模擬鎖相環(huán)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、實(shí)驗(yàn)十四模擬鎖相環(huán)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解用鎖相環(huán)構(gòu)成的調(diào)頻波解調(diào)原理。2、學(xué)習(xí)用集成鎖相環(huán)構(gòu)成的鎖相解調(diào)電路。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、掌握鎖相環(huán)鎖相原理。2、掌握同步帶和捕捉帶的測(cè)量。三、實(shí)驗(yàn)儀器1、1號(hào)模塊1塊2、6號(hào)模塊1塊3、5號(hào)模塊1塊4、雙蹤示波器1臺(tái)四、鎖相環(huán)的構(gòu)成及工作原理1、鎖相環(huán)路的基本組成鎖相環(huán)由三部分組成，如圖14-1所示，它由相位比較器PD、低通濾波器LF、壓控振蕩 器vco三個(gè)部分組成一個(gè)閉合環(huán)路，輸入信號(hào)為vi(t),輸出信號(hào)為V(t),反饋至輸入端。下 面逐一說(shuō)明基本部件的作用。圖14-1鎖相環(huán)組成框圖一、壓控振蕩器(VCO)VCO是本控制系統(tǒng)的控制對(duì)象，被控參數(shù)通常是其

2、振蕩頻率，控制信號(hào)為加在VCO上的 電壓，故稱為壓控振蕩器，也就是一個(gè)電壓一頻率變換器，實(shí)際上還有一種電流一頻率變換 器，但習(xí)慣上仍稱為壓控振蕩器。二、鑒相器（PD）PD是一個(gè)相位比較裝置，用來(lái)檢測(cè)輸出信號(hào)V0（t）與輸入信號(hào)匕代）之間的相位差0 e（t），并把0 e（t）轉(zhuǎn)化為電壓Vd（t）輸出，Vd（t）稱為誤差電壓，通常Vd（t）作為一直流分量或 一低頻交流量。三、環(huán)路濾波器（LF）LF作為一低通濾波電路，其作用是濾除因PD的非線性而在Vd（t）中產(chǎn)生的無(wú)用的組合 頻率分量及干擾，產(chǎn)生一個(gè)只反映0 e（t）大小的控制信號(hào)Ve（t）。按照反饋控制原理，如果由于某種原因使VCO的頻率發(fā)生變化

3、使得與輸入頻率不相等， 這必將使V0（t） 與匕代）的相位差0 e（t）發(fā)生變化，該相位差經(jīng)過(guò)PD轉(zhuǎn)換成誤差電壓Vd（t）， 此誤差電壓經(jīng)LF濾波后得到Vc（t），由Vc（t）去改變VCO的振蕩頻率使趨近于輸入信號(hào)的頻 率，最后達(dá)到相等。環(huán)路達(dá)到最后的這種狀態(tài)就稱為鎖定狀態(tài)，當(dāng)然由于控制信號(hào)正比于相 位差，即匕（t）以（t）因此在鎖定狀態(tài)，0 e（t）不可能為零，換言之在鎖定狀態(tài)V0（t） 與匕代）仍存在相位差。2、鎖相環(huán)鎖相原理鎖相環(huán)是一種以消除頻率誤差為目的的反饋控制電路，它的基本原理是利用相位誤差電 壓去消除頻率誤差，所以當(dāng)電路達(dá)到平衡狀態(tài)后，雖然有剩余相位誤差存在，但頻率誤差可 以降低

4、到零，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)頻差的頻率跟蹤和相位跟蹤。當(dāng)調(diào)頻信號(hào)沒有頻偏時(shí)，若壓控振蕩器的頻率與外來(lái)載波信號(hào)頻率有差異時(shí)，通過(guò)相位 比較器輸出一個(gè)誤差電壓。這個(gè)誤差電壓的頻率較低，經(jīng)過(guò)低通濾波器濾去所含的高頻成份， 再去控制壓控振蕩器，使振蕩頻率趨近于外來(lái)載波信號(hào)頻率，于是誤差越來(lái)越小，直至壓控 振蕩頻率和外來(lái)信號(hào)一樣，壓控振蕩器的頻率被鎖定在與外來(lái)信號(hào)相同的頻率上，環(huán)路處于 鎖定狀態(tài)。當(dāng)調(diào)頻信號(hào)有頻偏時(shí)，和原來(lái)穩(wěn)定在載波中心頻率上的壓控振蕩器相位比較的結(jié)果，相 位比較器輸出一個(gè)誤差電壓，如圖14-2，以使壓控振蕩器向外來(lái)信號(hào)的頻率靠近。由于壓 控振蕩器始終想要和外來(lái)信號(hào)的頻率鎖定，為達(dá)到鎖定的條件，相位

5、比較器和低通濾波器向 壓控振蕩器輸出的誤差電壓必須隨外來(lái)信號(hào)的載波頻率偏移的變化而變化。也就是說(shuō)這個(gè)誤 差控制信號(hào)就是一個(gè)隨調(diào)制信號(hào)頻率而變化的解調(diào)信號(hào)，即實(shí)現(xiàn)了鑒頻。圖14-2鎖相環(huán)（PLL）3、同步帶與捕捉帶同步帶是指從PLL鎖定開始，改變輸入信號(hào)的頻率（向高或向低兩個(gè)方向變化）， 直到PLL失鎖（由鎖定到失鎖），這段頻率范圍稱為同步帶。捕捉帶是指鎖相環(huán)處于一定的固有振蕩頻率fv，并當(dāng)輸入信號(hào)頻率偏離fv上限值匕max 或下限值f, min時(shí)，環(huán)路還能進(jìn)入鎖定，則稱f, max - f. min = w v為捕捉帶。測(cè)量的方法是從J4輸入一個(gè)頻率接近于VCO自由振蕩頻率的高頻調(diào)頻信號(hào)，先增

6、大載 波頻率直至環(huán)路剛剛失鎖，記此時(shí)的輸入頻率為fHi ,再減小，直到環(huán)路剛剛鎖定為止， 記此時(shí)的輸入頻率為fH2，繼續(xù)減小，直到環(huán)路再一次剛剛失鎖為止，記此時(shí)的頻率為fLi, 再一次增大，直到環(huán)路再一次剛剛鎖定為止，記此時(shí)頻率為fL2由以上測(cè)試可計(jì)算得：同步帶為：fLi捕捉帶為：fL2五、集成鎖相環(huán)NE564的介紹下圖為NE564內(nèi)部組成框圖。其中限幅器由差分電路組成，可抑制FM信號(hào)的寄生調(diào) 幅；鑒相器（PD）的內(nèi)部含有限幅放大器，以提高對(duì)AM信號(hào)的抗干擾能力：4、5腳外接電容 組成環(huán)路濾波器，用來(lái)濾除比較器輸出的直流誤差電壓中的紋波;2腳用來(lái)改變環(huán)路的增益; 3腳為VCO的反饋輸入端；VC

7、O是改進(jìn)型的射極耦合多諧振蕩器，有兩個(gè)電壓輸出端，9腳 輸出TTL電平，11腳輸出ECL電平。VCO內(nèi)部接有固定電阻，只需外接一個(gè)定時(shí)電容就可產(chǎn)生振蕩；施密特觸發(fā)器的回差電壓可通過(guò)15腳外接直流電壓進(jìn)行調(diào)整，以消除16腳輸出 信號(hào)的相位抖動(dòng)。+Ec 環(huán)路泄波FM解例輸出定時(shí)電容圖14-3 NE564內(nèi)部組成框圖在本實(shí)驗(yàn)中，所使用的鎖相環(huán)為高頻模擬鎖相環(huán)NE564,其最高工作頻率可達(dá)到50MHz， 采用+5V單電源供電，特別適用于高速數(shù)字通信中FM調(diào)頻信號(hào)及FSK移頻鍵控信號(hào)的調(diào)制、 解調(diào)，無(wú)需外接復(fù)雜的濾波器。NE564采用雙極性工藝，其內(nèi)部組成框圖如圖14-3所示， 其內(nèi)部電路原理圖如圖14

8、-4所示。（1）限幅放大器館*3.L_? s iLt?s- s苫！.1?TTiJLai為限幅放大器，它王要由原理圖中的QQ5及Q7、Q8組成PNP、NPN互補(bǔ)的共集一共射 組合差分放大器，由于Q2、Q3負(fù)載并聯(lián)有肖特基二極管D1. D2,故其雙端輸出電壓被限幅在 2Vd=O.30.4V左右。因此可有效抑制FM調(diào)頻信號(hào)輸入時(shí)干擾所產(chǎn)生的寄生調(diào)幅。Q7、Q8為 射極輸出差放，以作緩沖，其輸出信號(hào)送鑒相器。相位比較器(鑒相器)PD內(nèi)部含有限幅放大器，以提高對(duì)AM調(diào)幅信號(hào)的抗干擾能力；外接電容C3、C8與內(nèi)部 兩個(gè)對(duì)應(yīng)電阻(阻值R=1.3k)分別組成一階RC低通濾波器用來(lái)濾除比較器輸出的直流誤差電 壓

9、中的紋波，其截止角頻率為 = 。濾波器的性能對(duì)環(huán)路入鎖時(shí)間的快慢有一定影響， c RC 3可根據(jù)要求改變C3、C8的值。在本實(shí)驗(yàn)電路中，改變W1可改變引腳2的輸入電流，從而實(shí) 現(xiàn)環(huán)路增益控制。壓控振蕩 器 VCO壓控振蕩器是一改進(jìn)型的射極定時(shí)多諧振蕩器。主電路由q21、q22與q23、q24組成。其中 Q，Q兩射極通過(guò)12、13腳外接定時(shí)電容C，Q、Q兩射極分別經(jīng)過(guò)電阻R、R接電源 222321242223q27、q25。q26也作為電流源。q17、q18為控制信號(hào)輸入緩沖極。接通電源，q21，q22與q23、q24 雙雙輪流導(dǎo)通與截止，電容周期性充電與放電，于是q22、q23集電極輸出極性相

10、反的方形脈 沖。根據(jù)特定設(shè)計(jì)，固有振蕩頻率f與定時(shí)電容C的關(guān)系可表示為振蕩頻率f與C的關(guān)系曲線如圖14-5所示。VCO有兩個(gè)電壓輸出端，其中，VCOO1輸出TTL 電平；VCO02輸出ECL電平。輸出放大器禹與直流恢復(fù)電路A3是專為解 調(diào)FM信號(hào)與FSK信號(hào)而設(shè)計(jì)的。輸出放大器A2 由q37、q38、Q39組成，顯然這是一恒流源差分放 大電路，來(lái)自鑒相器的誤差電壓由4、5腳輸入， 經(jīng)緩沖后，雙端送入A2放大。直流恢復(fù)電路由 q42、q43、q44等組成，電流源q4o作q43的有源負(fù) 載。H6=-u_!JFlq!=c:qddc:JFREQUENCY kHz若環(huán)路的輸入為FSK信號(hào)，即頻率在與圖1

11、4-5 f與c的關(guān)系f之間周期性跳變的信號(hào)，則鑒相器的輸出電壓被A放大后分兩路，一路直接送施密特觸發(fā)器的輸入，另一路送直流恢復(fù)電路A/勺Q42基極，由于Q43集電極通過(guò)14腳外接一濾波電容， 放直流恢復(fù)電路的輸出電壓就是一個(gè)平均值一一直流。這個(gè)直流電壓vref再送施密特觸發(fā)器 另一輸入端就作為基極電壓。若環(huán)路的輸入為FM信號(hào)，A3用作線性解調(diào)FM信號(hào)時(shí)的后置鑒相濾波器，那么在鎖定狀 態(tài)，14腳的電壓就是FM解調(diào)信號(hào)。施密特觸發(fā)器是專為解調(diào)FSK信號(hào)而設(shè)計(jì)的，其作用就是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL數(shù)字信 號(hào)。直流恢復(fù)輸出的直流基準(zhǔn)電壓vref（經(jīng)r26到Q49基極）與被A2放大了的誤差電壓vdm分別

12、送入Q和Q的基極，V與V進(jìn)行比較，當(dāng)V V時(shí)，則Q導(dǎo)通，Q截止，從而迫使 4950dm REFdm REF5049Q截止，Q導(dǎo)通，于是16腳輸出低電平。當(dāng)V V V時(shí)，Q導(dǎo)通，Q截止，從而迫使Q5455dm REF495054導(dǎo)通Q55截止，16腳輸出高電平。通過(guò)15腳改變Q52的電流大小，可改變觸發(fā)器上下翻轉(zhuǎn)電 平，上限電平與下限電平之差也稱為滯后電壓vh。調(diào)節(jié)vh可消除因載波泄漏而造成的誤觸 發(fā)而出現(xiàn)的FSK解調(diào)輸出，特別是在數(shù)據(jù)傳輸速率比較高的場(chǎng)合，并且此時(shí)14腳濾波電容 不能太大。ST的回差電壓可通過(guò)10腳外接直流電壓進(jìn)行調(diào)整，以消除輸出信號(hào)TTL0的相位抖動(dòng)。六、實(shí)驗(yàn)步驟1、鎖相環(huán)自

13、由振蕩頻率的測(cè)量將5號(hào)板開關(guān)S1依次設(shè)為“1000”，“0100”，“0010”，“0001 ”（即選擇不同的定時(shí)電容），從TP6處觀察自由振蕩波形，并填寫表14-1。頻率(MHz)幅度（Vp-p）S1=1000C=20p17.5071.08S1=0100C=47p8.4681.7S1=0010C=110p3.9462.6S1=0001C=1100p0.53085.1表 14-1當(dāng)si設(shè)為1000, c=20p時(shí)，從tp6處觀察到的波形如下圖所示:當(dāng)s2設(shè)為0100，c=47p時(shí)，從tp6處觀察到的波形如下圖所示:當(dāng)s3設(shè)為0010, c=110p時(shí)，從tp6處觀察到的波形如下圖所示:當(dāng)s4設(shè)

14、為0001, c=1100p時(shí)，從tp6處觀察到的波形如下圖所示:2、同步帶和捕捉帶的測(cè)量1）將S2設(shè)為0010 （即VCO的自由振蕩頻率為4.5MHz），并完成下表所示的連線。源端口目的端口連線說(shuō)明1號(hào)模塊：輸出信號(hào) f=4.5MHz，Vp-p=500mV5號(hào)模塊：P7為PD送入?yún)⒖夹盘?hào)5號(hào)模塊：P55號(hào)模塊：P8將VCO輸出送入PD5號(hào)模塊：P46號(hào)模塊：P3測(cè)量VCO輸出信號(hào)的頻率2）用雙蹤示波器對(duì)比觀測(cè)5號(hào)模塊信號(hào)輸入端TP8和VCO輸出信號(hào)TP6的波形，觀察 頻率的鎖定情況，完成表14-2。先按下1號(hào)模塊上“頻率調(diào)節(jié)”旋鈕，選擇“ X10” 檔，然后慢慢增大載波頻率直至環(huán)路剛剛失鎖，

15、記此時(shí)的輸入頻率為fH1,再減小fi , 直到環(huán)路剛剛鎖定為止，記此時(shí)的輸入頻率為fH2，繼續(xù)減小fi，直到環(huán)路再一次剛剛 失鎖為止，記此時(shí)的頻率為fL1,再一次增大fi，直到環(huán)路再一次剛剛鎖定為止，記此 時(shí)頻率為fL2由以上測(cè)試可計(jì)算得：同步帶為：fH1- fL1捕捉帶為：fH2- fL2頻率同步帶捕捉帶f L1f L2f H2f H1S1=00010.441mhz0.620mhz0.751mhz1.051mhzS1=00102.720mhz4.920mhz5.230mhz6.820mhzS1=01009.370mhz11.240mhz11.540mhz12.430mhzS1=100018.

16、630mhz20.060mhz20.610mhz21.670mhz表 14-2注：這里我們只是選取了 4.5MHz這個(gè)頻段做實(shí)驗(yàn)，其他三個(gè)頻段的實(shí)驗(yàn)操作步驟基本 一樣，只需要調(diào)整5號(hào)模塊中S1的撥碼方式及輸入?yún)⒖夹盘?hào)的頻率即可。由上面的表格我們可以得出s1=0001時(shí)，同步帶為fH1-fL1= 0.61mhz，捕捉帶為 fH2-fL2=0.131mhz。s1=0010 時(shí)，同步帶為 fH1-fL1= 4.1mhz，捕捉帶為 fH2-fL2= 0.31mhz。 s1=0100 時(shí)，同步帶為 fH1-fL1=3.06mhz，捕捉帶為 fH2-fL2= 0.3mhz s1=1000 時(shí)，同步帶 為

17、fH1-fL1= 3.04mhz，捕捉帶為 fH2-fL2= 0.450mhz。3、改變W1的阻值（順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，阻值變大；逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，阻值變?。?，重做步驟2, 在J1處觀察VCO輸出波形的幅度、同步帶、和捕捉帶的變化。七，實(shí)驗(yàn)總結(jié)鎖相環(huán)是指一種電路或者模塊，它用于在通信的接收機(jī)中，其作用是對(duì)接收到的信號(hào) 進(jìn)行處理，并從其中提取某個(gè)時(shí)鐘的相位信息?；蛘哒f(shuō)是對(duì)于接收到的信號(hào)，仿制一個(gè)時(shí)鐘 信號(hào)，使得這兩個(gè)信號(hào)從某種角度來(lái)看是同步的。鎖相環(huán)電路因其具有環(huán)路跟蹤功能和易 于集成等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。在本次實(shí)驗(yàn)中對(duì)鎖相環(huán)的兩個(gè)重要的參數(shù)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量 與分析。鎖相環(huán)的同步帶定義為在頻率的增大和減小時(shí)失步一刻的頻率臨界值之差，捕捉帶 則是失步后再次恢復(fù)同步一刻的臨界值之差。通過(guò)此次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)二者的關(guān)系是同步帶包含捕 捉帶。實(shí)際上，環(huán)路閉合后能自動(dòng)進(jìn)入鎖相狀態(tài)的輸入信號(hào)頻率最大變化范圍的二分之一就 是捕捉帶，環(huán)路能保持鎖定的輸入信號(hào)頻率最大變化范圍的二分之一就是同步帶，捕捉帶小 于同步帶，在實(shí)驗(yàn)中也得到了驗(yàn)證。捕捉帶和同步帶是影響鎖相環(huán)性能的兩個(gè)重要參數(shù)：前 者影響入鎖的可靠性，后者決定入鎖后相位誤差