第四次高频电子技术实验报告锁相环调频剖析

1、高频电子技术实验报告1课实班组员：辛杰李聪黄盟宋明春罗流菊卖睑报告程：高频电子技术验：锁相环调频级：电信142班日 期：二零一五年十一月二十七日锁相环调频一实验目的1 .加深对锁相环基本工作原理的理解。2 .掌握锁相环同步带、捕捉带的测试方法，增加对锁相环捕捉、跟踪和锁定等 概念的理解。3 .掌握集成锁相环芯片NE564的使用方法和典型外部电路设计。二、实验使用仪器1. NE564锁相和调频实验板2. 200MHz泰克双踪示波器3. FLUKE万用表4. 射频信号发生器5. 低频信号源三、实验原理本实验采用的是锁相环来实现调频的功能，锁相环是由鉴相器（PD）、环路 滤波器（LF）和电压控制振荡

2、器（VCO）三个基本部件组成。它它它是一个相位误 差控制系统，它将参考信号与输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电锁相环的构成框图鉴相器是相位比较器，用来比较输入信号Ui（t）与压控振荡器输出信号 %«）的相位，输出电压对应于这两个信号相位差的函数。环路滤波器是滤除 ,高频分量及噪声，以保证环路所要求的性能。压控振荡器受环路滤波器 输出电压Uc（t）的控制，使振荡频率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频率相 同，使得VCO输出信号的相位和输入信号的相位保持某种特定的关系，达到相位锁定的目的。*判断环路是否锁定的方法在有双踪示波器的情况下，开始时环路处于失锁状态，加大输入信号频率，用

3、双 踪示波器观察压控振荡器的输出信号和环路的输入信号，当两个信号由 不同步变成同步，且fi = f0时，表示环路已经进入锁定状态。锁相调频电路在普通的直接调频电路中，振荡器的中心频率稳定度较差，而采用晶体振 荡器的调频电路，其调频范围乂太窄。采用锁相环的调频器可以解决这个矛盾。 锁相调频原理框图如下图所示调制佶号PD LF - VCO T一调频波锁相调频原理图正如上面锁相调频原理图所示，实现锁相调频的条件是调制信号的频谱要处于低通滤波器通带之外。使压控 振荡器的中心频率锁定在稳定度很高的品振频率上，而随着输入调制信号的变 化，振荡频率可以发生很大偏移。这种锁相环路称载波跟踪型PLL,本实验中使

4、 用的锁相环是NE564o NE564内部压控振荡器的最高工作频率是50MHz,从图 10-5的逻辑框图中可以看到，NE564的内部包含一个限幅放大器，对外部的输 入信号进行限幅放大，抑制寄生调幅，内部还包含压控振荡器和相位比较器。环 路低通滤波器外接，内部有一个放大器对鉴相器的输出电压进行放大，然后经过 直流恢复器后得到模拟信号的输出。内部还有一个斯密特触发器，可以得到TTL 电平的数字信号输出。锁相环闭环的拉氏模型方程可以表示为：锁相环传递函数H（s）=丝曳="（S）q（s） s + KF（s）s + KF(s)锁相环误差传递函四、仿真锁相环调频实验_H44-| | | | |

5、| | ,| | | | ； |其输出调频波的波形如下:仿真的时候输出的波形是完好的调频波（是正弦波的形式），而实验输出的却不 是这么好看的调频波，可见仿真与实验还是不能等同的，这也告诫我们在做后续 的设计电路的时候，万不能太相信仿真，仿真出了结果可是实际焊的电路未出结 果是很正常的。高频电子技术实验报告一电子技术实验报告五、实验内容：锁相环调频实验原理图电路原理图6 二二电路原理：电容C12和C13是5V的直流电源的去耦电容，NE564的1脚 和10脚外接5V正电源，8脚接地。12脚和13脚之间有一个可变电容，可以微 调压控振荡器的中心频率，跳线开关S8可以切换固定电容，决定了教波中心频 率

6、的范围。调制信号从J2输入，滑动变阻器W2分压控制输入调制信号的幅度, 电容C1是隔直电容，调制信号从6脚输入鉴相器，电阻R1和电容C2是7脚外 接的滤波电路。9脚是压控振荡器的输出端，电阻R7是上拉电阻。3脚是鉴相 器的另外一个输入端，当跳线S1接到锁相环路时，构成锁相环路。当跳线S1 接到调频回路时，构成调频电路。调频信号直接从9脚输出，在FM OUT端可 以通过示波器观察调频信号。芯片的4, 5脚分别外接低通滤波器的滤波电容， 跳线S3, S4的断开时，滤波电容是300pF,闭合时滤波电容是1300pF。TP4是 环路低通滤波器的输出端。滑动变阻器W3可以调节低通滤波器的截止频率。滑 动

7、变阻器W1可以调节芯片2脚的基准电流，从而调整NE564的频率锁定范围。 16脚是FSK解调的输出端，电阻R4是上拉电阻。TP3处可以外接示波器观察 FSK解调出的TTL电平的数字基带信号。14脚是普通调频信号的解调输出端， 电容C14是外接的积分电容。15脚是NE564内部斯密特触发器的迟滞电压控制 端，当跳线S6闭合时，可以通过滑动变阻器W4调节迟滞电压，来获得FSK解 调出的正确的数字基带信号。实验过程：本实验主要包括如下三个内容1.压控振荡器的测试；2.同步带和捕捉带的测量；3.调频信号的产生和测量。Step 1.压控振荡器的测试（1）在实验箱主板上插上锁相环调频与测试电路实验模块。接

8、通实验箱上电 源开关，电源指标灯点亮。（2）把跳线SI, S2, S5, S6, S7断开，S3, S4合上。在这种状态下，单独 测试压控振荡器的自由振荡频率：将双排开关S8的5端台上，此时8200pF的固定电容接入12, 13脚之间，用示波器观察TP2处的波形（压控振荡器的输出端），并测量此时的振荡频率。调节滑动变阻器W1的值，观察振荡频率是否有变化，并思考原因。然后调节可变电容CW,观察振荡频率的变化范围，并记录。当合上S8的5端时，此时振荡器输出频率f=50.91kHz的方波，Vpp=5.24V其波形如下图图1图1图2上图显示的是W1减小过程的波形变化，在实验过程中，我不断地交线W1的值

9、，发现输出波的频 率在不断改变，从起初的50.91kHz变到了 71.02kHz,而幅度基本不变。W1能改变输出波频率的原因：滑动变阻器W1可以调节芯片2脚的基准电流，从而调整NE564的频率锁定范围（查书）另外通过调节微变电容CW （此时使得W1保持不变），测得输出信号频率的变化范围为 50. 735%0. 909kHz将双排开关S8的6端合上，此时820pF的固定电容接入12, 13脚之间，用 示波器观察TP2处的波形（压控振荡器的输出端），并测量此时的振荡频率。调节滑动变阻器W1的值以及CW,观察及记录振荡频率的变化。当合上S8的6端时，此时振荡器输出频率f=342.91kHz的方波，其

10、波形如下图图3。与S8接到5端时的情况比较，输出频率普遍增大，这是因为S8所接的电容直接接入压控振荡 器的12、13脚，它决定了振荡器的载波中心频率，接入的C越小，振荡频率越大，这可由公式，二豆认得到。S8接5的时候，接入了 8200pF的电容，而S8接6端时，只接入了 820pF的由容一所口城6糊府护藤骊奈克苒牖叱骨十一图3图4上面两图显示的是W1减小过程的波形变化，同样我们发现输出波的频率随着W1的减小而增大， 从起初的342.91kHz变到了 704.20kHz,其原因在S8接5端的时候已经叙述。另外调节微变电容CW （此时使得W1保持不变），测得输出信号频率的变化范围为 487. 28

11、1505. 7601kHz将双排开关S8的7端合上，此时82pF的固定电容接入12, 13脚之间，用 示波器观察TP2处的波形（压控振荡器的输出端），并测量此时的振荡频率。 调节滑动变阻器W1的值以及CW,观察及记录振荡频率的变化。当合上S8的7端时，此时振荡器输出频率f=2.82MHz的方波，其波形如下图图5。因为此种情况，接入压控振荡器的是82pF的电容，所以频率更进一步的增大时理所当然（前面 已经说明理由）。图5图6上面两图显示的是W1减小过程的波形变化，同样我们发现输出波的频率随着W1的减小而增大, 从起初的2.82MHz变到了 3.46MHz,其原因在S8接5端的时候已经叙述。另外调

12、节微变电容CW （此时使得W1保持不变），测得输出信号频率的变化范围为2. 673. 6MHz锁相环此时输出的已不是方波，上下已明显不对称？试解释其原因。原因解释：这是由频率牵引造成的。在锁相环中，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, 它的振荡频率随输入控制电压U。线性的变化（实际上，只是在一定范围内线 性变化），即3V（垃=30 +KU式t）,定义A3。= % 3。，在A3。稍大于K时, 由于在一周内瞬时相差平均增长率不一样，使得鉴相器输出误差电压称为一个 上下不对称的非正弦差拍波形，其频率为输入频率与振荡频率之差，属于有直 流分量的情况。这一非正弦差拍电压作用于VCO

13、上，使其振荡频率随之作相 应规律的周期性变化，最终平均振荡频率偏离VCO中心频率而向输入频率靠 拢，此即为频率牵引现象。下图即为频率牵引现象造成的输出波形：1高频电子技术实验报告1 I.一所以我们的输出波形才会出项前面的不对称波形将双排开关S8的8端合上，此时22pF的固定电容接入12, 13脚之间，用示波器观察TP2处的波形（压控振荡器的输出端），并测量此时的振荡频率。调节滑动变阻器W1的值，观察振荡频率是否有变化，并思考原因。然后调节 可变电容CW,观察振荡频率的变化范围，并记录。当合上S8的7端，即接入22pF电容时，此时振荡器输出频率f=7.8MHz的方波，其波形如下图图7。上面两图显

14、示的是W1减小过程的波形变化，同样我们发现输出波的频率随着W1的减小而增大, 从起初的7.69MHz变到了 11.87MHz,其原因在S8接5端的时候已经叙述。另外调节微变电容CW （此时使得W1保持不变），测得输出信号频率的变化范围为5. 229. 54MHzStep 2.同步带和捕捉带的测量把跳线S1接到锁相位置，把跳线S2, S6, S7断开，S3, S4, S5, S8的 7端合（即接入82pF的电容）上。（1）调节可变电容CW和滑动变阻器W1的值，用示波器观察TP2处的波形，使其振荡频率达到4MHz （认。=2MHz作为参考值）高频信衣源产生频率_ “口匕 八“没有失%，可降低输入频

15、率fi为3.8MHz, Vpp二4V的正弦信号£,从TP1处输入_ （2）同步带和捕捉带的测量测量方法：基准频率0 = 3.8MHz, 一般情况下环路都会处于失锁状态，然后缓缓增加输入信号频率3用双踪示波器仔细观察TP1和TP2处两信号之间（即 £和后8）之间的关系。当发现两信号由不同步变为同步，表示环路进入刚进入 到锁定状态，记下此时的频率这就是捕捉带的下限频率，继续增加立此时 压控振荡器频率s将随£而变。但当1增加到Fa时，%C。不再随g而变，记下此 时的三，即为环路同步带的上限频率，然后再逐步降低小当£降低到fz时，两信 号乂开始同步，此频率f2即

16、捕捉带的上限频率。然后不断降低3两信号开始是 一直同步的，直到输入信号频率降低到1时，两信号不再同步，此频率F1即同步 带的下限频率。巴 捕捉带¥二6一£ 速提带"*同步带二耳£工工f=F2-Fl = 3.460MHz高频电子技术实验报告Step 3利用NE564产生调频信号把跳线S1接到调频位置，把跳线S2, S3, S4, S5 , S6, S7断开，S8的 8端合上。调节滑动变阻器W1的值，调节可变电容CW,使TP2处测量到的 振荡频率为10.7MHz,以此频率作为调频信号的中心频率，用低频信号源产生 频率为IKHz,幅度为500mV的调制信号从T

17、P1处输入。在TP2处用示波器观察输出的调频信号，并接入频谱分析仪观察频偏大小。我们可以看到，随着调制幅度的增加，调制深度越来越大，表现在频谱上就是频偏 越来越大，频率峰点之间区分的越明显，正如前面的变容二极管调频实验中所讲，输入调制信号的幅度越大，调制指数m越大，从而使的调频波的频偏越大,v0+vD左环Rfe皮I L部主工m斗t厮诙4左上多tai的中；南木逐渐增加调制信号的频率，其频谱图变化规律如下：频率逐渐增大高频电子技术实验报告六、结束语频率锁相环技术一般使用相位反馈，此技术可以用固定的相位差实现频率的随着制信号频率的增加，输出调频波 的频率的周期性变化越来越快。这是 由调频波的特性决定的，调频波的瞬 时频率表达式为w = w0 +kfVncosQt,所