鎖相技術(shù)試驗報告

鎖相實驗實驗報告集成壓控振蕩器構(gòu)成的頻率調(diào)制器圖15.6.1圖15.6.1NE566VCO原理電路圖566(VCO的單片集成電路)的電路組成及工作原理566采用的是積分施密特觸發(fā)器型的壓控振蕩器，其原理電路如圖15.6.1所示，電路由恒流源控制電路(IO)、積分器(T1、T2、T3、D1、D2、CT)和施密特觸發(fā)器三部分組成。施密特觸發(fā)器的輸入輸出信號關(guān)系如圖15.6.2所示。圖15.6.2施密特觸發(fā)器電壓響應(yīng)圖15.6.3VCO的波形施密特觸發(fā)器的正向觸發(fā)電平定義為USP，反向觸發(fā)電平定義為USM，當(dāng)電容CT充電使其電壓上升至USP，此時施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，輸出為高電平，從而使內(nèi)部的控制電壓形成電路的輸出電壓，該電壓u0為高電平；當(dāng)電容CT放電時，其電壓下降，降至USM時施密特觸發(fā)器再次翻轉(zhuǎn)，輸出為低電平從而使u0也變?yōu)榈碗娖?。用u0的高、低電平控制三極管T3的通斷，也控制了二極管D1、D2即S1和S2兩開關(guān)的）閉合與斷開。u0為低電平時T3截止，T1、T2也截止，二極管D1截止，D2加正端高電位，負(fù)極低電位導(dǎo)通，這時I0全部給電容CT充電，使電容上的電位上升，由于I0為恒流源，電容電位線性斜升，升至USP時u0跳變?yōu)楦唠娖剑瑄0高電平時控制T3、T1、T2導(dǎo)通，T1的集電極為低電位，T2的集電極也是充放電電容電位為高電位，此時D1導(dǎo)通，D2截止，恒流源I0全部流經(jīng)D1、T1到T3入地，因T2與T1同時導(dǎo)通，當(dāng)兩管參數(shù)對稱時，IB1=IB2，IC1=IC2=I0，T2的電流由CT放電電流提供，因此電容電位線性斜降，降至USM時u0跳變?yōu)榈碗娖?，如此周而?fù)始循環(huán)下去。積分電容CT以恒流充放電，故uC為對稱的三角波電壓，uO輸出占空比為50％的方波。uC及u0波形如圖15.6.3。圖15.6.2施密特觸發(fā)器電壓響應(yīng)圖15.6.3VCO的波形控制電壓uC控制恒流源IO，可以調(diào)節(jié)充放電電流I0的大小，也就控制了電容的充放電速度，從而改變了振蕩信號的頻率，達(dá)到電壓控制頻率的目的。圖15.6.4566(VCO)的框圖及管腳排列VCO的輸出頻率與控制電壓之間的關(guān)系可用最典型的調(diào)頻表達(dá)式表示，其中ω0為載波頻率，由一直流電壓u圖15.6.4566(VCO)的框圖及管腳排列566芯片566芯片的框圖及引腳排列如圖15.6.4，框圖中幅度鑒別器功能由施密特觸發(fā)器完成。控制電壓uC從5端輸入。566輸出的方波及三角波的載波頻率(或稱中心頻率)可用外加電阻R和外加電容C來確定。其中：R為時基電阻，R連在正電源到6端之間，調(diào)節(jié)其大小可以改變在相同的控制電壓u5情況下恒流源電流的大小。C為時基電容u8是566管腳⑧至地的電壓，它是電壓的工作電源電壓。u5是566管腳⑤至地的電壓。566芯片的內(nèi)部實際電路如圖15.6.5所示圖15.6.5圖15.6.5566(VCO)的內(nèi)部實際電路圖15.6.5圖15.6.5566(VCO)的內(nèi)部實際電路實驗電路見圖15.6.6，第7腳對負(fù)電源接振蕩定時電容C1，第6腳接一可調(diào)電阻（R3＋RW1）到正電源，它與第5腳的控制電壓一起確定恒流源I0的大小。三者共同決定輸出信號的頻率f0圖15.6.6566構(gòu)成的調(diào)頻器圖15.6.6566構(gòu)成的調(diào)頻器（1）觀察R、C1對頻率的影響(其中R=R3+RW1)。按圖15.6.6接線，將C1接入566管腳⑦，RW2及C2接至566管腳⑤；接通電源(±5V)。調(diào)RW2使U5=3.5V，將頻率計接至566管腳③，改變RW1觀察方波輸出信號頻率，記錄當(dāng)R為最大和最小值時的輸出頻率。當(dāng)R分別為Rmax和Rmin及C1=2200pF時，計算這二種情況下的頻率，并與實際測量值進(jìn)行比較。用雙蹤示波器觀察并記錄R=Rmin時方波及三角波的輸出波形。當(dāng)R最大時，理論值測量值當(dāng)R最小時，理論值測量值R=Rmax時方波及三角波的輸出波形：方波輸出波形三角波的輸出波形（2）觀察輸入電壓對輸出頻率的影響，并計算VCO的調(diào)制靈敏度。直流電壓控制：先調(diào)RW1至最大，然后改變RW2調(diào)整輸入電壓，測當(dāng)U5在2.2V～4.2V變化時輸出頻率f的變化，U5按0.2V遞增。將測得的結(jié)果填入表15.6.1。并計算K0的平均值。Ko為比例常數(shù)。稱為VCO的壓控靈敏度，單位為Hz/V或。kO越大,控制靈敏度越高表15.6.1566構(gòu)成的調(diào)頻器實驗記錄表（）U5(V)2.22.42.62.833.23.43.63.844.2f(kHz)57.955.452.148.340.034.027.924.218.19.53.1K0（計算）26.323.12017.313.310.68.26.74.82.40.7圖15.6.7輸入電路圖15.6.7輸入電路仍將R設(shè)置為最大，斷開⑤腳所接C2，RW2，將圖15.6.7(即：輸入信號電路)的輸出OUT接至圖15.6.6中566的⑤腳。（a）將函數(shù)發(fā)生器的正弦波調(diào)制信號uΩ(輸入的調(diào)制信號)置為f=5kHz、UP-P=1V，然后接至圖15.6.7電路的IN端。用雙蹤示波器同時觀察輸入信號uΩ和566管腳③的調(diào)頻(FM)方波輸出信號，觀察并記錄輸入信號的電壓變化時，輸出信號波形的頻率變化。注意：輸入信號uΩ的UP-P不要大于1.3V。調(diào)制前和調(diào)制后波形(b)調(diào)制信號改用方波信號uΩ，使其頻率fm=5kHz，UP-P=1V，用雙蹤示波器觀察并記錄uΩ和566管腳③的調(diào)頻(FM)方波輸出信號。調(diào)制前和調(diào)制后波形3實驗總結(jié)結(jié)論：1.隨著R的值增大，頻率f會減小。f的測量值理論值之間存在較大的偏差。 2.輸入電壓U5越大，輸出頻率f越小。調(diào)頻波和輸入波之間具有同樣的頻率，不同的頻率。實驗心得：通過對566這款單片集成壓控振蕩器的每一步操作，理解了其基本的工作原理，對其特性及性能有了較深的理解。在調(diào)頻實驗中，通過對輸入波形和調(diào)頻后波形的觀察，理解了調(diào)頻波的組成及其特點，從而為下一步實驗打下基礎(chǔ)。集成電路鎖相環(huán)(PLL)構(gòu)成的頻率解調(diào)器一、實驗原理1、鎖相環(huán)工作的基本原理圖圖15.7.1鎖相環(huán)的組成框圖鎖相環(huán)的一個相位負(fù)反饋控制系統(tǒng)，其組成框圖如圖15.7.1，由鑒相器，環(huán)路濾波器和壓控振蕩器組成，鑒相器將輸入輸出信號的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生一差拍波，經(jīng)環(huán)路濾波器濾除高頻分量后，去控制壓控振蕩器的輸出頻率和相位。鎖相環(huán)路的輸入輸出相位關(guān)系可以用動態(tài)方程描述，動態(tài)方程如下，其中為環(huán)路的瞬時相差，為輸入信號以VCO的載波相位為參考時的相位。在環(huán)路鎖定時，輸入輸出信號的頻率相等，瞬時相位差在一個有限值的范圍內(nèi)變化，如果是輸入固定頻率信號，則相位差為一常量，即這時輸出信號相位跟蹤輸入信號的相位。PLL的閉環(huán)頻率特性定義為，它呈現(xiàn)低通特性，截止頻率為，如果瞬時相位較小時，PLL可近似為一線性系統(tǒng)。2、鎖相環(huán)的鑒頻原理PLL的鑒頻原理可以用圖15.7.2表示。首先，設(shè)有一角頻率為Ω、初相位為θi的正弦調(diào)制信號uΩ(t)，uΩ(t)=UΩcos(Ωt+θi)，用它來調(diào)制一個角頻率等于ω0的載波，那么可以得到瞬時角頻率為ωi(t)=ω0+KtUΩcos(Ωt+θi)=ω0+△ωcos(Ωt+θi)的已調(diào)波。式中Kt[rad/s·V]為調(diào)制器的靈敏度；△ω=Kt·UΩ為峰值頻偏。已調(diào)波的瞬時相位，調(diào)頻波的完整表達(dá)式為。圖15.7.2565(PLL)構(gòu)成的頻率解調(diào)器圖15.7.2565(PLL)構(gòu)成的頻率解調(diào)器其次，當(dāng)此信號加到PLL時，如果環(huán)路工作在調(diào)制跟蹤狀態(tài)，即調(diào)制信號頻率Ω小于鎖相環(huán)的截止頻率ωn，處于PLL閉環(huán)低通特性的通帶之內(nèi)時，鎖相環(huán)的輸出相位θ2(t)將跟蹤輸入相位θ1(t)的瞬時變化，即輸出相位。對應(yīng)的輸出電壓為uo(t)，這時鎖相環(huán)路的輸出信號是環(huán)內(nèi)壓控振蕩器的輸出電壓uo(t)，根據(jù)壓控振蕩器的控制特性，控制電壓可寫為?，F(xiàn)在我們比較一下PLL的VCO的控制信號與FM波調(diào)制信號uΩ(t)，可以發(fā)現(xiàn)調(diào)制兩者幅值成比例，相位差了一個相移量ArgH(jΩ)，故可作為uΩ(t)解調(diào)輸出。圖15.7.3565(PLL)的框圖及管腳排列3、PLL單片集成電路565圖15.7.3565(PLL)的框圖及管腳排列圖15.7.3為565(PLL單片集成電路)的框圖及管腳排列，鎖相環(huán)內(nèi)部電路由相位鑒別器、壓控振蕩器、放大器三部分構(gòu)成，相位鑒別器由模擬乘法器構(gòu)成，它有二組輸入信號，一組為外部管腳②、③輸入信號e1，其頻率為f1；另一組為內(nèi)部壓控振蕩器產(chǎn)生信號e2，經(jīng)④腳輸出，接至⑤腳送到相位鑒別器，其頻率為f2，當(dāng)f1和f2差別很小時，可用頻率差代表兩信號之間的相位差，即f1-f2的值使相位鑒別器輸出一直流電壓，該電壓經(jīng)⑦腳送至VCO的輸入端，控制VCO，使其輸出信號頻率f2發(fā)生變化，這一過程不斷進(jìn)行，直至f2=f1為止，這時稱為鎖相環(huán)鎖定。圖15.7.4565組成的解調(diào)器實驗電路二、實驗內(nèi)容圖15.7.4565組成的解調(diào)器實驗電路實驗電路見圖15.7.4。1、測量PLL的固有振蕩頻率環(huán)路輸入端IN端不接任何信號，用示波器觀察VCO輸出端信號的波形，并測量輸出頻率。調(diào)RW使其中VCO的輸出頻率f0(A點：即④⑤腳)為50kHz。2、測量PLL的同步帶和捕獲帶在IN端輸入一取自信號源來的VPP=1V，頻率為5kHz的方波信號，用示波器同時觀察輸入和輸出（A點）的波形，并同時觀察兩信號的頻率。若兩信號頻率相等，環(huán)路鎖定，若頻率不相等則環(huán)路失鎖。緩慢加大輸入信號頻率，密切注視兩信號的頻率值，當(dāng)頻率從不相等到突然地相等，波形上觀察也完全同頻（但不一定同相），說明環(huán)路已經(jīng)捕獲住了輸入信號，記下此頻率值f1，再進(jìn)一步增加輸入信號頻率，輸出頻率也同步增加，一直到突然兩信號頻率不相等，此時環(huán)路失鎖，記下此頻率值f2。同樣的方法讓輸入信號頻率從大到小慢慢改變，找到環(huán)路的捕獲頻率點f3和失鎖頻率點f4。如圖15.7.5PLL的同步帶與捕獲帶。ff3fff3f0f1f2f4圖15.7.5PLL的同步帶與捕獲帶捕獲帶為。3.正弦波解調(diào)器先按15.4節(jié)的實驗內(nèi)容3(1)的要求獲得調(diào)頻方波輸出信號(③腳)，要求輸入的正弦調(diào)制信號uΩ為：UP-P=0.8V，f=1kHz，然后將其接至565鎖相環(huán)的IN輸入端。用雙蹤示波器觀察并記錄566的輸入調(diào)制信號uΩ和565“B”點的解調(diào)輸出信號。解調(diào)后失真波形：解調(diào)后經(jīng)過鎖相調(diào)節(jié)后的波形：4.方波的解調(diào)在3步基礎(chǔ)上，將調(diào)制信號uΩ改為：UP-P=0.5V，f=1kHz的方波，用雙蹤示波器觀察并記錄566的輸入調(diào)制信號uΩ和565“B”點的解調(diào)輸出信號。注意B點方波上升沿與下降沿的波形形狀與幅度。再觀察并記錄565“OUT”點的解調(diào)輸出信號，比較“B”點與“OUT”點信號的波形。解調(diào)后失真波形：解調(diào)后經(jīng)過鎖相調(diào)節(jié)后的波形：實驗總結(jié)結(jié)論：鎖相環(huán)在沒有輸入的時候有一定的固有震蕩頻率。鎖相環(huán)只有頻率在其一定的范圍內(nèi)才能捕獲。只有調(diào)制信號在鎖相環(huán)的同步帶并且調(diào)制信號的幅度值不太大時，解調(diào)波才不會失真。實驗心得：通過對集成電路鎖相環(huán)進(jìn)行操作，理解了鎖相環(huán)路的工作特點。結(jié)合前一次的實驗，通過對調(diào)制信號的解調(diào)波形分析，理解了鎖相環(huán)路工作特征和其優(yōu)良的頻率同步性能。在測量PL