锁相环调频和解调实验频率合成器实验

1、锁相环调频和解调实验频率合成器实验SANY 标准化小组 #QS8QHH-HHGX8Q8-GNHHJ8-HHMHGN#实验11锁相调频与鉴频实验一. 实验目的1. 掌握锁相环的根本概念。2. 了解集成电路CD4046的内部结构和工作原理。3. 掌握山集成锁相环电路组成的频率调制电路/解调电路的工作原理。二. 预习要求1. 复习反应控制电路的相关知识。2. 锁相环路的工作原理。三、实验仪器1. 高频信号发生器2. 频率计3. 双踪示波器4. 万用表VCQout4R13ins<Z>oGPMK8实验板GPMK85.工paovrCIA QB INHV8SB9I2VUA严 0VDO* R1 R

2、2四、锁相环(1)锁相环的根本组成VUD SIGNinSFout 低VCOiG 題CDKXe sc COMPin3C4图11-1是锁相环的根本组成方框图，它主要由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)组成。图11-1锁相环的根本组成 压控振荡器(VCO)VCO是本控制系统的控制对象，被控参数通常是其振荡频率，控制信号为加在VCO上的电压。所谓压控振荡器就是振荡频率受输入电压控制的振荡器。 鉴相器(PD)PD是一个相位比拟器，用来检测输出信号(t)与输入信号匕(t)之间的相位 差&(t),并把& (t)转化为电压Vd输出，耳称为误差电压，通常耳作为一直流分量或一

3、低频交流量。 环路滤波器(LF)LF作为一低通滤波电路，其作用是滤除因PD的非线性而在-中产生的无用组 合频率分量及干扰，产生一个只反映 & (t)大小的控制信号Vc (r) o4046锁相环芯片包含鉴相器(相位比拟器)和压控振荡器两局部，而环路滤波器由外接阻容元件构成。(2) 锁相环锁相原理锁相环是一种以消除频率误差为 U的反应控制电路，它的根本原理是利用相位误差电压去消除频率误差。按照反应控制原理，如果山于某种原因使VC0的频率发生变 化使得与输入频率不相等，这必将使吆与匕的相位差&( t)发生变化，该相位差 经过PD转换成误差电压匚。此误差电压经过LF滤波后得到K (r)

4、,山匕去改变VC0的振荡频率，使其 趋近于输入信号的频率，最后到达相等。环路到达最后的这种状态就称为锁定状态。当然由于控制信号正比于相位差，即耳正比于 & (t),因 此在锁定状态，0 (t)不可能为零， 换言之，在锁定状态匕与匕仍存在相位差。虽然有剩余相位误差存大，但频率误差可以降低到零，因此环路锁定时，压控振荡器输岀频率耳与外加基准频率(输入信号频率)人相等，即压控振荡器的频率被锁定在外来参考频率上。(3) 同频带与捕捉带同步带是指从环路锁定开始，改变输入信号的频率(向高或向低两个方向变化)，直到环路失锁(由锁定到失锁)，这段频率范围称为同步带。捕捉带是指锁相环处于一个固有的自山振

5、荡频率几，即处于失锁状态，当从高端慢慢减小外加输入信号频率/ (初始频率设置较高)，直到环路锁定，此时外加输入 信号频率/ 山狄就是同步带的最高频率。当从低端慢慢增加外加输入信号频率(初始频率设置较低),直到环路锁定，此时外加输入信号频率乞丽就是捕捉带的最低频率。捕捉带为/max 一几in。五、实验电路说明调频是用调制信号直接线性地改变载波振荡的瞬时频率，既使载波振荡频率随调制信号的失真变化而变化。其逆过程为频率解调(也称频率检波或鉴频)。本实验是用CD4046数字集成锁相环PLL 来实现调频/解调鉴频的。有关数 字集 成锁相环CD4046的内部构成和工作原理请参阅相关内容的书籍。锁相环404

6、6的结构框图及引出端功能图如下列图所示。H倍号输入锁相环 1016的结沟框图及引脚端功能图1. 用锁相环集成构成的调频/解调鉴频电路1.锁相环调频原理锁相环调频电卅原理枢图调频波输注：山于载波信号频率相对于调制信号频率高的多，故载波信号频率称为所谓的髙频只是相对而言，而调制信号频率那么相对应的称为低频。将调制信号加到压控振荡器 VC0的控制端，使压控振荡器的输出频率在自振频率中心频率f。上下随调制信号的变化而变化，于是生成了调频波。当载波频率与压控振荡频率相近时，载波频率与压控振荡器的振荡频率锁定。低通滤波器只保证压控振荡器中心振荡频率与载波频率锁定时所产生的相位误差电压通过，该电压与调制信号

7、同经加法器，用以控制压控振荡器的频率，从而获得与载波频率具有同样频率稳定度的调频波。2锁相环解调原理锁相环解调电路原理框图调频波经过放大器放大后与压控振荡器的输出被送入鉴频器，经鉴相获得变化着的相位误差电压，该误差电压通过低通滤波器被滤掉其高频成份，继而获得随调制信号频率变化而变化的信号，经跟随器得到解调信号，从而实现了解调鉴频过程。2. 锁相环振荡频率同步带与捕捉带的测量方法。1自振频率厂的测量用示波器观测脚的输出波形方波，用频率计测量自振频率f。2?锁定的判断14脚SIGNin输入方波信号，用示波器观察脚PCIout的波形，如锁 定,可得到一个稳定的矩形脉冲； 假设14脚输入信号频率与压控

8、振荡器的振荡频率相等，那么脚输岀为稳定地两倍频方波信号。3.同步带宽锁定范围和捕捉带宽捕捉范围的测量14脚输入一个方波信号最好用频率计检测，其频率与f。VC0自振频 率 相同。改变14脚输入信号频率，使频率逐渐降低，直至脚或脚输出方波刚 好 不稳定时，环路进入失锁状态，该点频率定义为同步带的下限频率“ f改念14脚输入信号频率，川fxff始频率逐渐增加，直至脚输出方波刚好再次稳定时，环路进入锁定状态，该点频率定义为捕捉带的下限频率±2 o改变Q4脚输入信号频率，由f:开始频率逐渐增加，直至脚输出方波刚好再Wflf“捕捉带？1冋步带次不稳定时，环路进入失锁状态， 该点频率定义为同步带的

9、上限频率f3ft '改变14脚输入信号频率，III 始频率逐渐降低，直至脚输出方波刚好稳定时，环路进入锁定状态，该点频率定义为捕捉带的上限频率“ f/ o3. 实验电路说明相关概念前面已分析清楚。这里需要说明的是十要测量汗控振荡器的自振频由以上可计算出：同步带宽为：frf:捕捉带宽为：率时，必须先将I门短路，当要测量压控振荡器的同步带和捕捉带时，必须将IN2短路。山于电路是环路锁相，改变滤波器参数既可改变VC0的自振频率，因此调节RP1或RP2可改变VCO的自振频率。当改变 C3、C4、RII、R12、R13、R14也可 在较大范圉内改变VCO的输出频率。六.实验内容与步骤1. 调频锁

10、相环局部的测试1.锁相环自振频率仇的测量将INI、IN2分别对地短路，调节电位器 RP1至适中位置，测量D端直流电 圧近似电源 电压的1/2，用示波器观察锁相环输出 0UT1端的波形。记录波形 特性、频率、幅度，填 入下表。OUT1端 锁相环自振 波形波形特性频率KHz幅度Vp-p观察相位比拟器鉴相器B端的波形，将测量结果填入下表。B端相位比拟 器的输出波形波形特性频率KHz幅度v相差不做要求观察鉴相器输岀C端的预积分波形，将测量结果填入下表。C端鉴相器输 出预积分波形波形特性频率KHz幅度相差不做要求观察用控振荡器输入 D端的波形，将测量结果填入下表。D端鉴相器输 出积分波形波形特性频率KH

11、z幅度V?-?相差不做要求2.锁定的判断将信号发生器输岀的方波信号幅度，频率为自振频率f。加到载波输入IN1端，用双踪示波器同时观测锁相环 0UT1端和A端的波形即锁相环的脚和 14脚。如波形稳定表示频率被锁定。改变信号发生器的输岀信号频率，可发现在较大范围内锁相环均能锁定。记录测量结果。思考：当频率锁定时，观测 0UT1端和B端出现什么现象如何解释3.测量同步带宽锁定范围和捕捉带宽捕捉范围观测A端和OUT1端，改变信号发生器的输出频率即载波频率调节载波信号频率输入叮 1,山自振频率f。开始逐渐缓慢降低，直至 VCOout 端波形抖动即：失锁，记录此时的载波输入信号频率 f】下 限失锁频点。

12、调节载波信号频率，山f:开始逐渐缓慢增加，直至 VCOout端波形不抖动 即: 锁定,记录此时的载波输入信号频率已下限锁定频点。调节载波信号频率，曲f:开始逐渐缓慢增加，直至 VCOout端波形抖动 即：失 锁，记录此时的载波输入信号频率 f< 上限失锁频点。同步带宽锁定范圉二fl-fj调节载波信号频率，山开始逐渐缓慢降低，直至VCOout端波形不抖动即：锁定,记录此时的载波输入信号频率心上限锁定频点。捕捉带宽捕捉范围=f3-f :2-解调局部的测试1.锁相环自振频率的测量调节电位器RP2至适中位置，测量G端直流电压，用示波器观察锁相环输出E端的波形。记录波形特性、频率、幅度，填入下表。

13、E端锁相环自振波形波形特性频率KHz幅度V p.p观察相位比拟器鉴相器F端的波形，将测量结果填入下表。F端相位比拟器的输 出波形波形特性频率KHz幅度V"观察压控振荡器输入 G端的波形，将测量结果填入下表。G端鉴相器输出积分 波形波形特性频率KHz幅度V"2.锁定的判断将信号发生器输出的方波信号幅度，频率为自振频率厂加到载波输入IN1端，连接A端和IN3端，用双踪示波器同时观测锁相环E端和A端的波 形。如波形稳定表示频率被锁定。改变信号发生器的输岀信号频率，可发现在较大范围内锁相环均能锁定。记录测量结果。思考：锁定时观测A端和F端的波形，有何结论，如何分析3?测量同步带宽锁

14、定范围和捕捉带宽捕捉范围观测A端和E端，改变信号发生器的输出频率即载波频率调节载波信号频率输入IN1,由自振频率f。开始逐渐缓慢降低，直至E端波形抖动即：失锁，记录此时的载波输入信号频率E 下限失 锁频点。调节载波信号频率,lllfxff始逐渐缓慢增加，直至E端波形不抖动 即：锁定，记录此时的载波输入信号频率扛下限锁定频点。调节载波信号频率，始逐渐缓慢增加，直至E端波形抖动即： 失锁，记录此时的载波输入信号频率仇上限失锁频点。同步带宽锁定范围二f?厂行调节载波信号频率，山化开始逐渐缓慢降低，直至E端波形不抖动即：锁定,记录此时的载波输入信号频率払上限锁定频点。捕捉带宽捕捉范围=f3-f :3.

15、 观测系统的调频情况IN1端输入幅值为，频率与自振频率相同的方波信号定义为载波。 IN2端输入幅值为，频率IKHz的正弦波信号定义为调制波。用双踪示波器仔细观测 0UT1和IN2端，为了可清楚地观看到调频波的疏密变化，可微调调制信号的频率。4. 观测系统的解调鉴频情况保持第3步的状态，联结0UT1端与13端即将调频波接入解调电路，用 示波 器观测叮2和0UT2,可清楚地观察到频率为IKHz的正弦波即解调出的波 形，可同时与 IN2 的调制信号进行比拟，其相位和频率相同。这样度要求七 . 实验考前须知 用双踪示波器观察波形时要注意波形的锁定，通常是用低频信号作为触发信号， 更容易观测到波形。八

16、. 实验报告1. 整理所观测到的波形与数据。绘制相应的波形图。2. 分析锁相环调频时，外加载波信号频率与压控振荡器的中心频率，哪个频率稳定 较高3. 简述实现锁相环调频与鉴频的方法。4. 锁相环调频与锁相环鉴频均有低通滤波器，说明它们有何不同实验 12 锁相式数字频率合成器实验一 . 实验目的1. 进一步加深对锁相环工作的根本原理。2. 掌握锁相式数字频率合成电路的工作原理。二 . 预习要求复习反应控制电路的相关知识。三 . 实验仪器1. 双踪示波器2. 频率计四、实验电路说明锁相式数字频率合成电路结构框图见下列图。图12-1频率合成器结构框图L锁相式数字频率合成电路的组成及工作原理频率合成技

17、术是现代通信对频率源的频率稳定与准确度，频率纯度及频带利用率提岀越来越高的要求的产物。它能够利用一个高稳标准频率源如晶体振荡器合成出大量具有同样性能的离散频率。直接式锁相频率合成器构成如图12-1所示。图中几为高稳定的参考脉冲信号如晶体振荡器输出的信号。压控振荡器VCO输出经N次分频后得到频率为几 的脉冲信号。办和几在鉴相器PD进行比拟，当环路处于锁定状态时，那么：因为：XfJN所儿 fV=Nfn=NfR1/N分频电路是山三组可预制分频电路完成，各组均由CD4522可编程二进制4位1/N计数器组成，每组分频可用“接入 +5V的方法以8421码的形式对技术器进行预制，也可用单片机编程去控制，分频

18、比的选择范围为1-999 针对三组分频电路而 言，总共可预置999 个频率点，它是构成锁相式数字频率合成器的重要单元电路，即可编程分频电路。2-实验电路使用的相位比拟器和环路低通滤波器CD4046内部有两个相位比拟器，其中相位比拟器十为异或门比拟器，要使锁相环范围尽量大，一般要求两个比拟信号进入CD4046的脚和14脚的占空比必须为 50%的方波，而相位比拟器II为过沿控制式比拟器，只曲两个信号的上升沿作用，所以不要求波形占空比必须为50%的方波。本实验电路的锁相环电路与锁相式数字频率合成器电路二者均组合在一起，山于相位比拟器的比拟信号来自可编程分频电路，占空比不是 50%的方波，所以本实验电

19、 路就选用 了相位比拟器II。它具有鉴频和鉴相功能，当两输入信号 6和6频率差较大 时，环路从鉴相 工作状态自动转入鉴频工作状态，迫使 E逼近f当fFfi时，环路由 鉴频器工作状态自动转入 鉴相工作状态，这种鉴相器将鉴频与鉴相结合起来工作，的确很方便。相位比拟器II输出的相位误差电压是周期性脉冲波形，需使用低通滤波器将其滤波平滑，得到一直流控制电压，用来控制VC0 压控振荡器的频率和相位，使其向减小误差的方向变化，从而消除频差与相差，到达锁定状态。而高频噪声和其它交流谐波分量将被滤波器抑制。实验电路中的低通滤波器是山R、C元件组成的。五. 实验内容与步骤1. 实验说明1 连接A与A两个端点，B与B'两个端点，山于本实验选用了相位比拟器II,所以将D 和E两个端点连接。2 分频数的设置：其中组一、组二、组三分别为可编程分频电路的预置数选择组件每个分组的四个选择端不接线为“0任和一端接5V均为“ 1 ,3 ?组四电容C和组五电阻R用来预置C和R的数值，不同组合得到不同 的自 振频率和频率合成范圉。CD4046自山振荡频率主要山外接电阻 11脚R1、12脚R2和6、7 脚之间C1决定，与其三者成反比关系，在电容C固定的情况下，CD1046的振荡下限频率主要由R2决定,而上限频率那么由Rl、R2决定，由于R2远远大于R1，所以改变