集成锁相环应用实验

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1、实验六.集成锁相环应用实验集成锁相环应用实验 锁相环是一个相位误差控制系统，它比较输入信锁相环是一个相位误差控制系统，它比较输入信号和压控振荡器输出的信号之间的相位差，从而号和压控振荡器输出的信号之间的相位差，从而产生误差控制电压来调整压控振荡器的频率，以产生误差控制电压来调整压控振荡器的频率，以达到与输入信号同频，而保持一个稳定相位差。达到与输入信号同频，而保持一个稳定相位差。PLLPLL具有以下特点：具有以下特点：n n锁定时无剩余频差。锁定时无剩余频差。n n良好的窄带滤波特性。良好的窄带滤波特性。n n良好的跟踪特性。良好的跟踪特性。n n易于集成化。易于集成化。锁相环使用时可根据不同

2、用途，设计其工作锁定锁相环使用时可根据不同用途，设计其工作锁定状态或跟踪状态。状态或跟踪状态。1 1试验任务与要求n n实验目的n n了了解解锁锁相相环环路路的的工工作作原原理理，电电路路组组成成及及性性能能特特点；点；n n掌握掌握锁锁相相环环路及其部件性能指路及其部件性能指标标的的测试测试方法；方法； n n掌握集成锁相环的基本应用。掌握集成锁相环的基本应用。 2 2实验仪器n n高频信号发生器高频信号发生器 QF1055A QF1055A 一台一台; ;n n超高频毫伏表超高频毫伏表 DA22A DA22A 一台一台; ;n n频率特性测试仪频率特性测试仪 BT BT3C 3C 一台一台

3、; ;n n直流稳压电源直流稳压电源 HY1711 HY17112 2 一台一台; ;n n数字示波器数字示波器 TDS210 TDS210 一台一台. .3 3实验任务与要求1.1.实验电路介绍实验电路介绍 用用 CD4046CD4046构构 成成 的的 1010倍倍 频频 电电 路路 ， 见见 图图 1 1。CD4046CD4046为为锁锁相相环环，74LS9074LS90及及外外围围电电路路组组成成十十分分频频电电路路。来来自自CD4046CD4046的的4 4脚脚压压控控振振荡荡器器输输出出信信号号经经T210T210十十分分频频从从1111脚脚反反馈馈至至鉴鉴相相器器的的引引出出端端

4、3 3脚脚，反反馈馈信信号号与与鉴鉴相相器器的的1414脚脚输输入入信信号号( (标标准准参参考考信信号号) )作作比比较较，在在环环路路的的同同步步范范围围内内( (锁锁定定状状态态) )，实实现现倍倍频频作作用用，即即4 4脚脚频频率率是是1414脚频率的脚频率的1010倍倍(3(3脚频率与脚频率与1414脚频率相等脚频率相等) )。4 4实验说明及思路提示n n锁相环的组成原理锁相环的组成原理锁相环的组成原理锁相环的组成原理 锁相环（锁相环（PLLPLL）基本组成框图如图）基本组成框图如图6 6所示。所示。AGC自动增益控制AFC自动频率控制APC自动相位控制锁定时无剩余频差锁定时无剩余

5、频差良好的窄带滤波特性良好的窄带滤波特性5 5图16.频率合成原理图如下：6 6图7. CD4046原理图如下：7 7图1.用CD4046构成的十分频电路 8 82.基本命题基本命题VCOVCO特性的测量特性的测量 测测试试电电路路见见图图2 2，测测VCOVCO的的f fo oU Uc c关关系系，U UC C从从0V0V5V5V变变化化，间间隔隔1V1V，对对应应测测量量VCOVCO的的输输出出频频率率，列表记录并绘成曲线。列表记录并绘成曲线。a a：R R2 210K10K的情况。的情况。 电电源源电电压压为为5V5V，控控制制电电压压用用另另外外一一路路电电源源产产生生，用频率计测出相

6、应的频率即可。用频率计测出相应的频率即可。b b：若若此此时时给给控控制制端端输输入入50KHz50KHz的的方方波波，观观测测输输出出波形。波形。9 9图2. foVC测试线路图如下： 1010测量测量CD4046CD4046锁相环的同步带锁相环的同步带 测量电路如图测量电路如图1 1，去掉分频电路，去掉分频电路，CD4046CD4046的的3.43.4脚短接。脚短接。VCO的上、下限频率测量。a.把9脚接地，用示波器观察4脚波形，并用频率计测出VCO下限频率。b.把9脚接+5V电源，用示波器观察波形，并测出VCO上限频率。Ui输入正弦信号，其频率fi=100KHz，Vip.p3p-p，用示

7、波器观察4脚波形，并记录其频率。测量环路的同步带1111用频率计观察VCO的输出频率f0，调节输入信号频率fi，当f0跟着增加，直至增加到f0不变，测出刚好f0不变时的fi1。然后fi减小，使环路锁定。在继续减小fi，则f0也跟着减小，直至f0不跟随fi变化测出刚好失锁时的fi2，则环路的同步带fH为： fH=(fi2-fi1)/21212用CD4046锁相环构成10倍频电路 测量电路见图测量电路见图1 1，加上分频器（，加上分频器（1010分频）。分频）。u调整参考信号频率，使其环路处于锁定状态调整参考信号频率，使其环路处于锁定状态 测测量量参参考考信信号号频频率率f fA A、VCOVCO

8、的的振振荡荡频频率率fcfc，分频器输出分频器输出f fB B，观察三点的波形并记录。，观察三点的波形并记录。u测量测量1010倍频时的同步带，与锁相环路的同步倍频时的同步带，与锁相环路的同步 带作比较。带作比较。u测出5分钟内，环路锁定时的VCO频率稳定度，并与参考信号作比较。 1313图3.CD4046鉴频电路图如下：14143.3.扩展命题扩展命题n n若若选选用用NE562NE562（国国产产型型号号L562L562）器器件件作作实实验验，可可作以下实验内容（实验电路如图作以下实验内容（实验电路如图4 4）。）。 该该电电路路利利用用L562L562完完成成鉴鉴频频，环环路路设设计计时

9、时，使使环环路路处处于于调调制制跟跟踪踪状状态态，压压控控振振荡荡器器的的振振荡荡频频率率跟跟踪踪输输入入信信号号频频率率而而变变化化，由由环环路路滤滤波波器器输输出出端端取取出出调调制制信信号号。由由于于要要求求环环路路工工作作在在调调制制跟跟踪踪状状态态，因因此此必必须须设设计计环环路路滤滤波波器器的的带带宽宽，以以保保证证调调制制信信号号成成分分通通过过。此此实实验验电电路路在在9 9端端经经15K15K电电阻阻接接地地后取出调制信号，技术指标是：后取出调制信号，技术指标是： 调频信号中心频率调频信号中心频率 f fo o10MHz10MHz 调制频率调制频率 F F3003004000

10、Hz4000Hz 峰值调制指数峰值调制指数 m mf f4 41515 输入的单边相加噪声谱密度：输入的单边相加噪声谱密度：WiWi4nW/Hz4nW/Hz提示：在解调电路中，根据调频信号的中心频提示：在解调电路中，根据调频信号的中心频率率f fo o计算定时电容计算定时电容C CT T，根据调频信号的最大频，根据调频信号的最大频偏计算环路参数。偏计算环路参数。 调整调整VCOVCO的振荡频率的振荡频率f f0 0=10MHz=10MHz。 观察锁相环路的工作过程，将输入信号观察锁相环路的工作过程，将输入信号f fi i调在调在5MHz5MHz左右，使锁相环处于锁定和失锁状态，用示波器左右，使

11、锁相环处于锁定和失锁状态，用示波器9 9端观察波形的变化。端观察波形的变化。 测测量量锁锁相相环环路的同步路的同步带带ffH H。 测测量量锁锁相相环环路的扑捉路的扑捉带带ffP P。 输输入入调频调频波，用示波器波，用示波器观观察解察解调输调输出。出。 1616图4.调频信号解调电路图如下：1717n n用用L562L562锁相环构成十倍频电路锁相环构成十倍频电路 实验电实验电路如路如图图5 5，实验实验内容参考基本命内容参考基本命题题所述。所述。n n如何判断环路处于锁定状态？你能想出一个简如何判断环路处于锁定状态？你能想出一个简便的指示锁定的方法吗？便的指示锁定的方法吗？n n自行设计一

12、个频率合成器自行设计一个频率合成器 技技术术指指标标要求：要求： 频率范围：频率范围： 10KHz 10KHz99KHz99KHz 频率稳定度：频率稳定度：f/ff/f0 0 1010.5.5 输出幅度：输出幅度： V Vp.pp.p3V3V器材清器材清单单：CD4046CD4046、74LS0074LS00、74LS9074LS90、74LS16174LS161、晶体晶体1MHz1MHz。 1818图5.锁相倍频电路如下图：1919实验报告要求n n整理实验数据，做出必要的曲线。 n n对实验结果进行讨论。2020 鉴相器：是相位比较器。它把输入信号鉴相器：是相位比较器。它把输入信号U Ui

13、 i(t)(t)和压控和压控振荡器的输出信号振荡器的输出信号U Uo o(t)(t)进行比较，产生误差电压进行比较，产生误差电压Ud(t)Ud(t)。鉴相器完成相位差。鉴相器完成相位差. .电压变换的作用，其输电压变换的作用，其输出误差电压是瞬时相位差的函数出误差电压是瞬时相位差的函数. . 环路滤波器：环路滤波器的作用是滤除误差电压环路滤波器：环路滤波器的作用是滤除误差电压U Ud d(t)(t)中的高频成分和噪声，以保证所要求的性能、中的高频成分和噪声，以保证所要求的性能、增加系统的稳定性。环路滤波器的特性为：增加系统的稳定性。环路滤波器的特性为： 压控振荡器：压控振荡器受控制电压压控振荡

14、器：压控振荡器受控制电压U Uc c(t)(t)的控制，的控制，使压控振荡器的频率向输入信号的频率靠拢，也就使压控振荡器的频率向输入信号的频率靠拢，也就是使差拍频率越来越小，直至清除频差而锁定。压是使差拍频率越来越小，直至清除频差而锁定。压控振荡器的特性为：控振荡器的特性为： 或或2121 根根据据环环路路的的三三个个基基本本部部件件的的特特性性可可得得到到环环路路的的 基本方程为：基本方程为：n n常用单片集成锁相环介绍常用单片集成锁相环介绍1.COMS1.COMS低频数字锁相环的介绍低频数字锁相环的介绍 COMS COMS、CD4046CD4046锁相环是低频通用单片数字锁相锁相环是低频通

15、用单片数字锁相 环环，最最高高工工作作频频率率为为1MHz1MHz左左右右，电电源源电电压压为为5 5 15MHz 15MHz。当。当f f10KHz10KHz时，功耗约时，功耗约0.150.159mW9mW。 CD4046 CD4046电路在电路在FMFM调制解调、频率合成、数据同调制解调、频率合成、数据同 步、步、FSKFSK调制及电机速度控制方面获得了广泛调制及电机速度控制方面获得了广泛 的应用。的应用。2222 CD4046CD4046的工作原理及组成的工作原理及组成图图7 7是是CD4046CD4046的原理图。集成单片由两个鉴的原理图。集成单片由两个鉴相器相器(PDI(PDI和和P

16、DIIPDII）、压控振荡器、源极跟随器）、压控振荡器、源极跟随器和一个和一个5V5V左右的齐纳二极管等几部分组成。左右的齐纳二极管等几部分组成。PDIPDI为异或门鉴相器，为异或门鉴相器，PDIIPDII为数字鉴频鉴相器，为数字鉴频鉴相器，它们有公共的信号输入端它们有公共的信号输入端1414端和反馈输入端端和反馈输入端3 3端。环路滤波器接在端。环路滤波器接在2 2端或端或1313端，端，9 9端是端是VCOVCO的控制端，定时电容的控制端，定时电容C CT T接在接在6 6、7 7端。接在端。接在1111、1212端的电阻端的电阻R R1 1、R R2 2同样可以起到改变振荡频率同样可以起

17、到改变振荡频率的作用。的作用。1212脚外接电阻脚外接电阻R R2 2，它用作确定控制，它用作确定控制电压为电压为0 0时的最低振荡频率时的最低振荡频率f f0max0max；5 5脚为脚为VCOVCO的的2323禁止端禁止端1NH1NH，当，当1NH1NH“ “1 1” ”时，时，VCOVCO停止振荡，停止振荡，当当1NH1NH“ “0 0” ”时，时，VCOVCO振荡；振荡；4 4脚为脚为VCOVCO的输出，的输出，1515脚内接齐纳二极管可提供与脚内接齐纳二极管可提供与TTLTTL兼容的电源。兼容的电源。 锁相环锁相环40464046外部元件的选择外部元件的选择由原理图可知，由原理图可知

18、，VCOVCO的特性由外接元件的特性由外接元件R R1 1、R R和和C C确定。两个比较器可接不同的输入状态选确定。两个比较器可接不同的输入状态选择使用。图择使用。图8(a).(b).(c)8(a).(b).(c)为为CD4046CD4046中中 VCOVCO在不同在不同外部外部 参数下的特性曲线，这些曲线可与图参数下的特性曲线，这些曲线可与图9 9的的表配合使用，可用作应用时的设计依据。表配合使用，可用作应用时的设计依据。2424图8.VCO在不同外部参数下的特性曲线如下：25252626图9.PC和VCO外部特性表2727续表28282.2.模拟集成锁相环模拟模拟集成锁相环模拟 集集成成

19、锁锁相相环环电电路路典典型型的的有有高高频频NE560NE560、NE561NE561、NE562NE562（ L562L562） 、 NE564(L564)NE564(L564)及及 超超 高高 频频 PC1477CPC1477C等等。其其中中NE564NE564最最高高工工作作频频率率可可达达50MHz50MHz，广广泛泛应应用用于于FMFM调调制制解解调调、载载波波提提取取数数据据同同步步、倍倍频频、移移频频等等。这这里里仅仅以以L562L562为为例例作作简要说明。简要说明。 L562L562的的组组成成框框图图见见图图1010，其其引引脚脚功功能能列列于于图图1111所给的表中。所给

20、的表中。 2929图10.L562方框图如下：3030图11.L562管脚功能图如下：3131鉴相器：采用双平衡模拟乘法器，压控振荡器以鉴相器：采用双平衡模拟乘法器，压控振荡器以3 3、4 4端输出的方波电压，经外电路接通，加在端输出的方波电压，经外电路接通，加在2 2、1515端端上上。输输入入信信号号电电压压u ui i(t)(t)加加到到1111、1212端端上上（可（可双端输入，也可单端输入，单端输入时一端必须双端输入，也可单端输入，单端输入时一端必须经经过过电电容容接接地地），产产生生的的差差电电压压从从1313、1414端端输输出。出。PDPD的鉴相特性为：的鉴相特性为：式中式中:

21、 I: Io o为恒流源的电流为恒流源的电流 R RL L为鉴相器负载电阻为鉴相器负载电阻 U Ui i为输入信号振幅为输入信号振幅环路滤波器：根据环路用途的不同，可以从环路滤波器：根据环路用途的不同，可以从1313、1414端接入各种形式的滤波器，若环路用于对调端接入各种形式的滤波器，若环路用于对调频信号的解调，则可分别在频信号的解调，则可分别在1313和和1414端到地串接端到地串接R R1 1C C1 1网络。构成无源比例积分滤波器。常用滤网络。构成无源比例积分滤波器。常用滤波器如图波器如图1212所示，图下面是它们的传递函数。所示，图下面是它们的传递函数。3232图12.LF的结构形式

22、图如下：3333 式中式中R R为为1313和和1414端之间的内阻，取值为端之间的内阻，取值为12K12K。 若若VCOVCO工作频率在工作频率在5MHz5MHz以下，一般用以下，一般用a a、b b两两 种种型型式式；当当工工作作频频率率高高于于5MHz5MHz时时，可可用用c c、d d两两 种型式。种型式。 压控振荡器：压控振荡器： VCOVCO电电路路采采用用的的是是射射极极定定时时多多谐谐振振荡荡器器，产产生生的的方方波波经经过过射射随随器器由由3 3、4 4端端输输出出，定定时时电电容容C CT T接接在在5 5、6 6端端之之间间。振振荡荡器器的的固固有有振振荡荡频频率率可可由

23、下式计算：由下式计算： 式中式中C CT T为外接电容，单位为为外接电容，单位为PFPF VCO VCO微调频率的方法：微调频率的方法： a.a.在在C CT T两两端端并并接接一一个个微微调调电电容容，改改变变其其容容量量即即 3434 可调整可调整fofo，但因其变化范围小，只适用于工作，但因其变化范围小，只适用于工作 频率高的调整。频率高的调整。 b b. .在在C CT T两两端端并并联联上上电电阻阻R R和和电电源源电电压压EAEA组组成成微微 调电路，连接方法如图调电路，连接方法如图1313所示。所示。3535图13.微调fo电路图如下： 3636n n锁相环应用锁相环应用锁相环应

24、用锁相环应用1. 1. 利用锁相环实现鉴频：利用锁相环实现鉴频： 对对调调频频信信号号的的解解调调，可可采采用用普普通通鉴鉴频频器器和和锁锁相相 鉴鉴频频器器。若若用用锁锁相相鉴鉴频频器器，可可得得到到一一些些鉴鉴频频门门限限上上的的改改善善，因因此此它它很很适适用用于于对对微微弱弱调调频频信信号号的的解解调调。两两种种鉴鉴频频器器性性能能比比较较见见图图1414，鉴鉴频频原原理框图见图理框图见图1515。3737图14.鉴频性能比较图如下：3838图15.锁相环鉴频原理框图如下： 39392.2.利用锁相环路实现频率合成：利用锁相环路实现频率合成： PLL PLL最重要的应用就是频率合成。所

25、谓频率合最重要的应用就是频率合成。所谓频率合成是指用任一指定的基准频率（例如用晶体振成是指用任一指定的基准频率（例如用晶体振荡产生的高频稳定频率基准）经过一些功能电荡产生的高频稳定频率基准）经过一些功能电路的作用，产生一系列我们所需要的稳定度与路的作用，产生一系列我们所需要的稳定度与基准频率相当的其它频率信号。基准频率相当的其它频率信号。 利用锁相环实现频率合成的原理框图如图利用锁相环实现频率合成的原理框图如图1616所示所示. .由图可知，环路锁定后，有由图可知，环路锁定后，有f fr rf f0 0 。 而而f fr r=f=fs s/M/M，f f0 0 =f=f0 0/N /N ，故有

26、，故有f f0 0=(N/M) f=(N/M) fs s 。 式中式中M M若固定，若固定，N N程控可变，改变程控可变，改变N N就可得到不就可得到不同的输出频率，当同的输出频率，当N N也固定时，则电路就实现也固定时，则电路就实现了倍频。锁相环的了倍频。锁相环的锁锁相相环环的的应应用很多，配合用很多，配合试试验测试验测试，以上，以上仅仅介介绍绍了其中两种典型了其中两种典型应应用。用。另另 4040 外外现现在在的的频频率率合合成成也也有有专专用用的的集集成成芯芯片片，例例如如 MC145106MC145106、MC145152MC145152等等，这这些些读读者者可可查查询询相相关关资料。

27、资料。n n锁相环路的测试锁相环路的测试 PLLPLL的的测测量量：锁锁相相环环路路的的测测量量包包括括部部件件和和环环路路整整体体的的测测量量。由由于于组组成成环环路路部部件件电电路路不不同同，测测量量方方法法也也就就不不同同。下下面面以以L562L562为为例例，简简述述测测量量方法。方法。1.1.环路部件的测量环路部件的测量 对于对于具有正弦具有正弦鉴鉴相特性的相特性的鉴鉴相器，其相器，其鉴鉴相灵相灵敏度敏度测测量框量框图图如如图图1717所示所示。4141图17.鉴相灵敏度测量框图如下：4242 将将输输入入信信号号f fi i调调在在f fo off，ff一一般般小小于于鉴鉴相相 器

28、器自自身身低低通通滤滤波波器器的的截截止止频频率率，这这样样两两个个信信号号的的相相位位差差tt，鉴鉴相相器器输输出出电电压压U Ud d(t)(t)近近似似正正弦弦波波，示示波波器器y y轴轴代代表表U Ud d,X,X轴轴代代表表时时间间，即即代代表表相相位位差差e e，测测出出U Ud d(t)(t)的的振振幅幅值值，则则鉴相灵敏度鉴相灵敏度K Kd d=U=Udmdm。 VCOVCO控制特性的测量控制特性的测量VCOVCO是一个振荡频率受控制电压控制的振荡器，是一个振荡频率受控制电压控制的振荡器，所以用改变控制电压的方法，测出不同控制电所以用改变控制电压的方法，测出不同控制电压时相应的

29、频率，描绘成曲线，可得到控制特压时相应的频率，描绘成曲线，可得到控制特性。由于性。由于L562L562的的VCOVCO控制端无引出脚，不便直控制端无引出脚，不便直测，可加一个移相器来间接测量，如测，可加一个移相器来间接测量，如1818所示。所示。4343图18.压控特性测量框图如下：4444 信信号号源源输输出出一一路路直直接接加加到到鉴鉴相相器器，它它的的输输出出又又经经移移相相器器送送到到鉴鉴相相器器的的另另一一输输入入端端，改改变变移移相相器器的的相相位位，测测出出环环路路滤滤波波器器输输出出电电压压UcUc，再再测测出出对对应应点点的的频频率率，描描绘绘成成fofoUcUc曲曲线线，即

30、即为为VCOVCO的控制特性。的控制特性。2. 2. 环路性能测量即环路同步频带环路性能测量即环路同步频带ffH H和捕捉频带和捕捉频带 f fp p的测量。的测量。 同同步步带带是是指指环环路路有有能能力力维维持持锁锁定定的的最最大大起起始始频频差差，捕捕捉捉带带是是指指环环路路始始于于失失锁锁状状态态，最最终终有有能能力力自自行行锁锁定定的的最最大大起起始始频频差差，所所以以关关键键的的问问题题是是怎怎样样判判断断PLLPLL失失锁锁或或锁锁定定，有有效效的的方方法法是是用用双踪示波器分别观察鉴相器的两个输入信号。双踪示波器分别观察鉴相器的两个输入信号。4545 当当锁锁定定时时，两两个个

31、鉴鉴相相信信号号频频率率严严格格相相等等，示示波波器器上上有有两两个个清清晰晰稳稳定定的的波波形形；若若失失锁锁，则则有有频差，不可能看到清晰稳定的波形。频差，不可能看到清晰稳定的波形。 同步带的测量同步带的测量按图按图1919连线，调节信号源使环路处于良好的锁连线，调节信号源使环路处于良好的锁定状态，在示波器上可以看到清晰稳定的定状态，在示波器上可以看到清晰稳定的U Ui i和和U U0 0波形。然后，向下缓慢调节波形。然后，向下缓慢调节f fi i，直到刚好出，直到刚好出现失锁，记下此时频率现失锁，记下此时频率f f2 2。然后向上调。然后向上调f fi i重新重新锁定，再增加锁定，再增加

32、f fi i，又失锁，记为，又失锁，记为f f1 1。则同步带。则同步带为为ffH H=(f=(f1 1-f-f2 2)/2)/2 捕捉带的测量捕捉带的测量4646图19.同步带和捕捉带测量框图如下： 4747 使输入信号频率使输入信号频率f fi iffo o, ,并使环路失锁，然后降并使环路失锁，然后降 低低f fi i，当，当f fi i变化到某一值时，示波器上出现的差变化到某一值时，示波器上出现的差 拍波消失，此时环路锁定，用频率计测出刚好拍波消失，此时环路锁定，用频率计测出刚好 锁定的频率为锁定的频率为f f2 2。然后继续降低。然后继续降低f fi i，直至环路失，直至环路失 锁，再逐渐升高锁，再逐渐升高f fi i，当，当f fi i升高到某一值时环路又升高到某一值时环路又 锁定，用频率计测出刚好锁定时的频率为锁定，用频率计测出刚好锁定时的频率为f f1 1。两。两 个锁定点频率之差就是捕捉范围。则捕捉带个锁定点频率之差就是捕捉范围。则捕捉带 ffV V=(f=(f1 1-f-f2 2)/2)/24848