锁相电路通信电子电路实验

1、通信电子电路实验通信电子电路实验u锁相电路锁相电路锁相电路锁相电路 掌握锁相环的基本原理及集成锁相环的组成和工作原理。学习并掌握锁相环构成锁相倍频电路输出频率的设置方法和测试方法。 了解锁相环电路在电子学中的应用。 实验目的实验目的锁相环的基本原理锁相环的基本原理 锁相环是一种以消除频率误差为目的的锁相环是一种以消除频率误差为目的的频率反馈控制电路，它的基本原理是：两个频频率反馈控制电路，它的基本原理是：两个频率不同的信号其相位误差会连续增加（或减率不同的信号其相位误差会连续增加（或减小），采用一种所谓小），采用一种所谓“鉴相器鉴相器”的电路将相位误的电路将相位误差转换为误差电压，用误差电压去

2、控制其中一差转换为误差电压，用误差电压去控制其中一个信号的频率改变使得两个信号的频率趋于一个信号的频率改变使得两个信号的频率趋于一致。所以当电路达到平衡状态之后，虽然有剩致。所以当电路达到平衡状态之后，虽然有剩余相位误差存在，但频率误差可以降低到零，余相位误差存在，但频率误差可以降低到零，从而实现无频差的频率跟踪。从而实现无频差的频率跟踪。 电路结构：电路结构：实验任务实验任务: 锁相环可用来实现输出和输入两个信号之间的相位同步。锁相环可用来实现输出和输入两个信号之间的相位同步。1.当没有基准（参考）输入信号时，低通滤波器的输出为零（或为某一固定值）。当没有基准（参考）输入信号时，低通滤波器的

3、输出为零（或为某一固定值）。这时，压控振荡器按其固有频率这时，压控振荡器按其固有频率fv进行自由振荡。进行自由振荡。2.当有频率为当有频率为fi的参考信号输入时，的参考信号输入时，Ui 和和Uo同时加到鉴相器进行鉴相。如果同时加到鉴相器进行鉴相。如果fi和和fo相差不大，鉴相器对相差不大，鉴相器对Ui 和和Uo进行鉴相的结果，输出一个与进行鉴相的结果，输出一个与Ui 和和Uo的相位差成正的相位差成正比的误差电压比的误差电压Uc。3.经过低通滤波器滤去经过低通滤波器滤去Uc中的高频成分，输出一个控制电压中的高频成分，输出一个控制电压Ud。4.Ud将使压控振荡器的频率将使压控振荡器的频率fo（和相

4、位）发生变化，朝着参考输入信号的频率靠拢，（和相位）发生变化，朝着参考输入信号的频率靠拢，最后使最后使fi= fo，环路锁定。，环路锁定。 环路一旦进入锁定状态后，压控振荡器的输出信号与环路的输入信号（参考环路一旦进入锁定状态后，压控振荡器的输出信号与环路的输入信号（参考信号）之间只有一个固定的稳态相位差，而没有频差存在。这时我们就称环路已信号）之间只有一个固定的稳态相位差，而没有频差存在。这时我们就称环路已被锁定。被锁定。锁相环的工作过程 1）环路的跟踪过程）环路的跟踪过程 在环路锁定之后，若输入信号频率发生变化，产生了瞬在环路锁定之后，若输入信号频率发生变化，产生了瞬时频差，从而使瞬时相位

5、差发生变化，则环路将及时调时频差，从而使瞬时相位差发生变化，则环路将及时调节误差电压去控制节误差电压去控制VCO，使，使VCO输出信号频率随之变化，输出信号频率随之变化，即产生新的控制频差，即产生新的控制频差，VCO输出频率及时跟踪输入信号输出频率及时跟踪输入信号频率，当控制频差等于固有频差时，瞬时频差再次为零，频率，当控制频差等于固有频差时，瞬时频差再次为零，继续维持锁定，这就是跟踪过程，在锁定后能够继续维继续维持锁定，这就是跟踪过程，在锁定后能够继续维持锁定所允许的最大固有角频差持锁定所允许的最大固有角频差w1m的两倍称为跟踪的两倍称为跟踪带或同步带。带或同步带。锁相环的工作过程 2 )

6、环路的捕捉过程环路的捕捉过程 环路由失锁状态进入锁定状态的过程称为捕捉过程。环路由失锁状态进入锁定状态的过程称为捕捉过程。 设设t=0时环路开始闭合，此前输入信号角频率时环路开始闭合，此前输入信号角频率wi不等于不等于VCO输出振荡角频率输出振荡角频率wyo（因控制电压（因控制电压uc0）,环路处环路处于失锁状态。假定于失锁状态。假定wi是一定值，二者有一瞬时角频差是一定值，二者有一瞬时角频差w1wi-wyo，瞬时是相位差，瞬时是相位差w1随时间线性增大，随时间线性增大，因此鉴相器输出误差电压因此鉴相器输出误差电压ue（t）kbsinw1t将是一个将是一个周期为周期为2/w1的正弦函数，称为正

7、弦差拍电压。所谓的正弦函数，称为正弦差拍电压。所谓差拍电压是指其角频率（此处是差拍电压是指其角频率（此处是w1）为两个角频率）为两个角频率（此处是（此处是wi与与wyo）的差值，角频差）的差值，角频差w1的数值大小不的数值大小不同，环路的工作情况也不同同，环路的工作情况也不同。锁相环的工作过程 若若w1较小，处于环路滤波器的通频带内，则差拍误差电压较小，处于环路滤波器的通频带内，则差拍误差电压ue（t）能顺利通过环路滤波器加到）能顺利通过环路滤波器加到VCO上，控制上，控制VCO的振的振荡频率，使其随差拍电压的变化而变化，所以荡频率，使其随差拍电压的变化而变化，所以VCO输出是一输出是一个调频

8、波，即个调频波，即wy（t）将在）将在wyo上下摆动。由于上下摆动。由于w1较小，较小，所以所以wy（t）很容易摆动到）很容易摆动到wi，环路进入锁定状态，鉴相器，环路进入锁定状态，鉴相器将输出一个与稳态相位差对应的直流电压，维持环路动态平将输出一个与稳态相位差对应的直流电压，维持环路动态平衡。衡。 若瞬时角频差若瞬时角频差w1数值较大，则差拍电压数值较大，则差拍电压ue（t）的频率较）的频率较高，它的幅度在经过环路滤波器时可能受到一些衰减，这样高，它的幅度在经过环路滤波器时可能受到一些衰减，这样VCO的输出振荡角频率的输出振荡角频率wy（t）上下摆动的范围也将减小一）上下摆动的范围也将减小一

9、些，故需要多次摆动才能靠近输入角频率些，故需要多次摆动才能靠近输入角频率wi（t）即捕捉过程）即捕捉过程需要许多个差拍周期才能完成，因此捕捉时间较长，若需要许多个差拍周期才能完成，因此捕捉时间较长，若w1太大，将无法捕捉到，环路一直处于失锁状态。能够由失锁太大，将无法捕捉到，环路一直处于失锁状态。能够由失锁进入锁定所允许的最大固有角频差进入锁定所允许的最大固有角频差w1m的两倍称为环路的的两倍称为环路的捕捉带捕捉带集成锁相环4046的介绍及应用CD4046的引脚排列，采用的引脚排列，采用16脚双列直脚双列直插式，各管脚功能：插式，各管脚功能： 1脚脚 相位输出端，环路人锁时为相位输出端，环路人

10、锁时为高电平，环路失锁时为低电平。高电平，环路失锁时为低电平。 2脚脚 相位比较器相位比较器的输出端。的输出端。 3脚脚 比较信号输入端。比较信号输入端。 4脚脚 压控振荡器输出端。压控振荡器输出端。 5脚脚 禁止端，高电平时禁止，低禁止端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作。电平时允许压控振荡器工作。 6、7脚脚 外接振荡电容。外接振荡电容。 8、16 脚脚 电源的负端和正端。电源的负端和正端。 9脚脚 压控振荡器的控制端。压控振荡器的控制端。 10脚脚 解调输出端，用于解调输出端，用于FM解调。解调。 11、12脚脚 外接振荡电阻。外接振荡电阻。 13脚脚 相位比较器相位比较器的输出

11、端。的输出端。 14脚脚 信号输入端。信号输入端。15脚脚 内部独立的齐纳稳压管负极。内部独立的齐纳稳压管负极。 相位比较器（鉴相器）压控振荡器6.2V稳压二极管集成锁相环4046的频率设计方法 不使用R2时，VCO最高自由振荡频率（9端控制电压为VDD时）为 )32(111maxpFCRf使用R2时 )32(112minpFCRf)32(1)32(11112maxpFCRpFCRf其中R1、R2和C1的选择在下述范围内较为合适：10KR11M,1K R21M,50pFC10.01F。锁相环倍频器电路 VCCCLR1CLK2A3B4C5D6ENP7GND8LOAD9ENT10QD11QC12Q

12、B13QA14RCO15VCC16U274LS161CLR1CLK2A3B4C5D6ENP7GND8LOAD9ENT10QD11QC12QB13QA14RCO15VCC16U374LS161123U1A74LS00VCCVCC1122334455667788161615151414131312121111101099K1SW-DIP8112233445566778899RP110K11Y2REF IN(TTL)11Y1VT INVCO IN9COMP IN3SIGN IN14VCO OUT4PC1 OUT2PC2 OUT13ZENER15DEM OUT10C1(1)6C1(2)7INH5PHA

13、SE PULSES1R111R212VDD16VSS8U4CD404612R52K12C2100P12R710K12R4100K12C61n12R82K12C31u12R32K112233J1JUMP212R91K12C41nVCC12R1010K12C547u456U1B74LS008910U1C74LS00+5V1A2KD1LED112233445566S1SW12R147011Y3VCO OUT(TTL)12R1110012R210012R610012C10.111G2AGND11G1AGNDVCC可变分频器128KHz512KHz 32KHz128KHz 环路滤波器 通电后用示波器测量

14、通电后用示波器测量Y3输出端的波形，应为输出端的波形，应为TTL脉冲信号。脉冲信号。将一路稳压电源调整为将一路稳压电源调整为2.5V,加到加到Y1端（端（VCO频率控制频率控制端）。选择跳线端）。选择跳线J1为下方（频段为下方（频段1），用示波器测量），用示波器测量Y3输输出端的出端的TTL波形的频率，频率约为波形的频率，频率约为34KHz。调节稳压电源。调节稳压电源的电压从的电压从1.5V4.5V变化，每隔变化，每隔1V为一个测试点，测量为一个测试点，测量Y3输出端输出端TTL波形的频率。波形的频率。 实验任务实验任务: VCO自由振荡频率测试自由振荡频率测试选择跳线选择跳线J1为上方（频段

15、为上方（频段2），重复上述过程，），重复上述过程，Y3输出输出端端TTL波形的中心频率为波形的中心频率为255KHz，调节稳压电源的电，调节稳压电源的电压从压从1.5V4.5V变化，每隔变化，每隔1V为一个测试点，测量为一个测试点，测量Y3输输出端出端TTL波形的频率。波形的频率。电压（V）1.52.53.54.5频率（KHz）任选一个频段，用示波器的一个通道测量任选一个频段，用示波器的一个通道测量Y3输出端的波形，输出端的波形，用示波器的另一个通道测量用示波器的另一个通道测量74161的的LD端（端（9脚）脚）波形波形,也应为也应为TTL脉冲信号。调整拨码开关脉冲信号。调整拨码开关K1的状态

16、，的状态， 74161的的LD端（端（9脚）脚）波形的频率应有变化，其中波形的频率应有变化，其中K1的高位变化的高位变化的影响犹为明显。两个信号的频率比即为分频比的影响犹为明显。两个信号的频率比即为分频比N。可用示。可用示波器或频率计数器测量频率后经简单计算得出。波器或频率计数器测量频率后经简单计算得出。 实验任务实验任务:可变分频器测试可变分频器测试 注：由于分频器采用了加法计数器，所以分频比注：由于分频器采用了加法计数器，所以分频比N和拨码开关和拨码开关K1的状态为反码的关系，即实际分频比的状态为反码的关系，即实际分频比N=256-B,其中其中B为拨码为拨码开关开关K1的状态。的状态。K1

17、状态（二进制码）状态（二进制码）Y3输出波形频率（输出波形频率（KHz）与非门输出波形频率（与非门输出波形频率（KHz）分频比分频比 实验任务实验任务:锁相环倍频器测试锁相环倍频器测试 去除稳压电源，将去除稳压电源，将DG1022双函数信号发生器的通道双函数信号发生器的通道1设置为方波设置为方波输出，频率输出，频率500Hz，幅度，幅度4V(峰峰值峰峰值)，直流偏移设置为，直流偏移设置为2V,加到加到Y2输入端；选择跳线输入端；选择跳线J1为下方（频段为下方（频段1），参照表），参照表1调整拨码开关调整拨码开关K1的状态，用示波器测量的状态，用示波器测量Y3输出端的输出端的TTL波形并测量其频

18、率，并填波形并测量其频率，并填入表入表1第二栏。第二栏。改变改变DG1022双函数信号发生器的通道双函数信号发生器的通道1的输出频率为的输出频率为2KHz，幅，幅度和直流偏移不变，选择跳线度和直流偏移不变，选择跳线J1为上方（频段为上方（频段2），参照表），参照表1调整调整拨码开关拨码开关K1的状态，用示波器测量的状态，用示波器测量Y3输出端的输出端的TTL波形并测量波形并测量其频率，并填入表其频率，并填入表1第三栏。第三栏。 分频比分频比N 2 5 10 20 50 100 150 200 250 255 输出频率（输出频率（KHz）（频段）（频段1） 输出频率（输出频率（KHz）（频段）（频段2） 实验任务实验任务:锁相环频率稳定度测试锁相环频率稳定度测试 将锁相环设置于任一工作频率，用示波器测量将锁相环设置于任一工