路。9腳是壓

6、控振蕩器的輸出端，電阻R7是上拉電阻。3腳是鑒相器的另外一個輸入端，當跳線S1接到鎖相環(huán)路時，構成鎖相環(huán)路。當跳線S1接到調(diào)頻回路時，構成調(diào)頻電路。調(diào)頻信號直接從9腳輸出，在FM OUT端可以通過示波器觀察調(diào)頻信號。芯片的4，5腳分別外接低通濾波器的濾波電容，跳線S3，S4的斷開時，濾波電容是300pF，閉合時濾波電容是1300pF。TP4是環(huán)路低通濾波器的輸出端。滑動變阻器W3可以調(diào)節(jié)低通濾波器的截止頻率?；瑒幼冏杵鱓1可以調(diào)節(jié)芯片2腳的基準電流，從而調(diào)整NE564的頻率鎖定范圍。16腳是FSK解調(diào)的輸出端，電阻R4是上拉電阻。TP3處可以外接示波器觀察FSK解調(diào)出的TTL電平的數(shù)字基帶信號

7、。14腳是普通調(diào)頻信號的解調(diào)輸出端，電容C14是外接的積分電容。15腳是NE564內(nèi)部斯密特觸發(fā)器的遲滯電壓控制端，當跳線S6閉合時，可以通過滑動變阻器W4調(diào)節(jié)遲滯電壓，來獲得FSK解調(diào)出的正確的數(shù)字基帶信號。實驗過程：本實驗主要包括如下三個內(nèi)容1. 壓控振蕩器的測試；2 . 同步帶和捕捉帶的測量；3. 調(diào)頻信號的產(chǎn)生和測量。Step 1. 壓控振蕩器的測試（1） 在實驗箱主板上插上鎖相環(huán)調(diào)頻與測試電路實驗模塊。接通實驗箱上電源開關，電源指標燈點亮。 （2） 把跳線S1，S2，S5，S6，S7斷開，S3，S4合上。在這種狀態(tài)下，單獨測試壓控振蕩器的自由振蕩頻率：將雙排開關S8的5端合上，此時8

8、200pF的固定電容接入12，13腳之間，用示波器觀察TP2處的波形（壓控振蕩器的輸出端），并測量此時的振蕩頻率。調(diào)節(jié)滑動變阻器W1的值，觀察振蕩頻率是否有變化，并思考原因。然后調(diào)節(jié)可變電容CW，觀察振蕩頻率的變化范圍，并記錄。當合上S8的5端時，此時振蕩器輸出頻率f=50.91kHz的方波，Vpp=5.24V其波形如下圖圖1圖2圖 1W1減小上圖顯示的是W1減小過程的波形變化，在實驗過程中，我不斷地交線W1的值，發(fā)現(xiàn)輸出波的頻率在不斷改變，從起初的50.91kHz變到了71.02kHz，而幅度基本不變。W1能改變輸出波頻率的原因：滑動變阻器W1可以調(diào)節(jié)芯片2腳的基準電流，從而調(diào)整NE564的

9、頻率鎖定范圍（查書）另外通過調(diào)節(jié)微變電容CW（此時使得W1保持不變），測得輸出信號頻率的變化范圍為50.73550.909kHz將雙排開關S8的6端合上，此時820pF的固定電容接入12，13腳之間，用示波器觀察TP2處的波形（壓控振蕩器的輸出端），并測量此時的振蕩頻率。調(diào)節(jié)滑動變阻器W1的值以及CW，觀察及記錄振蕩頻率的變化。當合上S8的6端時，此時振蕩器輸出頻率f=342.91kHz的方波，其波形如下圖圖3。與S8接到5端時的情況比較，輸出頻率普遍增大，這是因為S8所接的電容直接接入壓控振蕩器的12、13腳，它決定了振蕩器的載波中心頻率，接入的C越小，振蕩頻率越大，這可由公式f=12LC得

10、到。S8接5的時候，接入了8200pF的電容，而S8接6端時，只接入了820pF的電容，所以接6端時振蕩頻率要普遍比它大。W1減小圖4圖3上面兩圖顯示的是W1減小過程的波形變化，同樣我們發(fā)現(xiàn)輸出波的頻率隨著W1的減小而增大，從起初的342.91kHz變到了704.20kHz， 其原因在S8接5端的時候已經(jīng)敘述。另外調(diào)節(jié)微變電容CW（此時使得W1保持不變），測得輸出信號頻率的變化范圍為487.281505.7601kHz將雙排開關S8的7端合上，此時82pF的固定電容接入12，13腳之間，用示波器觀察TP2處的波形（壓控振蕩器的輸出端），并測量此時的振蕩頻率。調(diào)節(jié)滑動變阻器W1的值以及CW，觀察

11、及記錄振蕩頻率的變化。當合上S8的7端時，此時振蕩器輸出頻率f=2.82MHz的方波，其波形如下圖圖5。因為此種情況，接入壓控振蕩器的是82pF的電容，所以頻率更進一步的增大時理所當然（前面已經(jīng)說明理由）。W1減小圖6圖5上面兩圖顯示的是W1減小過程的波形變化，同樣我們發(fā)現(xiàn)輸出波的頻率隨著W1的減小而增大，從起初的2.82MHz變到了3.46MHz， 其原因在S8接5端的時候已經(jīng)敘述。另外調(diào)節(jié)微變電容CW（此時使得W1保持不變），測得輸出信號頻率的變化范圍為2.673.6MHz鎖相環(huán)此時輸出的已不是方波，上下已明顯不對稱？試解釋其原因。原因解釋：這是由頻率牽引造成的。在鎖相環(huán)中，壓控振蕩器是一

12、個電壓頻率變換裝置，在環(huán)中作為被控振蕩器，它的振蕩頻率隨輸入控制電壓Uc(t)線性的變化（實際上，只是在一定范圍內(nèi)線性變化），即vt=0+KUct，定義0=i-0 ，在0稍大于K時，由于在一周內(nèi)瞬時相差平均增長率不一樣，使得鑒相器輸出誤差電壓稱為一個上下不對稱的非正弦差拍波形，其頻率為輸入頻率與振蕩頻率之差，屬于有直流分量的情況。這一非正弦差拍電壓作用于VCO上，使其振蕩頻率隨之作相應規(guī)律的周期性變化，最終平均振蕩頻率偏離VCO中心頻率而向輸入頻率靠攏，此即為頻率牽引現(xiàn)象。下圖即為頻率牽引現(xiàn)象造成的輸出波形：所以我們的輸出波形才會出項前面的不對稱波形將雙排開關S8的8端合上，此時22pF的固定

13、電容接入12，13腳之間，用示波器觀察TP2處的波形（壓控振蕩器的輸出端），并測量此時的振蕩頻率。調(diào)節(jié)滑動變阻器W1的值，觀察振蕩頻率是否有變化，并思考原因。然后調(diào)節(jié)可變電容CW，觀察振蕩頻率的變化范圍，并記錄。當合上S8的7端，即接入22pF電容時，此時振蕩器輸出頻率f=7.8MHz的方波，其波形如下圖圖7。圖7圖8上面兩圖顯示的是W1減小過程的波形變化，同樣我們發(fā)現(xiàn)輸出波的頻率隨著W1的減小而增大，從起初的7.69MHz變到了11.87MHz，其原因在S8接5端的時候已經(jīng)敘述。另外調(diào)節(jié)微變電容CW（此時使得W1保持不變），測得輸出信號頻率的變化范圍為5.229.54MHzStep 2. 同

14、步帶和捕捉帶的測量把跳線S1接到鎖相位置，把跳線S2， S6，S7斷開，S3，S4，S5，S8的7端合（即接入82pF的電容）上。若沒有失鎖，可降低輸入頻率fi（1）調(diào)節(jié)可變電容CW和滑動變阻器W1的值，用示波器觀察TP2處的波形，使其振蕩頻率達到4MHz（fVCO=2MHz作為參考值），用高頻信號源產(chǎn)生頻率為3.8MHz，Vpp=4V的正弦信號fi，從TP1處輸入。（2）同步帶和捕捉帶的測量測量方法：基準頻率fi=3.8MHz，一般情況下環(huán)路都會處于失鎖狀態(tài)，然后緩緩增加輸入信號頻率fi，用雙蹤示波器仔細觀察TP1和TP2處兩信號之間(即fi和fVCO）之間的關系。當發(fā)現(xiàn)兩信號由不同步變?yōu)橥?/p>

15、步，表示環(huán)路進入剛進入到鎖定狀態(tài)，記下此時的頻率f1，這就是捕捉帶的下限頻率，繼續(xù)增加fi，此時壓控振蕩器頻率fVCO將隨fi而變。但當fi增加到F2時，fVCO不再隨fi而變，記下此時的F2，即為環(huán)路同步帶的上限頻率，然后再逐步降低fi。當fi降低到f2時，兩信號又開始同步，此頻率f2即捕捉帶的上限頻率。然后不斷降低fi，兩信號開始是一直同步的，直到輸入信號頻率降低到F1時，兩信號不再同步，此頻率F1即同步帶的下限頻率。捕捉帶 同步帶4.485MHz記錄測量的同步帶和捕捉帶范圍。根據(jù)如上的測量順序，我所得到的測量數(shù)據(jù)為：同步帶下限頻率F2捕捉帶下限頻率f1捕捉帶上限頻率f25.573MHz3

16、.933MHz捕捉帶：f=f2-f1=0.552MHz同步帶：f=F2-F1=3.460MHz2.113MHz捕捉帶下限頻率F1（3）觀察鎖定后的典型波形實驗中，觀察TP1、TP2、芯片4，5腳處的典型波形。Step 3 利用NE564產(chǎn)生調(diào)頻信號把跳線S1接到調(diào)頻位置，把跳線S2，S3，S4，S5 ，S6，S7斷開，S8的8端合上。調(diào)節(jié)滑動變阻器W1的值，調(diào)節(jié)可變電容CW，使TP2處測量到的振蕩頻率為10.7MHz，以此頻率作為調(diào)頻信號的中心頻率，用低頻信號源產(chǎn)生頻率為1KHz，幅度為500mV的調(diào)制信號從TP1處輸入。在TP2處用示波器觀察輸出的調(diào)頻信號，并接入頻譜分析儀觀察頻偏大小。輸出

17、調(diào)頻波的頻譜輸出調(diào)頻波逐步增加調(diào)制信號的幅度，用示波器和頻譜分析儀觀察頻偏的變化情況。調(diào)制信號幅度逐漸增加我們可以看到，隨著調(diào)制幅度的增加，調(diào)制深度越來越大，表現(xiàn)在頻譜上就是頻偏越來越大，頻率峰點之間區(qū)分的越明顯，正如前面的變?nèi)荻O管調(diào)頻實驗中所講，輸入調(diào)制信號的幅度越大，調(diào)制指數(shù)m=VV0+VD越大，從而使的調(diào)頻波的頻偏越大，在頻譜圖上就表現(xiàn)為頻率峰點之間的距離越大。逐漸增加調(diào)制信號的頻率，其頻譜圖變化規(guī)律如下：頻率逐漸增大隨著制信號頻率的增加，輸出調(diào)頻波的頻率的周期性變化越來越快。這是由調(diào)頻波的特性決定的，調(diào)頻波的瞬時頻率表達式為=0+kfVcost，所以大，頻率變化越快，表現(xiàn)在頻譜上就是同一時刻顯示的峰值越多。六、結