锁相环与频率合成器实验

1、锁相与频率合成技术实 验 指 导 书 覃远年 田克纯 王吉平编桂林电子科技大学通信实验中心2007年 9月实验一 锁相环实验一、实验目的:1、掌握锁相环路的构成、工作原理、环路部件特征测量;2、理解并建立二阶环路的线性化相位模型;3、掌握环路捕捉过程和同步过程,掌握锁相环路工作的物理实质;4、学会测量一个实际环路的基本性能。二、实验内容1、用示波器观察正弦鉴相特性鉴相器的鉴相波形(P404 ;2、观察环路接近入锁时刻的差拍波形(P405 ;3、改变压控振荡器 VCO 的控制电压,观察 VCO 的压控特性(V-f 关系 ;4、改变环路滤波器 LF 的参数,观察其对 LF 的同步范围和捕捉范围的影

2、响;5、观察环路开环和闭环的时候,各测试 点 的 不 同的波形;三、 实验仪器与设备1、 双 路 稳 压电 源 一 台2、 双踪 示波器 一 台3、 信号源 一 台4、 小平口螺丝刀 一 把5、锁相环 与频率合 成器实 验 模 块 一 块四、 实验原理锁相环路实质 是 一个 负反馈 的相位差 自动调节 系 统 。1、 锁相环路的构成 图 1 锁相环基本 框图(1 鉴相器鉴相器 是 相位差 转换 成电压的变 换 器 (e / V变 换 器、 相差 /电压变 换 器 , 它把两 个 信号 U 2(t 和 U 1(t 的相位 进行比较 , 产主 对 应于两 个 信号 相位差 e 的 误 差电 Ud

3、(t 。 图 2(a 鉴相器模型 图 2(b 异或门 鉴相 曲 线 图 2(c 数 字比 相器的鉴 频 鉴相 曲 线如图 2的数 字比 相器,其特性 可以 理解 为: 对 于 相位 跳 变 信号 , 如 f1输 入 已调 2PSK 信号 , f2输 入 载 波 信号 , 则 鉴相器 的 输 入 输出信号为: 图 3 f 1 :PSK 信号 图 4 f 0: 载 波 信号 图 5 f 1 与 f 0 的相差 e 图 6 鉴相器的 输出 电压 Ud 对 于频率跳 变 信号 , 如 f1输 入 已调 2FSK 信号 , 由高低频率 f H 、 f L 组 成, f2输 入 f L 信号 , 则 鉴相

4、器的 输 入 输出信号为: 图 7 f1 :FSK 信号 图 8 f 0: FSK 的 f L 信号 图 9 f 1 与 f 0 的相差 e 图 10 鉴相器的 输出 电压 Ud(2环路滤波器环路滤波器的作用 是 滤 除误 差电压 Ud (t 中 的 高频 成 分 和 噪声 , 以保证 环 路 所要求 的性能, 增加 系 统 的 稳定 性。环路滤波器 常 用的 类 型 有 RC 积分 滤波器, 无源比例积分 滤波器, 有源比例积分 滤波器。 (3压控振荡器VCO 的 技术指标:中心频率 、 频率 变化范围、 频率稳定度 、相位 噪声 、压控 线性 度 、压控 灵敏度 。 图 11 压控振荡器控

5、制电压 / 输出频率 (Uc -O 特性 曲 线2、锁相环的工作原理锁相环的开环的 等效 模型 可 用 下 图 表 示 : 图 12 锁相环的开环的 等效 模型锁相环的开环模型 可以 看 成相差 信 息 e 到 电 信号 的变 换 , 最后 实 现 电 信号 到 (频率 相位 信 息 的 反 变 换 。锁相环的闭环模型 可以 看 成 把 f 0变成 了受 输出 状态 控制的 信号 (f 0直 接用 f out 取代 ,锁相环成 为 一个 引 入 了大 环路 负反馈 的 自动 控制系 统 ,闭环模型 如 下 图: 图 13锁相环的闭环的 等效 模型3、锁相环的 稳 态 信号 响 应 (线性 跟

6、踪 从 锁相环的开环和闭环 等效 模型 可以 看到 :从 相位差 误 差电压 (频率 相位的变 换 (e / V / 变 换 过程 中 , 经 过 了 Ud Uc 的 积分 (滤波 , 还经 过 压控振荡器的 频率 量 到 相位量的 积分 (滤波变 换 ,锁相环 从 输 入的 e 到 输出 的 , 经 过 了 一 次 以 上 的 积分 (滤波 ,锁相环对 输 入的 e 信号产 生 低 通 滤波的 作用。下面 是 一个 自 然谐 振 频率 n =2rad/s (f n =1Hz 的二阶环,实测其 输 入 输出 波形 可 得 :图 14 输 入相位(频率 变化 率为 1Hz 的 信号 时的 输出

7、情况图 15输 入相位(频率 变化 率为 2Hz 的 信号 时的 输出 情况图 16输 入相位(频率 变化 率为 10Hz 的 信号 时的 输出 情况输 入波形, 频率 变化 率为 (1次 / 秒 输 入波形的 频率 变化 曲 线 输 入波形的相位变化 曲 线 输出 波形, 频率 变化 率为 (1次 /秒 输出 波形的 频率 变化 曲 线输出 波形的相位变化 曲 线 输 入波形, 频率 变化 率为 (2次 /秒 输出 波形, 频率 变化 率为 (2次 /秒 输 入波形的 频率 变化 曲 线 输 入波形的相位变化 曲 线 输出 波形的 频率 变化 曲 线输出 波形的相位变化 曲 线输出 波形的

8、频率 变化 曲 线输出 波形的相位变化 曲 线 输 入波形的 频率 变化 曲 线 输 入波形的相位变化 曲 线 输 入波形, 频率 变化 率为 (10次 /秒 输出 波形, 频率不 再 变化 图 17 频率 、相位变化 率不 同的 输 入 信号 ,其 输出信号 的 频率 相位 曲 线对 比从 模型 分 析 与输 入 输出信号 对 比可以 看 出: 当 输 入 信号 的相位变化 率 n 时, 输出信号 的 频率 、相位 曲 线的变化 幅 度 程 度 大 小与输 入基本相同; 当 输 入 信号 的相位变化 率 >n 时, 输出信号 的 频率 、相位 还 有 变化, 但 是 变 化 幅 度已

9、经被衰减 ; 当 输 入 信号 的相位变化 率 >>n 时, 输出信号 的 频率 、相位的变化 幅 度已 经被衰减到趋 于 0, 输出信号 的 频率 相位 可以 看 成 恒 定 值 , 等 于输 入 信号 的 中心 频率 ;下 图是 二阶锁相环的闭环 频率 响 应曲 线 表明 ,二阶锁相环实际 是 一个 低 通 滤 波器。 图 18横坐 标 表 示的 是输 入 信号 相位的 频 谱 , 而非 输 入 信号 电压的 频率 。 图 18 锁相环的闭环 频率 响 应曲 线 (b 输 入、 输出信号 的相位变化 曲 线对 比 (a 输 入、 输出信号 的 频率 变化 曲 线对 比对 于 1

10、型二阶环系 统 ,锁相环的 -3dB 带宽 可由 下式 求 得 : 对 于 2型二阶环系 统 ,锁相环的 -3dB 带宽 可由 下式 求 得 : 4、环路同步过程和捕捉过程(1 所 谓 同步过程, 就 是 当 不稳定 因素 的影响, 使 输 入 信号频率产 生缓慢漂移 时, 环路 内 所 发生 的 使 输出频率 继续地 锁 定 在 输 入 频率 上 的过程。 简言之 ,同步过程 即“ 环路 已 锁 定 , 固 有频 差 缓慢 增 大 , 输出信号 续 锁 定 在 输 入 信号 叫上 的过程 ” 。 跟 踪 范围 取决干 环路 所 能 提供 的 最大 控制 频 差, 即在 控制电压范围 下 ,

11、VCO 的 频 率 能 否 所以 达到 输 入 信号 的 频率 。 图 19 同步 带 测量 方 框图同步 带 的测量 可以 用 图 20的测量 方法 :环路锁 定 之后 , 缓慢提 高信号源 的 输 入 频率 , 直到 输 入 输出频率不 相 等 ,测 出 H ;用同 样方法 测量 L ,环路锁 定 之后 , 降 低信号源 的 输 入 频率 , 直到 输 入 输出频率不 相 等 ,测 出 L 。 图 20 PLL同步 带 范围(2 捕捉过程 :环路 由 失 锁 进 入锁 定 的过程。完整 的捕捉过程,实际 上 可分为两 段 ,一 段称 为 “ 快 捕 ” 过程, 另 一 段称 为 “慢 捕

12、” 过程, “慢 捕 ” 也称 “ 频率 牵 引” 。捕捉过程, 就 是由 环路 初始 频 差 较 大 , 到 鉴相、滤波 产 生 的 交流 电压对 VCO 实 施 频率 扫描 , 自动调 整 VCO 与输 入 频率相 等 , 即 由 失 锁 进 入锁 定 。5、实验原理框图(1正弦波 乘 法 鉴相 PLL 部 分 (锁相环一 图 21 乘 法 鉴相锁相环(2数 字 鉴相 PLL 部 分 (锁相环二 图 22 数 字 鉴相锁相环五、 实验步骤1、正弦波 PLL 部 分 (锁相环一(1观察差拍波 :观察 PLL 从 失 锁 到 将 要 锁 定 的 瞬间 波形,并 记录 ;(2观察同步 带 和捕捉

13、 带 : p =f2-f1(捕 , h =f2-f1(同 ;(3改变 “ 滤波电 容 调节 ” 开关的位 置 ;改变 “ 鉴相 增 益 调节 ” 开关的位 置 ,观 察对环路 带宽 的影响;(4测量 VCO 特性 :“ 环路 姿 态” 开关 置 “ 开环 ” ,示波器 探头 接 在 P406。 从 P407输 入 可调 的 直 流 电压, 分 别 测量 输 入 直 流 电压 U 为 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8V 时对 应 的 频率 (用示波器测量 ,并作 出 U -F 关系的 表 格 和 曲 线。 2、数 字 鉴相 PLL 部 分 (锁相环二(1锁相环二 所 需 的参 考 频

14、率是 从“ 频率合 成器 ” 部 分 提取 的。 将 S301、 S302置 “ 闭环 ” , 调节 参 考 频率 的 大 小 , 直到 环路锁 定 (将 示波器的 探头 接 到 P301检 测环路的锁 定 情况 , 到 示波器 显 示的 频率 等 于 数 码管显 示的 频率 , 并 且 示 波器 显 示的波形 最 纯净 的时候, 环路 即 为 锁 定 。 测试各关 键 点 的波形 :P305, P307, P308, P310, P311, P312。(2 观察 PD 的 两 个 输 入 信号 的相 移大 小:示波器的 两 个 探头 分 别 接 P311和 P312, 缓慢 调节 “ 相 移

15、 调节 ” 的电位器 VR301, 用示波器 直 流档监 测 P307和 P308, 观察 当 相 移 改变的时候, 环路 是如 何 跟 踪 相 移 的变化并锁 定 的。 作 出 相 移 角 和观测 到 的 直 流 电压 U 的关系 曲 线。(3改变 S305、 S304的位 置 ,观察环路的变化。 (选做 六、 实验报告要求1、正 确画 出要求 的各 种 波形和 表 格 ;2、用 坐 标 纸 作 出 VCO 的 U -f 曲 线;3、 分 析 同步 带 和捕捉 带 的 大 小 并 且说 明 理 由 。七、预习要求1、 认真预习 锁相环的基本 概念 和各部 分 的原理, 以 及 本实 验 的相

16、关 内 容 ;2、 认真预习 本 指 导书 的 全 部 内 容 ;3、 认真复习教材 上 各 种 环路滤波器的电路 图 和 幅 频 特性 曲 线 以 及 相关 内 容 。实验二 频率合成器实验一、实验目的:1、掌握锁相 频率合 成器的工作原理和 主要技术指标 ;2、学会测量 频率合 成器的性能 指标 ;3、 了 解 PLL 频率合 成器的电路构成和 应 用。二、实验内容1、观察 PLL 频率合 成器的电路构成;2、察基 准 频率 、其波形 以 及 基 准 频率 和 PD 的参 考 频率 的关系;3、 PLL 频率合 成器 主要技术指标 的测量;4、观察 PD 、 LF 、 VCO 等 关 键

17、点 波形,并 加以分 析 。三、 实验仪器与设备1、 双 路 稳 压电 源 一 台2、 双踪 示波器 一 台3、 信号源 一 台4、 小平口螺丝刀 一 把5、锁相环 与频率合 成器实 验 模 块 一 块四、 实验原理1、 PLL 频率合 成器 是 在 PLL 的基 础 上 进行 的,关 于 PLL 的工作原理, 不 在 重述 , 只需 要 介绍 一 下 频率合 成器的 知识 。(1 直 接 频率合 成 :将 一个 或 者多 个 高 精 度 和 高稳定度 的 频率源 , 利 用 混 频 器、倍 频 器、 分频 器和滤波器实 现 对 频率 的 四 则 运算 , 产 生大 量的 离散 频率信号 。

18、直 接 频率合 成 方法 突 出 的 优 点是频率转换 时 间短 、 并能 产 生 小 数 值 的 频率增 量; 缺 点是:大 量的成本 增高 、 输出 的 谐 波 噪声以 及寄 生 频率 的 干 扰很难抑 制 掉 , 造 成 了 输出信号 的 频 谱 不 纯 。 这 种 频率合 成器 主要 用 在 对 于转换 时 间 要求 很 高 的 快 速 通 信中 。(2 间 接 频率合 成 :有 一个 高稳定度 、 高 精 度 的 标 准 频率源 , 利 用 PLL 内 部实 现的, 其闭环控制特性 就 显 现 出 来 。 下 图所 示的 PLL 中 , 通 过 在 反馈 支 路 上 串 接 分频 器

19、(固 定或 者 可 编 程 分频 实 现 对参 考 频率 r f 的 倍 频 。环路锁 定 后 , N f f r /0=, 即 有 r Nf f =0。 图 1 简 单 锁相 频率合 成器改变 N 的数 值就 可以 实 现 对参 考 频率 的 可 变 频率 。 在 实 现 除 法 运算 的时候, 通 常不 在 环路的 反馈 支 路 上 设 置倍 频 器, 而 采 用 前 置 分频 法 对参 考 频率 实 行 固 定或 者 程 序 分频 。锁相 频率合 成器的 分 析 与 一 般 的锁相环电路的 分 析 方法 是 完全 相同的, 我们 只需 要把 VCO 与分频 器 看 成一个 整 体 , 组

20、合 一 个 VCOa , 这 时相 当 于 VCOa 的压控 灵敏度 K 0是 原 来 VCO 的 1/N, 随着 N 取 不 同的数 值 ,压控 灵敏度产 生 K 0产 生 很 大 的变化, 分 析 PLL 状态 的时 候, 需 要 对 应 K 0最大 、 最 小 值 进行分 析 。 图 2 锁相 频率合 成器 与 一 般 锁相环电路的关系我们 可以 看到 :利 用 PLL 实 现 的 频率合 成器, 其 信号 的 输出 量 是 直 接 从 VCO 获 得 的, 幅 度 和 频 谱 纯净 度 很 高 , 尤 其 是 带通 滤波器电路 插 到 反馈 支 路 中 , PLL 锁 定 后 ,滤波器

21、的 带宽 的 大 小 对 输出信号 的影响 几乎没 有 , 这 样 对滤 波器的 要求 就 不高 了 , 最 终获 得 的 信号中 的 寄 生 频率 也 就 没 有 了 。2、 频率合 成器的 主要技术指标(1 频率 范围 :指 的 是频率合 成器 输出 的 最 低频率 min o f 和 最 高频率 max o f 之 间 的变化范围。(2 频率稳定度:输出 的 频率稳定度定 义 为:Tf f 0 式 中:0f 为输出标 称 频率 T f /为 单 位时 间 内 的 频率 漂移 量,输出频率 的 稳定度主要 取决 于 参 考 频率 的 稳定度 和环路 噪声 的 大 小 等 因素 。环路 设计

22、 合 理时, 输出频率 的 稳定度 和参 考 频率 相 等 或 者 十 分 接近。(3 噪声:频率合 成器的 输出噪声主要由 寄 生干 扰 和相位 噪声组 成。 集 中反 映 在 输 出信号 的 频 谱 纯 度 上 。噪声小 表现在 中心频率 0f 稳定 ,相位 噪声 谱宽 度 窄 小 , 寄 生干 扰 幅 度 小 , 频 谱幅 度高 且 谱 线 光滑 。 图 3 输出噪声 在 信号频 谱上 的 反 映(4 信 道总 的 频率 数量 以 及 频率 间 隔 :信 道总 的数量 是有频率 范围和 频率 间 隔 (或 称 分 辨 率 决 定 的, 它指 的 是频率合 成器 输出信号 相 邻 频率 之

23、 间 的 间 隔 。(5 转换 时 间 s T :频率转换 时 间 是指频率合 成器 在 某 频率 范围 内从 一个 频率转换 到 另 外 一个 频率 达到 稳定 (锁 定 的时 间 。 严 格 的 计 算很难 推 导 ,工程 上 有 一个 经 验 公 式 :r s f T /25=, 式 中 r f 为 参 考 频率 。转换 时 间 s T 实际测试 方法 :改变程 序 分频 器的 分频比 之后 , VCO 的控制 电压开 始 调 整 , 直到 稳定 , 这 一 段 时 间 就 是转换 时 间 s T 。3、 频率合 成器 集 成电路 :(1 高 速 数 字 电路 技术 的 迅速 发 展 ,

24、 从 七十年 代 末 开 始 , 频率合 成器 逐渐向 全 集成化 发 展 。 美国 Motorola 公司 、 英国 Plessey 公司 和 荷兰 Philips 公司 等 相 继提 出 了 各 种 中 大 规 模的 集 成锁相环 频率合 成器电路。 在 这 种 大 规 模 集 成 电路 中 , 把频率合 成器的 主要 部件 如 参 考 振荡器、 参 考 分频 器、 程 序 分频 器、 鉴相器、锁 定指 示, 甚至微处 理器 等 做 在 同一个 芯片 上 。 再 配 上 VCO 、 LF 和 高 速 分频 器, 即 可 构成一个 完整 的 频率合 成器。 本 装 置 就 是如 此设计 。

25、这 就使 频率合 成器的成本、 体 积 和 功耗都 大大下降 , 简 化 了 设计 和 生 产调 试的 复 杂 程 度 , 而 可 靠 性 则 明 显 提 高 。 所以 集 成锁相环 频率合 成器电路的 出 现 , 为频率合 成器的 应 用开 辟 了 广阔 的 场景 。目前 , 集 成锁相环 频率合 成器电路 产 品 很多 。实际 上 , 这 一系 列 产 品既 可以自由 选 择 频率 置 定 方式 , 又 可自由 选 择 混 频 方式 (单 模 、 固 定 前 置 分 频 方式 (单 模和 吞咽脉冲 分频 方式 (双 模 或 者四 模 。锁相 频率合 成器的基本 组 成 方法 是 , 锁相环

26、路对 高稳定度 的参 考 振荡器 (通 常是 晶体 振荡器 锁 定 , 环 内 串 接 可 编 程的程 序 分频 器, 通 过 编 程改变 程 序 分频 器的 分频比 N , 从而 获 得 N 倍 的参 考 频率 的 稳定输出 。 按照 上 述 方 式 构成的 单 环锁相 频率合 成器 是 锁相 频率合 成器的基本 单元 。 下 图为 带 有 前 置 分频 器的 频率合 成器 框图:图 4 带 有 前 置 分频 器的 频率合 成器的 框图(2 中 规 模 单片集 成锁相环 频率合 成器 :这 种 类 型 的 单 片集 成 锁 相 环 频 率 合 成 器 中 , 最 典 型 的 例 子 就 是

27、Motorola 的 MC1415XX 系 列 中 的 MC14504/06/07/08/12/43等 几 个 产 品 , 它 们都 是 CMOS 、 MST 电路。本实 验 集采 用 了 MC145106。OSC 参考分频器PD LF VCO前置分频器÷M程序分频器÷N 图 5 MC145106框图 电路 说 明电路 包含 了 MC145106的参 考 振荡器 或 放 大 器、 参 考 分频 器 ÷N 计 数器和 鉴相器。 只 要 外 接环路滤波器和压控振荡器, 就 可以组 成一个锁相环 频率合 成器。 详细 介绍 如 下 :MC145106是 DIP18封 装

28、 的 集 成电路,各 引 脚 说 明 如 下 :OSCin (3端 :参 考 振荡器 输 入 端 。 该端 可以 接 具 体 , 也 可以 外 接 输 入信号 作 为 参 考 信号 。 典 型 频率为 10.24MHz 。OSCout (4端:参 考 振荡器 或 放 大 器 输出 端 。 ÷2out (5端 :参 考 振荡器 ÷2分频输出 端 。 当 振荡 频率 使 用 10.24MHz时, 若 FS =“ 1” ,参 考 分频比为 1024(含÷2电路 , 下同 , 则 鉴相 频率为 10KHz; 若 FS=“ 0” ,参 考 分频比为2048, 则 鉴相 频率

29、为 5KHz 。Fin (2端 :程 序 分频 器 信号输 入 端 。程 序 分频 器 最 高 工作 在 4.5MHz 左右 。P0P8(179端 :为 程 序 分频 器二 进 制 码预置 端 。程 序 分频比为 3511, 用二 进 制 码确 定 。 由于 程 序 分频 器 预置 端 接 有 下 拉电 阻 , 故 这 种 控制作用 既 可以 用 机械 开关, 也 可以 用电子 开关。 这 些 输 入 端悬空 时,相 当 于 逻辑 “ 0” 。deCout (7端 :三 态 鉴相器 输出 端 。 当 N fin /低于 鉴相 频率 时, 输出为高 电 平 ; 反 之 为低 电 平 。鉴相 频率

30、 典 型 值 为 5kHz 或 者10kHz 。鉴相 灵敏度为 4/dd d V K =LD (8端 :锁 定指 示。锁 定 时 为高 电 平 。dd V (1端 :正电 源 端 。 通 常为 +4.5V +12V。ss V (18端 :GND 单片集 成 高频 压控振荡器由于本实验装置要求频率达到 2MHz 故使用了 MM74HC4046 单片集成 PLL 电路中的 VCO 部分。 IC 采用 3.5m 硅门微 CMOS 工艺， 此 使得鉴相器和压控 振荡器的工作频率大大提高。VCO 的振荡器达到 20MHz。74HC4046 的内部框 图见附带资料。和低频率的 CD4046 相同，由一个低功率线性 VCO、一个输入 放大器、一个射随器和三个鉴相器组成。 VCO 需要接 3 个外接元器件，即 R1、R2、C1。由电阻 R1 和 C1 决定振荡 器中心频率。R2 可以改变 VCO 的自由振荡频率并且改变振荡器的频率控制范 围。由于式 CMOS 电路，输入阻抗很高，有利于环路滤波器的设计。鉴相器 工作波形大致如图： 图 6 74HC4046 鉴相器的工作波形 VCO 输出缓冲电路 74HC04 是 常 用 的 非 门 buffer 。 它 是 高 速 硅