锁相环调频

实验十锁相环调频一.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，产生相位误差电压来调整输出信号的相位，以达到与参考信号同频的目的。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，直至两者的频率相工作原理1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，其调频范围又太窄。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晶振频率上，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，本实验中使用的锁相环是NE564。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：()()()()()VisKFsHsssKFs锁相环传递函数2()()()()VeessHsssKFs四、仿真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。锁相环误差传递函数锁相环调频实验3五、实验内容：锁相环调频实验原理图电路原理图电路原理：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，决定了载波中心频率的范围。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FMOUT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4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。Step1.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。接通实验箱上电源开关，电源指标灯点亮。（2）把跳线S1，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：①将双排开关S8的5端合上，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2W1减小上图显示的是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，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50.735~50.909kHz5②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。③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。W1减小当合上S8的6端时，此时振荡器输出频率f=342.91kHz的方波，其波形如下图图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的电容，所以接6端时振荡频率要普遍比它大。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487.281~505.7601kHz图3图46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—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线性的变化（实际上，只是在一定范围内线性变化），即，定义，在稍大于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：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）。W1减小上面两图显示的是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2.67~3.6MHz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。图5图67④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。Step2.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。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。图7图8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5.22~9.54MHz所以我们的输出波形才会出项前面的不对称波形8（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（作为参考值），用高频信号源产生频率为3.8MHz，Vpp=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，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，用双踪示波器仔细观察TP1和TP2处两信号之间(即和）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，此时压控振荡器频率将随而变。但当增加到时，不再随而变，记下此时的，即为环路同步带的上限频率，然后再逐步降低。当降低到时，两信号又开始同步，此频率即捕捉带的上限频率。然后不断降低，两信号开始是一直同步的，直到输入信号频率降低到时，两信号不再同步，此频率即同步带的下限频率。捕捉带同步带记录测量的同步带和捕捉带范围。根据如上的测量顺序，我所得到的测量数据为：（3）观察锁定后的典型波形实验中，观察TP1、TP2、芯片4，5脚处的典型波形。若没有失锁，可降低输入频率fi捕捉带下限频率f1同步带下限频率F2捕捉带上限频率f2捕捉带下限频率F13.933MHz5.573MHz4.485MHz2.113MHz捕捉带：同步带：9Step3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1KHz，幅度为500mV的调制信号从TP1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。逐步增加调制信号的幅度，用示波器和频谱分析仪观察频偏的变化情况。逐渐增加调制信号的频率，其频谱图变化规律如下：输出调频波输出调频波的频谱调制信号幅度逐渐增加我们可以看到，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，调制指数越大，从而使的调频波的频偏越大，在频谱图上就表现为频率峰点之间的距离越大。频率逐渐增大10六、结束语本实验以及下面的实验十一是基于单片集成锁相环NE564的调频与鉴频系统。此系统具有调制性能好，载频稳定度高的优点。并且该调频系统不需要更改电路结构就可以实现自由振荡、压控振荡、直接调频和锁相调频和调相的功能，实现方法简单。其内部结构：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跟踪。并且锁相环中比较相位的部件都是数字电路，本身对元件误差不敏感。即使振