集成鎖相環(huán)應(yīng)用實驗

1、實驗六.集成鎖相環(huán)應(yīng)用實驗 鎖相環(huán)是一個相位誤差控制系統(tǒng)，它比較輸入信號和壓控振蕩器輸出的信號之間的相位差，從而產(chǎn)生誤差控制電壓來調(diào)整壓控振蕩器的頻率，以達到與輸入信號同頻，而保持一個穩(wěn)定相位差。PLL具有以下特點：鎖定時無剩余頻差。良好的窄帶濾波特性。良好的跟蹤特性。易于集成化。鎖相環(huán)使用時可根據(jù)不同用途，設(shè)計其工作鎖定狀態(tài)或跟蹤狀態(tài)。試驗任務(wù)與要求實驗?zāi)康牧私怄i相環(huán)路的工作原理，電路組成及性能特點；掌握鎖相環(huán)路及其部件性能指標的測試方法； 掌握集成鎖相環(huán)的基本應(yīng)用。 實驗儀器高頻信號發(fā)生器 QF1055A 一臺;超高頻毫伏表 DA22A 一臺;頻率特性測試儀 BT3C 一臺;直流穩(wěn)壓電源

2、HY17112 一臺;數(shù)字示波器 TDS210 一臺.實驗任務(wù)與要求1.實驗電路介紹 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，反饋信號與鑒相器的14腳輸入信號(標準參考信號)作比較，在環(huán)路的同步范圍內(nèi)(鎖定狀態(tài))，實現(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)。實驗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自動增益控制AFC自動頻率控制APC自動相位控制鎖定時無剩余頻差良好的窄帶濾波

3、特性振幅直流控制本振頻率漂移相位變化變成電壓輸出負反饋圖16.頻率合成原理圖如下： Fo=N*fr圖7. CD4046原理圖如下： 圖1.用CD4046構(gòu)成的十分頻電路 2.基本命題VCO特性的測量 測試電路見圖2，測VCO的foUc關(guān)系，UC從0V5V變化，間隔1V，對應(yīng)測量VCO的輸出頻率，列表記錄并繪成曲線。a：R210K的情況。 電源電壓為5V，控制電壓用另外一路電源產(chǎn)生，用頻率計測出相應(yīng)的頻率即可。方波4管腳b：若此時給控制端輸入50KHz的方波，觀測輸出波形。 調(diào)頻波 雙蹤 TTL孔正斜率圖2. foVC測試線路圖如下： 測量CD4046鎖相環(huán)的同步帶 測量電路如圖1，去掉分頻電路

4、，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，其頻率fi=100KHz，Vip.p3Vp-p，用示波器觀察4腳波形，并記錄其頻率。 100KHZ 9接滑動濾波器測量環(huán)路的同步帶用頻率計觀察VCO的輸出頻率f0，調(diào)節(jié)輸入信號頻率fi，當f0跟著增加，直至增加到f0不變，測出剛好f0不變時的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的fi2，則環(huán)路的同步帶fH為： fH=(fi2

5、-fi1)/2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)整參考信號頻率，使其環(huán)路處于鎖定狀態(tài) 測量參考信號頻率fA、VCO的振蕩頻率fc，分頻器輸出fB，觀察三點的波形并記錄。測量10倍頻時的同步帶，與鎖相環(huán)路的同步 帶作比較。716測出5分鐘內(nèi)，環(huán)路鎖定時的VCO頻率穩(wěn)定度，并與參考信號作比較。 圖3.CD4046鑒頻電路圖如下：3.擴展命題若選用NE562（國產(chǎn)型號L562）器件作實驗，可作以下實驗內(nèi)容（實驗電路如圖4）。 該電路利用L562完成鑒頻，環(huán)路設(shè)計時，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頻率而變化，由環(huán)路濾波器輸出端取出

6、調(diào)制信號。由于要求環(huán)路工作在調(diào)制跟蹤狀態(tài)，因此必須設(shè)計環(huán)路濾波器的帶寬，以保證調(diào)制信號成分通過。此實驗電路在9端經(jīng)15K電阻接地后取出調(diào)制信號，技術(shù)指標是：調(diào)頻信號中心頻率 fo10MHz調(diào)制頻率 F3004000Hz峰值調(diào)制指數(shù) mf4輸入的單邊相加噪聲譜密度：Wi4nW/Hz提示：在解調(diào)電路中，根據(jù)調(diào)頻信號的中心頻率fo計算定時電容CT，根據(jù)調(diào)頻信號的最大頻偏計算環(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fP。 輸入調(diào)頻波，用示

7、波器觀察解調(diào)輸出。 圖4.調(diào)頻信號解調(diào)電路圖如下：用L562鎖相環(huán)構(gòu)成十倍頻電路 實驗電路如圖5，實驗內(nèi)容參考基本命題所述。如何判斷環(huán)路處于鎖定狀態(tài)？你能想出一個簡便的指示鎖定的方法嗎？自行設(shè)計一個頻率合成器 技術(shù)指標要求：頻率范圍： 10KHz99KHz頻率穩(wěn)定度：f/f0 10.5輸出幅度： Vp.p3V器材清單：CD4046、74LS00、74LS90、74LS161、晶體1MHz。 圖5.鎖相倍頻電路如下圖：實驗報告要求整理實驗數(shù)據(jù)，做出必要的曲線。 對實驗結(jié)果進行討論。鑒相器：是相位比較器。它把輸入信號Ui(t)和壓控振蕩器的輸出信號Uo(t)進行比較，產(chǎn)生誤差電壓Ud(t)。鑒相器

8、完成相位差.電壓變換的作用，其輸出誤差電壓是瞬時相位差的函數(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 根據(jù)環(huán)路的三個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f10KHz時，功耗約0

9、.159mW。 CD4046電路在FM調(diào)制解調(diào)、頻率合成、數(shù)據(jù)同 步、FSK調(diào)制及電機速度控制方面獲得了廣泛 的應(yīng)用。CD4046的工作原理及組成圖7是CD4046的原理圖。集成單片由兩個鑒相器(PDI和PDII）、壓控振蕩器、源極跟隨器和一個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時的最低振蕩頻率f0max；5腳為VCO的禁止

10、端1NH，當1NH“1”時，VCO停止振蕩，當1NH“0”時，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)用時的設(shè)計依據(jù)。圖8.VCO在不同外部參數(shù)下的特性曲線如下： 圖9.PC和VCO外部特性表續(xù)表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

11、PC1477C等。其中NE564最高工作頻率可達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。 圖10.L562方框圖如下：圖11.L562管腳功能圖如下：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為鑒相器負載電阻 Ui為輸入信號振幅環(huán)路濾波器

12、：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)路用于對調(diào)頻信號的解調(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)。圖12.LF的結(jié)構(gòu)形式圖如下： 式中R為13和14端之間的內(nèi)阻，取值為12K。 若VCO工作頻率在5MHz以下，一般用a、b兩 種型式；當工作頻率高于5MHz時，可用c、d兩 種型式。 壓控振蕩器： VCO電路采用的是射極定時多諧振蕩器，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算： 式中CT為外接電容，單位為PF VCO微調(diào)頻率的方法：

13、 a.在CT兩端并接一個微調(diào)電容，改變其容量即 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。圖13.微調(diào)fo電路圖如下： 鎖相環(huán)應(yīng)用1. 利用鎖相環(huán)實現(xiàn)鑒頻： 對調(diào)頻信號的解調(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，因此它很適用于對微弱調(diào)頻信號的解調(diào)。兩種鑒頻器性能比較見圖14，鑒頻原理框圖見圖15。圖14.鑒頻性能比較圖如下：圖15.鎖相環(huán)鑒頻原理框圖如下： 2.利用鎖相環(huán)路實現(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頻率（例

14、如用晶體振蕩產(chǎn)生的高頻穩(wěn)定頻率基準）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)定度與基準頻率相當?shù)钠渌l率信號。 利用鎖相環(huán)實現(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frf0。 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N也固定時，則電路就實現(xiàn)了倍頻。鎖相環(huán)的鎖相環(huán)的應(yīng)用很多，配合試驗測試，以上僅介紹了其中兩種典型應(yīng)用。另 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

15、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。圖17.鑒相靈敏度測量框圖如下： 將輸入信號fi調(diào)在fof，f一般小于鑒相 器自身低通濾波器的截止頻率，這樣兩個信號的相位差t，鑒相器輸出電壓Ud(t)近似正弦波，示波器y軸代表Ud,X軸代表時間，即代表相位差e，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相應(yīng)的頻率，描繪成曲線，可得到控制特性。由于L562的VCO

16、控制端無引出腳，不便直測，可加一個移相器來間接測量，如18所示。圖18.壓控特性測量框圖如下： 信號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，再測出對應(yīng)點的頻率，描繪成foUc曲線，即為VCO的控制特性。2. 環(huán)路性能測量即環(huán)路同步頻帶fH和捕捉頻帶 fp的測量。 同步帶是指環(huán)路有能力維持鎖定的最大起始頻差，捕捉帶是指環(huán)路始于失鎖狀態(tài)，最終有能力自行鎖定的最大起始頻差，所以關(guān)鍵的問題是怎樣判斷PLL失鎖或鎖定，有效的方法是用雙蹤示波器分別觀察鑒相器的兩個輸入信號。 當鎖定時，兩個鑒相信號頻率嚴格相等，示波器上有兩個清晰穩(wěn)定的波形；若失鎖，則有頻差，不可能看到清晰穩(wěn)定的波形。同步帶的測量按圖19連線，調(diào)節(jié)信號源使環(huán)路處于良好的鎖定狀態(tài)，在示波器上可以看到清晰穩(wěn)定的Ui和U0波形。然后，向下緩慢調(diào)節(jié)fi，直