锁相技术原理与应用实验指导书

1、实验一锁相环单元实验一、实验目的1、掌握通用单片集成锁相环LM565的工作原理和应用。2、了解锁相环LM565参数的计算方法。二、实验仪器1、 EE1642B型函数信号发生器/计数器1台2、 6504双踪示波器1台3 锁相技术实验箱三、实验原理和电路说明1、芯片简介LM565是一块工作频率低于1MHz的通用单片集成锁相环路，其组成方框图如图1-1所示。引脚框图如图1-2所示。它包含鉴相器、压控振D ? 2 2D ? 2 2' ?1 2 2VC2 3图1-1 LM565CN方框图荡器和放大器三局部。鉴相器为双平衡模拟相乘电路，压控振荡器为积分施密特电路。输入信号加在2、3端，7端外接电容

2、器C与放大器的集电极电阻R 典型值为3.6K组成环路滤波器。由7端输出的误差电压在内部直接加到压控振荡器的控制端。6端提供了一个参考电压，其标称值与 7 端相同。& 7端可以一起作为后接差动放大器的偏置。压控振荡器的定1c2LM565CN345670 ?L ?D 0圭电D 0圭电VCC? ?-爼 2 Z2 ? ?初2 3141312111098NCNCNCNC y爼? ± 爼 ¥ ? ±爼送图1-2 LM565CN引脚图时电阻Rt接在8端，定时电容Ct接在9端，振荡信号从4端输出。压控振 荡器的输出端4与鉴相器反应输入端5是断开的，允许插入分频器来做频 率

3、合成器。对LM565而言，压控振荡器振荡频率可近似表示为：1.24RtCt压控灵敏度为：Ko50 fEc式中Ec是电源电压双向馈电时那么为总电压。鉴相灵敏度为:Kd1.4兀放大器增益为：A = 1.4LM565工作频率范围为0.001Hz500KHz，电源电压为土 6± 12V,鉴 频失真低于0.2%,最大锁定范围为土 60%f，输入电阻为10K,典型工作电 流为8mA主要用于FSK解调、单音解码、宽带FM解调、数据同步、倍频 与分频等方面。2、实验电路锁相环单元电路如图1-3所示。其中频率粗调波段开关控制锁相环的频率粗调，分为三个频段。频率细调电位器调节各个频段的细调范围。带 宽选

4、择确定环路滤波器的带宽。滤波器可选择比例积分滤波器或 RC滤波器 锁相环面板布局图参考附录一。4.7uF|KC1o1 D?o?e ?e?°.°1uFa ?e ?e?5R210KLM565CN10VCQ ?3?vco?i ?ee ?3?10pF 1e y?2 "6 ?3?d00_C5C7_L300P120PK1 ?2 "6 ?eC862PR112.2KR5100uF2K+12VE2C90.01uF2? 6 ?3?R8?ag-e ?3?C2C66805100P0.01uF? e ?3?680K41 ±ea y?y ?R6R9R10?丨?20*C32

5、.2K82R7C4叩3 RC?y?0.022uF二E33uF =100uF图1-3 锁相环单元实验电路图五、实验内容与步骤一、压控振荡器频段的测试：1、翻开锁相环单元实验模块的电源开关。2、将“信号输入和“反应输入端接地。3、将频率粗调打在“ T频段，用频率计测量“ VCO频率输出端的 频率，调节“频率细调电位器测出最高频率和最低频率。将得到的数据 填入下表。频率粗调典型数据频段最低频率KHz最高频率KHz1153.85KHZ250KHZ2250KHZ363.64KHZ3333.33KHZ476.19KHZ二、压控振荡器两种输出信号的观察：用双踪示波器分别观察“ VCO输出端和“三角波输出端的

6、波形。并画出对应的波形图。“三角波输出和“VCO输出的频率是由误差电压 控制的，与鉴相器、放大器等构成根本锁相环电路注：由于示波器探头 存在电阻和电容，因此会影响压控振荡器的输出频率。三、滤波器带宽的测试：1、 将K101中的1、3用短路帽短接正常工作时1、2短接。2、从“滤波输入端输入音频正弦信号，在“控制输出端观察输出 波形，并根据滤波器带宽的定义，分别测出两种滤波器的带宽，将得到的 数据填入下表。带宽选择滤波器类型RC滤波比例积分滤波宽102.56HZ100HZ中105.26HZ100HZ窄100HZ100HZ五、实验报告1、整理实验数据，画出相应的数据表格和波形图。2、锁相环由哪些局部

7、组成？各局部的作用是什么? 答：1、实验数据整理如上两个表格，波形图如下：VCO输出三角波输出2、锁相环由鉴相器PD、环路滤波器LF和电压控制振荡器VCO三个基 本部件组成，鉴相器是一个相位比拟装置，用来检测输入信号与反应信号 相位之间的相位差；环路滤波器具有低通特性，可以起到低通滤波器的作 用，更重要的是它对环路参数调整起着决定性的作用；压控振荡器是一个 电压一频率变换装置，在环中作为被控振荡器，它的振荡频率应随输入控 制电压线性地变化。实验二环路部件特性测试实验一、实验目的1、掌握锁相环路部件特性的测试方法。2、加深对鉴相器、环路滤波器以及压控振荡器等部件的理解。二、实验仪器1、 EE16

8、42B型函数信号发生器/计数器1台2、 6504双踪示波器1台3 锁相技术实验箱三、实验原理和电路说明一、根本原理锁相环是一个相位的负反应控制系统。 这个负反应控制系统是由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO )三个根本部件组成，基 本构成如图5-1。实验应用中有各种形式的环路，但它们都是由这个根本环 路演变而来的。下面逐个介绍根本部件在环路中的作用。PLL图5-1锁相环路的根本构成1、鉴相器鉴相器是一个相位比拟装置，用来检测输入信号相位"(t)与反应信号相位d2(t)之间的相位差 現t)。输出的误差信号ud(t)是相差氓t)的函数，即Ud(t)二 f e(t) 1

9、鉴相特性f (t) 1可以是多种多样的，有正弦形特性、三角形特性、锯齿形 特性等等。常用的正弦鉴相器可用模拟相乘器与低通滤波器的串接作为模型，如图5-2所示Ui (t)设相乘器的相乘系数为 Km单位为1/V，输入信号Ui(t)与反应信号 u0(t)经相乘作用Kmui(t)uo(t) =KmUisin I o F(t)U o COS !，0 * 71 2 (t)11 KmUiUosin 2 ot r(t) Ft)】2KmUiU osin ®(t) - V2(t) 12经过低通滤波器(LPF)滤除2-o成分之后，得到误差电压Ud(t)二一KmUiUosinG(t) - "(t)

10、l2令UdKmUiU o2为鉴相器的最大输出电压，那么ud(t) =Ud sin 拄(t)这就是正弦鉴相特性，如图5-3。鉴相器的电路是多种多样的，总得可以分为两大类：第一类是相乘器电 路，它是对输入信号波形与输出信号波形的乘积进行平均，从而获得直流 的误差输出，如上面分析所述。第二类是序列电路，它的输出电压是输入 信号过零点与反应电压过零点之间时间差的函数。因此这类鉴相器的输出 只与波形的边沿有关，与其它是无关的。这类鉴相器适用于方波(也可以 用正弦波通过限幅得到)输入，通常用数字电路构成。2、环路滤波器环路滤波器具有低通特性，它可以起到图5-2中低通滤波器的作用，更 重要的是它对环路参数调

11、整起着决定性的作用。环路滤波器是一个线性电 路，在时域分析中可用一个传输算子 F(p)来表示，其中p(=d. dt)是微分算 子；在频域分析中可用传递函数 F(s)表示，其中s(a - j")是复频率；假设用 s二r1代入F(s)就得到它的频率响应F(fO，故环路滤波器模型可表示为图 5-4。常用的环路滤波器有RC积分滤波器、无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器三种，现分别说明如下Ud(t)Oo F(P)Uc(t) DmjUds F(s)uc(s)图5-4环路滤波器的模型 、RC积分滤波器(5-1)这是结构最简单的低通滤波器，电路构成如图5-5，其传输算子F(p)式中八RC是时间常

12、数，这是这种滤波器唯一可调的参数。图5-5 RC积分滤波器电路组成令P =，并代入(5-1 )式，即可得到滤波器的频率特性F(t)二图5-6 RC积分滤波器的对数频率特性作为对数频率特性，如图5-6。可见，它具有低通特性，且相位滞后。 当频率很高时，幅度趋于零，相位滞后接近于-.2。 、无源比例积分滤波器无源比例积分滤波器如图5-7所示，它与RC积分滤波器相比，附加了 一个与电容器相串联的电阻 R2，这样就增加了一个可调参数，它的传输算 子为：F(P)二12p11p(5-2)式中.1 =(R1 R2)C ； .2二R2C。这是两个独立可调的参数，其频率响应为:图5-7无源比例积分滤波器电路组成

13、据此可作出对数频率特性，如图5-8所示。这也是一个低通滤波器，与RC积分滤波器不同的是，当频率很高时R2F j'fR1 + R2等于电阻的分压比，这就是滤波器的比例作用。从相频特性上看，当频率很高时有相位超前校正的作用，这是由相位超前因子1 ' j 2引起的。这个 相位超前作用对改善环路的稳定性是有用的。图5-8无源比例积分滤波器的对数频率特性 有源比例积分滤波器有源比例积分滤波器由运算放大器组成，电路如图5-9所示，它的传输算子F(p)式中 i =(Ri ARi R2)C ； 2 二 R2C。A是运算放大器无反应时的电压增益假设运算放大器的增益A很高，那么F(p) A汴A1

14、pARiC一A图5-9 有源比例积分滤波器电路组成式中负号表示滤波器输出和输入电压之间相位相反。假设环路原来工作在 鉴相特性的正斜率处，那么参加有源比例积分滤波器之后就自动地工作到 鉴相特性的负斜率处，其负号与有源比例积分滤波器的负号相抵消。因此, 这个负号对环路的工作没有影响，分析时可以不予考虑。故传输算子可以 近似为FP二匚宜5-3p帀式中.i=RiC。5-3式传输算子的分母中只有一个 p，是一个积分因子,故高增益的有源比例积分滤波器又称为理想积分滤波器。显然，A越大就越接近理想积分滤波器。此滤波器的频率响应为Fj其对数频率特性见图1-10。可见它具有低通特性和比例作用，相频特性也有超前校

15、正。严格说来，在频率极低的情况下，近似条件' 11不能成立，上述近似特性也就不适宜了。在有些场合，例如分析稳定性时，应加以注意。3、压控振荡器压控振荡器是一个电压一频率变换装置，在环中作为被控振荡器，它的振荡频率应随输入控制电压 歩线性地变化，即应有变换关系，v(t) = 0 Kouc(t)( 5-4)式中'v(t)是压控振荡器的瞬时角频率；Ko为控制灵敏度或称增益系数，单位是rad/s v。实际应用中的压控振荡器的控制特性只有有限的线性控制范围，超出 这个范围之后控制灵敏度将下降。图 5-11中的实线为一条实际压控振荡器 的控制特性，虚线为符合(5-4)式的线性控制特性。由图

16、可见，在以-o为 中心的一个区域内，两者是吻合的，故在环路分析中我们就用(5-4)式作为压控振荡器的控制特性。由于压控振荡器的输出反应到鉴相器上，对鉴相器输出误差电压Ud (t)起作用的不是其频率，而是其相位；v(.)dt 川0t - Ko0uc( )dtj2(t)二 Ko °uc(. )d .改写成算子形式为Ko"(t)Uc(t)P锁相环路中要求压控振荡器输出的是相位，因此，这个积分作用是压控振 荡器所固有的。正因为这样，通常称压控振荡器是锁相环路中的固有积分 环节。这个积分作用在环路中起着相当重要的作用。图5-11压控振荡器的控制特性压控振荡器电路的形式很多，常用的有

17、LC压控振荡器、晶体振荡器、负阻 压控振荡器和RC压控振荡器等几种。前两种振荡器的频率控制都是用变容 管来实现的。由于变容二极管结电容与控制电压之间具有非线性的关系， 所以压控振荡器的控制特性肯定也是非线性的。为了改善压控特性的线性 性能，在电路上采取一些措施，如与线性电容串接或并接，以背对背或面 对面方式连接等等。图5-12环路部件特性测试实验框图1、测量鉴相特性Ud 茂鉴相器(PD)的作用是比拟两个输入信号的相位，并将相位差转换为 误差电压ud(t)。LM565的PD采用双平衡乘法器。误差电压：Ud(t) = Ud s i ne1UdKmU'U0Km为相乘系数2鉴相特性为正弦波特性

18、。特性如图 5-13所示。鉴相灵敏度Kd在数值上等于误差电压峰值Ud。测试原理图如图5-12所示，高频信号源提供200400KHz信号，一路 送至PD信号输入端，另一路经0° 360°移相后加至反应输入端。两个 信号相位差可用双踪示波器读取(也可用李沙育图形法测量)。由于二e静态 改变，Ud为直流电压，其值可由LF对称输出端用直流电压表测得。3、测量VCO的压控特性由于LM565的VCO控制端在内部直接连接到直流放大器，不能用外 加直流电压来控制VCO的频率。前面在测量鉴相特性时，提供了大小变化 的控制电压，用频率计测得相应的振荡频率fv。压控灵敏度K0可根据测得 的曲线求

19、得。K02二讦 Udrad/s v四、实验内容与步骤1、翻开各相关单元实验模块的电源开关。2、 从“信号输入端输入信号正弦波幅度为400mVp-p,频率为 200400KHz。将“移相输出端和“反应输入端相连，移相输出信号的 幅度为1Vp-po用双踪示波器分别观察“信号输入端和“反应输入端的 波形。参考移相器实验内容，调节实验二中的波段开关的电位器，使相位 差满足下表的要求，读出直流电压表和频率计的数据填入下表。为提高测 量精度，上述过程可反复进行几次。相位差6e 示波器°Ud 直流电压表读数 V频率计读数KHz 12312303060901201501802102402703003

20、30360注意：“反应输入信号的幅度可通过移相器的幅度调节电位器进行调节。 使在整个测试过程中保证“信号输入端和“反应输入端信号的幅度和 频率保持不变。五、实验报告1、整理实验数据，画出鉴相特性和压控特性的曲线。2、确定Ko，Kd并计算环路增益K。3、对实验结果与理论的差异进行分析。答：1、整理实验数据，画出鉴相特性和压控特性的曲线。图5-13鉴相特性曲线图5-11压控振荡器的控制特性2和3、由于实验过程中实验仪器出现问题，没有得到实验数据，因此，数 据表格无法填写，以上两问无法答复。实验三锁相环路静态特性测试实验一、实验目的1、掌握用常规仪表测量锁相环路工作特性的方法。2、加深对环路工作过程

21、和根本特性的理解。二、实验仪器1、EE1642B型函数信号发生器/计数器1台2、6504双踪示波器3 锁相技术实验箱三、实验原理和电路说明图6-1锁相环路静态特性测试实验框图2、锁定状态的观察与测量由锁相理论可知，对于固有频率输入信号，当固有频差3。小于(及等于)捕获带厶“时，环路能够对它捕获并锁定。锁定状态的根本特征是： fi = fv,話(：)=sin J常数KF (0) 误差电压Ud与控制电压uc(t)均为直流，而且输入信号与VCO输出信号相位相干且同频率，用双踪示波器观察信号可以看到两个清晰的同频信号，如图6-2所示。 输入信号与VCO输出信号的相位差为:90 ： _ 叫二)当.0=0

22、时，戈(二)=0。两信号相位差为90 °。3、当固有频差心©0大于环路同步带也曲 时，环路失锁，环路处于差拍振荡 状态，其特征是： ud(t)波形不对称交变振荡，如图6-3所示。 输入信号与VCO输出信号相位不相干，双踪示波器显示波形 模糊。图6-3ud(t)波形图4、环路能由失锁状态进入锁定的最大固有频差叫捕获带，环路能维持锁定 最大固有频差叫同步带。图6-4示出了两个性能指标的定义及测试方法。通 过调节频率粗调和频率细调选择一个固有频率点，由低往高缓缓调节信号 源的频率。环路由失锁到锁定，此点频率记作f2。继续向高调节频率，直到环路由锁定到失锁，该点频率记作 f 4。将

23、信号源频率由此点往低调节， 调到再次锁定时，此点频率记作 f3。继续向低调节频率直到失锁时，此点频率记作fl。为提高测量精度，上述过程可反复进行几次。图6-4是根据环路电压U与频率的关系画出的同步带和捕捉带示意图。 图中fl、f2、f3、f4与实验中测得的fl、f2、f 3、f 4对应。这 样，同步带.；fl=：f4 fl捕捉带厶f 2 = f 3 - f 25、环路在失锁状态f，fv。误差电压为不对称交变信号，其中所包含的直 流分量将使VCO的振荡频率不再是Uc =0时的固有频率f 0，而是来回改变 的fv(t)，并且其平均频率向着fi靠近了一个值，这就是fi对于VCO fv的 频率牵引现象

24、，VCO的平均频率与参考输入信号频率的关系曲线如图6-5所示。其中：45°线表示锁定状态；箭头表示f变化的方向。四、实验内容与步骤1、翻开各相关单元实验模块的电源开关。2、将“ VCO输出与“反应输入用导线短接。3、同时将直流电压表和示波器按照实验框图连接好。4、从“信号输入端输入高频正弦信号，调节高频信号源的频率使环路分别处于锁定和失锁状态，用双踪示波器分别观察“信号输入端和“反 馈输入端(或“ VCO输出端)的波形，并且记录波形。在“解调输出 端观察Ud(t)的波形并记录。5、用频率计测量“VCO频率输出端的频率，调节高频信号源的频率， 测定环路的同步带和捕捉带范围。6在测定牵引

25、特性曲线时，为了保证环路处于相对静止状态，应缓慢 地改变fi，另外为使特性对称，首先将VCO的固定频率fo置于所工作频段 中点，即fomatfomin f 0 二2当参考输入电平=0时，系统处于开环状态，VCO的振荡频率即为f 0，改变频率细调电位器可测得所选择频段的fOmax、 fOmin及fo。六、实验报告1、整理实验数据，画出相应的曲线。2、对实验结果与理论的差异进行分析。由于实验过程中仪器的缘故导致无法测出实验数据。实验四锁相环应用实验频率合成实验一、实验目的1、掌握锁相环用作频率合成器的工作原理。2、加深对环路根本特性的理解。二、实验仪器1、EE1642B型函数信号发生器/计数器2、6504双踪示波器3 锁相技术实验箱三、实验原理和电路说明1、根本实验原理应用锁相环路的频率合成方法称为间接合成。它是目前应用最为广泛的一种频率合成方法。锁相频率合成的根本框图如图8-1。在环路锁定时，氏垃N? ?图8-1锁相频率合成的根本框图鉴相器两输入的频率相同，即fr 二 fdfd是VCO输出频率f0经N次分频后得到的，即f fofd :N所以输出频率fo = Nfr是参考频率fr的整数倍。这样，环中带有可变分频器的锁相环路就提供了一种从单一参考频率获 得大量频率的方法。环中的除 N分频器可用可编程分频器来