锁相环PLL电子教案(课堂PPT)

《锁相环PLL电子教案(课堂PPT)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《锁相环PLL电子教案(课堂PPT)（63页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 1 锁相环PLL原理与应用 第一部分 锁相环基本原理一 锁相环基本组成二 鉴相器 PD 三 压控振荡器 VCO 四 环路滤波器 LPF 五 固有频率 n和阻尼系数 的物理意义六 同步带和捕捉带 2 第二部分 锁相环实验实验一 PLL参数测试一 压控灵敏度KO的测量二 鉴相灵敏度Kd的测量三 环路开环增益 KH 的测量四 同步带和捕捉带的测量五 n 的测量 3 实验二 PLL应用实验 一 PLL频率合成器实验二 PLL调频 FM 解调三 锁相式双音多频信号 DTMF 解码器四 PLL数字调谐实验五 设计5 6分频器 4 实验目的 通过上述实验 使大家对由模拟电路 数字电路组成的硬件系统的设计

2、电路的搭接 故障的分析判断 故障的排除得到一次锻炼 5 第一部分 锁相环基本原理 P1 一 锁相环基本组成一个典型的锁相环 PLL 系统 是由鉴相器 PD 压控荡器 VCO 和低通滤波器 LPF 三个基本电路组成 Ud Kd i o UF UdF s 6 二 鉴相器 PD Ud Kd Kd为鉴相灵敏度三 压控振荡器 VCO P2 o t om K0UF t K0 VCO控制特性曲线的斜率 常称为VCO的控制灵敏度 或称压控灵敏度 7 四 环路滤波器 这里仅讨论无源比例积分滤波器 其传递函数为 式中 1 R1C 2 R2C 8 当锁相环处于锁定状态时 鉴相器 PD 的两输入端一定是两个频率完全一

3、样但有一定相位差的信号 如果它们的频率不同 则在压控振荡器 VCO 的输入端一定会产生一个控制信号使压控振荡器的振荡频率发生变化 最终使鉴相器 PD 的两输入信号 一个是锁相环的输入信号Vi 一个是压控振荡器的输出信号Vo 的频率完全一样 则环路系统处于稳定状态 9 五 系统的固有频率 n和阻尼系数 的物理意义 P3 一个 串联电路 当输入端加一个阶跃电压时 输出端电压变化有三种可能 10 当锁相环的输入信号的相位有一个阶跃跳变时 输出信号相位的变化也有三种情况 11 n 就是指欠阻尼振荡时的振荡频率和和阻尼系数 12 六 锁相环的同步和捕捉 同步状态 锁相环的输出频率 或VCO的频率 o能跟

4、踪输入频率 i的工作状态 称为同步状态 或锁定状态 在同步状态下 始终有 o i 这时如果用示波器观察Vi与Vo 即使单路触发 两个波形都是清晰稳定的 13 同步带 在锁相环保持同步的条件下 输入频率 i的最大变化范围 称为同步带宽 用 H表示 超出此范围 环路则失锁 14 捕捉带 失锁时 o i 如果从两个方向设法改变 i 使 i向 o靠拢 进而使 o i o 当 o小到某一数值时 环路则从失锁进入锁定状态 这个使PLL经过频率牵引最终导致入锁的频率范围称为捕捉带 p 15 同步带 H 捕捉带 p和VCO中心频率 o的关系 16 实验原理及步骤P 4 CD4046原理图 17 实验一 PLL

5、参数测试 P5 一 压控灵敏度KO的测量 18 二 鉴相灵敏度Kd的测量 19 三 环路开环增益 KH 的测量 当鉴相器比较两同相信号时 UF 0 VC0振荡于fmin 当鉴相器比较两反相信号时 UF VDD VCO振荡于fmax在理想情况下KH 2 fmax fmin 20 同步带的测量 调信号源 图11 频率约为 的中心频率 示波器分别测Ui和Uo 并以Ui作为示波器的触发同步信号 频率计测Ui 这时示波器可显示两个稳定的波形 即Ui和Uo是锁定的 在一定范围内缓慢改变信号源频率 可看到两个波形的频率同时变化 且都保持稳定清晰 这就是跟踪 21 但当信号源频率远大于 高端 或远小于 低端

6、的中心频率时 Ui波形还保持稳定清晰 但Uo不能保持稳定清晰 这就是失锁 记下刚出现失锁时的Ui频率即高端频率fHH和低端频率fHL 则同步带 fH fHH fHL 由于我们用的是PD1 是异或门相鉴器 当Ui和Uo为分数倍数关系时 也可能出现两个稳定的波形 这种情况应认为是 失锁 只有出现两个同频的稳定波形时才认为是 锁定 22 捕捉带的测量 环路失锁后 缓慢改变信号源频率 从高端或低端向 的中心频率靠近 当信号源频率分别为f H和f L时 环路又锁定 则环路捕捉带 fP fPH fPL 23 n 的测量P 8 当信号源的频率突然改变时 即对应Uj方波的前后沿 UF都产生一次阻尼振荡 从阻尼

7、振荡波形可测出A1 A2 T 并由A1 A2 T求出PLL的 n和 24 n 的实际测量波形 25 实验二 PLL应用实验P 9 当PLL处于锁定状态时 PD两个输入信号的频率一定精确相等 所以可得 f0 N fifi为晶振标准信号 通过改变分频比N 便可获得同样精度的不同频率信号输出 一 PLL频率合成器实验 26 1 1KHZ标准信号源 用CMOS与非门和4M晶体组成4MHz振荡器 图中Rf使F1工作于线性放大区 晶体的等效电感 C1 C2构成谐振回路 C1 C2可利用器件的分布电容不另接 F1 F2 F3使用CD4069 27 测量CD4518时序图 根据讲义后面的CD4518管脚图 测

8、量并画出Q1 Q2 Q3 Q4及CP之间的相位关系图 时序图 BCD码计数器 28 4000分频器制作 根据上面测出的4518的波形图 用二片CD4518 共4个计数器 组成一个4000分频器 也就是一个四分频器 三个十分频器 29 2 用一片CD4017作分频器组成2 9KHZ频率合成器 P10 4017 十进制计数分配器 功能测试 30 2 9KHZ频率合成器 31 3 拨盘开关式1 999KHZ频率合成器 P10 单片4522分频器 32 用三片4522组成1 999HHZ频率合成器 P11 33 4 健盘置数式1 999KHZ频率合成器 P12 就是用数字健盘以及一些数字IC替代拨盘开

9、关组成1 999KHZ频率合成器 最终应做到 当顺序按键盘的任意三个健 如5 9 2 时 则输出信号的频率就为592KHz 置数部分的框图如图 34 号码脉冲发生器 根据HM9102D资料 请用HM9102D自己设计一个号码脉冲发生器 要求 1 VDD 5V 2 断续比为1 5 13 号码脉冲输出幅度为0到9V 注意 DP输出端是OC电路 上拉电阻取100K 另外 为安全起见 输出和负载之间应串一个10K电阻 35 开门脉冲和记数脉冲发生器 为了使后面的控制引导电路能正常工作 还需一种开门脉冲 也就是每按一次键 即每输出一列脉冲 不管这一列含有几个号码脉冲 就要产生一个开门脉冲 同时为了使后面

10、的记数电路能正确记数 还应保证 先开门后送计数脉冲 也就是要求开门脉冲要比送到计数器的号码脉冲超前一点 所以开门脉冲和号码脉冲的时间关系应如图 36 开门脉冲和号码脉冲 HM9102D输出 作单稳的CP 单稳2输出 开门脉冲 单稳1输出 号码脉冲 37 控制引导电路及计数 置数电路 38 PLL调频 FM 解调 P15 39 锁相式双音多频信号 DTMF 解码器 双音多频信号 DTMF P 16 每个按纽各由H和L中的一个频率组成 40 锁相式双音多频信号 DTMF 解码器 用5087构成双音多频信号 DTMF 发生器 P17 41 用LM567进行单一频率检测电路 P18 如567的中心频率

11、 由5 6脚外围的R C决定 为fo 当Vin中包含有fo成分时 则8脚输出低电平 否则高电平 42 1组DTMF信号解码器 P18 当输入信号同时包含两个频率 697 1209 时 可输出或逻辑 0 43 6组DTMF信号解码器 P19 如用7个LM567和12个或非门则可解调12组DTMF信号 44 PLL数字调谐实验 P20 现代的接收机 如电视机 收音机 大多采用超外差接收方式 如要接收的信号的载波频率为fC 则接收机要产生一个本振信号 其频率fL fC fI 其中fI为中频 45 在模拟调谐方式中 本振信号一般是由LC振荡回路产生的 调谐 调台 时 一般是用改变LC振荡回路中电容的容

12、量 如改变变容二极管的反向偏压 来改变本振信号的频率 从而达到选台的目的 46 在数字调谐 频率合成 方式中 本振信号则是用锁相环的方法来产生 即由晶振电路产生频率高稳定的标准信号 再用锁相环倍频的方法产生本振信号 通过改变锁相环反馈回路分频比的方法来改变本振信号频率 47 就象前面实验中用一片4046和三片4522以及1KHz标准信号就可获得1 999KHz信号一样 要获得某一准确的本振频率 只要在4522的置数端置入相应的数值 BCD码 即可 48 所以数字调谐的关键就是解决如何置数的问题 在这个实验中我们是用键盘通过DTMF编解码的方法来置数 最终应做到 如要接收某一载波信号 如fC 3

13、45KHz 则只要在键盘上按该载波的数值 即3 4 5三个键 就可得到fL fC fI 345 455 800KHz的本振信号 这里中频fI为455KHz 49 最后信号发生器输出的载波信号 345KHz正弦波 和本振信号 4046的4脚输出的800KHz方波 经混频滤波后应得到455KHz的中频信号 用示波器观察 50 置数电路方框图 51 键盘和5087 或HM9102D 组成DTMF编码电路 MT8870是DTMF解码电路 当输入某个DTMF编码信号 即按键盘的某个键 时 8870的数据输出端D01 D04就输出相应的二进码 同时其15脚 CID 输出高电平 即每按一次键 CID就输出一

14、个正脉冲可作为百 十 个位选择电路的CP信号 52 4017为百 十 个位选择电路 作用是按第一次键时 8870的D01 D04输出的BCD码应锁存到 百 位的锁存器 二 三次则分别为 十 个 位 53 三片74LS175 或CD40175 分别为 百 十 个 位锁存器 每片74LS175含有4个D触发器 D1 D4 分别对应BCD码的1 2 4 8位 三片的D1端应都接到MT8870的D01输出端 D2 D3 D4也类似 4017的 1 2 3 输出端 即2 4 7脚 的输出信号分别作为三片74LS175的CP信号 这样 当对4017清零后 8870再顺序输出三个数字 如 3 4 5 则相应

15、的二进码 0011 0100 0101 就锁存在三片74LS175的输出端 54 三片74LS175的输出信号 如 3 4 5 输入到加法器 三片4560 A输入端 和固定中频数值455 由B输入端输入 相加后的和的数值 如 8 0 0 就作为4522的置数信号 即这时锁相环输出的是800KHz的方波 作为本振信号 55 根据上述工作原理 方框图以及附录1 自己设计 搭接具体电路 要求当信号发生器输出123KHz的正弦波 即Us 时 如顺序按 1 2 3 三键 则用示波器可看到455KHz的中频信号UI 而且要求 上电清零 56 混频电路 MC1496 P21 输入信号Us的幅度为15mV 本

16、振信号UL为TTL电平 57 混频电路 MC1496 调试步骤 1 455KHz谐振回路调整Us开路 电位器W旋到任一极端位置 示波器探头 X10档 测1496 12 脚 UL为200mVp p的455KHz附近的正弦信号 微调UL的频率 观察LC回路的选频作用 其中心频率应为455KHz 如不是455KHz 则固定UL的频率为455KHz 调线圈的磁芯 使 12 脚输出信号的幅度最大 即可 58 混频电路 MC1496 调试步骤 2 平衡电位器的调整在步骤 1 的基础上 调电位器W 使 12 脚输出信号的幅度为零 即可 59 讲义订正 P5 图10RW10KP6 第3行 接实验图 4046A的6 7 11 12脚外围元件应留着 9脚外的电位器应去掉 P6 第4行 工作电压为12VP6 第14行 5 Uj UiP7 第1行 KH KdKoKF 0 P7 第8行 KH 2 f 2 fmax fmin 2 fmax fmin P9 第13行 等数 等效P9 倒第5行 记数器 计数器 60 P10 图18 4 8 10脚应接地P12 第4行 如图34 如图20 去452 去4522P14 第