实验七八锁相环调频和解调实验,频率合成器实验

7实验11锁相调频与鉴频实验一、实验目的1.掌握锁相环的基本概念。2.了解集成电路CD4046的内部结构和工作原理。3.掌握由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.复习反馈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5.实验板GPMK8四、锁相环的构成和基本原理（1）锁相环的基本组成图11-1是锁相环的基本组成方框图，它主要由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）组成。鉴相器PD环路滤波器LF压控振荡器VCOVi(t)VD(t)Vc(t)Vo(t)图11-1锁相环的基本组成①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。②鉴相器（PD）PD是一个相位比较器，用来检测输出信号0V（t）与输入信号iV（t）之间的相位差(t)，并把(t)转化为电压)(tVd输出，)(tVd称为误差电压，通常)(tVd作为一直流分量或一低频交流量。③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)(tVd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)(tVC。4046锁相环芯片包含鉴相器（相位比较器）和压控振荡器两部分，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目的反馈控制电路，它的基本原理是利用相位误差电压去消除频率误差。按照反馈控制原理，如果由于某种原因使VCO的频率发生变化使得与输入频率不相等，这必将使)(tVO与)(tVi的相位差(t)发生变化，该相位差经过PD转换成误差电压)(tVd。此误差电压经过LF滤波后得到)(tVc，由)(tVc去改变VCO的振荡频率，使其趋近于输入信号的频率，最后达到相等。环路达到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)(tVd正比于（t），因此在锁定状态，（t）不可能为零，换言之，在锁定状态)(tVO与)(tVi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，压控振荡器输出频率OF与外加基准频率（输入信号频率）iF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if（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由振荡频率Vf，即处于失锁状态，当从高端慢慢减小外加输入信号频率if（初始频率设置较高），直到环路锁定，此时外加输入信号频率maxif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minif就是捕捉带的最低频率。捕捉带为maxif-minif。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（4046）的结构框图及引出端功能图如下图所示。IIVCO跟随器12345678910111213141516VDD信号输入比较器I输出比较器II输出相位脉冲输出VCO输入解调输出禁止相位比较器输入VCO输出C1R1R2NR3R4C2CD404612345678910111213141516PCPoutPC1outCOMPinVCOoutINHC1AC1BVssVCOinSFoutR1R2PC2outSINGinZENERVDD锁相环（4046）的结构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）．锁相环调频原理鉴相器PID压控振荡器VCO高频信号放大器LM318低通滤波器R5C2加法器uA741载波调制信号调频波输出CD4046(3)(4)(14)(2)(9)锁相环调频电路原理框图注：由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高频（只是相对而言），而调制信号频率则相对应的称为低频。将调制信号加到压控振荡器（VCO）的控制端，使压控振荡器的输出频率（在自振频率（中心频率）f0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）．锁相环解调原理鉴相器PID压控振荡器VCO低通滤波器R15C6FM波解调输出CD4046(3)(4)(14)(2)(9)锁相环解调电路原理框图跟随器f0f1234fff同步带捕捉带调频波（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f0、同步带与捕捉带的测量方法。（1）．自振频率f0的测量用示波器观测⑷脚的输出波形（方波），用频率计测量自振频率f0。（2）．锁定的判断⒁脚（SIGNin）输入方波信号，用示波器观察⑵脚（PC1out）的波形，如锁定，可得到一个稳定的矩形脉冲；若⒁脚输入信号频率与压控振荡器的振荡频率相等，则⑵脚输出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⒁脚输入一个方波信号（最好用频率计检测），其频率与f0（VCO自振频率）相同。改变⒁脚输入信号频率，使频率逐渐降低，直至⑷脚（或⑵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“f1”。改变⒁脚输入信号频率，由f1开始频率逐渐增加，直至⑷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“f2”。改变⒁脚输入信号频率，由f2开始频率逐渐增加，直至⑷脚输出方波刚好再次不稳定时，环路进入失锁状态，该点频率定义为同步带的上限频率“f4”。改变⒁脚输入信号频率，由f4开始频率逐渐降低，直至⑷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“f3”。由以上可计算出：同步带宽为：f4-f1捕捉带宽为：f3-f23.实验电路说明相关概念前面已分析清楚。这里需要说明的是当要测量压控振荡器的自振频率时，必须先将IN1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。由于电路是环路锁相，改变滤波器参数既可改变VCO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、R11、R12、R13、R14也可在较大范围内改变VCO的输出频率。六、实验内容与步骤1.调频锁相环部分的测试（1）．锁相环自振频率f0的测量将IN1、IN2分别对地短路，调节电位器RP1至适中位置，测量D端直流电压（近似电源电压的1/2），用示波器观察锁相环输出OUT1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）观察相位比较器（鉴相器）B端的波形，将测量结果填入下表。B端相位比较器的输出波形波形特性频率（KHz）幅度（VP-P）相差（不做要求）观察鉴相器输出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（VP-P）相差（不做要求）观察压控振荡器输入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（KHz）幅度（VP-P）相差（不做要求）（2）．锁定的判断将信号发生器输出的方波信号（幅度3.5VP-P，频率为自振频率f0）加到载波输入IN1端，用双踪示波器同时观测锁相环OUT1端和A端的波形（即锁相环的⑷脚和⒁脚）。如波形稳定表示频率被锁定。改变信号发生器的输出信号频率，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OUT1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IN1），由自振频率f0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f1（下限失锁频点）。调节载波信号频率，由f1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f2（下限锁定频点）。调节载波信号频率，由f2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f4（上限失锁频点）。同步带宽（锁定范围）=f4-f1调节载波信号频率，由f4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f3（上限锁定频点）。捕捉带宽（捕捉范围）=f3-f22.解调部分的测试（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。E端锁相环自振波形波形特性频率（KHz）幅度（VP-P）观察相位比较器（鉴相器）F端的波形，将测量结果填入下表。F端相位比较器的输出波形波形特性频率（KHz）幅度（VP-P）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（VP-P）（2）．锁定的判断将信号发生器输出的方波信号（幅度3.5VP-P，频率为自振频率f0）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出信号频率，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f0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f1（下限失锁频点）。调节载波信号频率，由f1开始逐渐缓慢增加，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f2（下限锁定频点）。调节载波信号频率，由f2开始逐渐缓慢增加，直至（E端）波形抖动（即：失锁），记录此时的载波输入信号频率f4（上限失锁频点）。同步带宽（锁定范围）=f4-f1调节载波信号频率，由f4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f3（上限锁定频点）。捕捉带宽（捕捉范围）=f3-f23.观测系统的调频情况IN1端输入幅值为3.5VP-P，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0.4VP-P，频率1KHz的正弦波信号（定义为调制波）。用双踪示波器仔细观测OUT1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OUT1端与IN3端（即将调频波接入解调电路），用示波器观测IN2和OUT2，可清楚地观察到频率为1KHz的正弦波（即解调出的波形），可同时与IN2的调制信号进行比较，其相位和频率相同。七、实验注意事项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，这样更容易观测到波形。八、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，哪个频率稳定度要求较高？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？