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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
2、）和压控振荡器（VCO）组成。图11-1 锁相环的基本组成 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是一个相位比较器，用来检测输出信号V (t)与输入信号V (t)之间的相位 差0 (t),并把0 (t)转化为电压V (t)输出，V (t)称为误差电压，逋常V (t)作为一直 流分量或一低频交流量。ddd 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V (t)中产生的无用组 合频率分量及干扰，产生一个只反映0 (t)大小的控制信号
3、V (t) o4046 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V (t)与V (t)的相位差0 (t)发生变化，该相位差 经过PD转换成误差电压V (t)。此误差0电压经过LF滤波后得到V (t)，由V (t)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，
4、即V (t)正比于0 (t),因 此在锁定状态，0 (t)不可能为零，换言之，在锁定状态Vd (t)与V (t)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F与外加基准频率(输入信号频率)F相等，即压控振荡器的频率被锁 定在外来参考频率上。i(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 f (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 f ，即处于失锁状态，当从高端 慢慢减小外加输入信号频率f (初始频率设置较高)，直到环路锁定，此时外
5、加输入 信号频率f 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max，直到环路锁定，此时外加输入信号频率f 就是捕捉带的最低频率。 捕捉带为 f - f oimini max i min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。锁相环（4046）的结
6、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）锁相环调频原理调频波输出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
7、 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f、同步带与捕捉带的测量方法。（1）自振频率f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（脚（SIGNin）输入方波信号，用示波器观察脚（PClout）的波形，如锁 定，可得到一个稳定的矩形脉冲；若（脚输入信号频率与压控振荡器的
8、振荡频率 相等，则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（脚输入一个方波信号（最好用频率计检测），其频率与f （VCO自振频率）相同。0改变（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丄。改变（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改变（脚输入信号频率，由丄开始频率逐渐增加，直至脚输出方波刚好2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,冋步带.” 捕捉带-h由以上可计算出：
9、同步带宽为：f-f41捕捉带宽为：f-f323F3F4f23.实验电路说明4改变（脚输入信号频率，由丄开始频率逐渐降低，直至脚输出方波刚好4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“丄”。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V0的自振频率。当改变C3、C4、Rll、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）
10、锁相环自振频率f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 压（近似电源电压的1/2），用示波器观察锁相环输出OUT 1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（V ）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（忖相差（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
11、分波形波形特性频率（KHz）幅度（叮相差（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，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OUT 1端和A端的波形（即锁相环的脚和 （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OUT 1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OUT 1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 （VCOout端）波形抖动（即
12、：失锁），记录此时的载波输入信号频率f （下 限失锁频点）。1调节载波信号频率，由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f （下限锁定频点）。调节载波信号频率，由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）。4同步带宽（锁定范围）=f -f41调节载波信号频率，由f开始逐渐缓慢降低，直至（VCOout端）波形不抖动4（即：锁定），记录此时的载波输入信号频率f （上限锁定频点）。3捕捉带宽（捕捉范围）=f -f322. 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
13、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（V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（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f）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
14、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f （下限失 锁频点）。调节载波信号频率，由f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f （下限锁定频点）。调节载波信号频率，由f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f（上限失锁频点）。同步带宽（锁定范围）=f -f41调节载波信号频率，由f开始逐渐缓慢降低，直至（E端）波形不抖动4（即：锁定），记录此时的载波输入信号频率f （上限锁定频点）。3捕捉带宽（捕捉范围）=f -f323. 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1 KHz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
