锁相环调频和解调实验频率合成器实验.docx

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V (t)与输入信号v (t)之间的相 位差o (t)，并把e (t)转化为电压v⑴输出，v (t)称为误差电压，通常v⑴作为一直 流分量或一低频交流量 d d d③ 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9 (t)大小的控制信号V (t)。

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v (t)与V (t)的相位差9 (t)发生变化，该相位 差经过PD转换成误差电压v (t)此误差电压经过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，即V (t)正比于9 (t)，因此 在锁定状态，9 (t)不可能为零，换言之，在锁定状态v (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)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 i mini 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）f上下）随调制信号的变化而变化，于是生成了调频波。

0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0（1） ・自振频率f的测量0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（⑷脚（SIGNin）输入方波信号，用示波器观察⑵脚（PClout）的波形，如锁定，可 得到一个稳定的矩形脉冲；若（⑷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（⑷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（⑷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“f ”。

1＞改变（⑷脚输入信号频率，由f开始频率逐渐增加，直至⑷脚输出方波刚好再1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“f ”2＞改变（⑷脚输入信号频率，由f开始频率逐渐增加，直至⑷脚输出方波刚好再2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“f ”4＞改变（⑷脚输入信号频率，由f开始频率逐渐降低，直至⑷脚输出方波刚好稳4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“f ”3“ 同步带 、乓 / 捕捉带 J 产1—mf1 f2 f0 f3 f由以上可计算出：同步带宽为：f-f4 1捕捉带宽为：f-f3 23. 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、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）.锁相环自振频率f的测量0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0UT1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（L）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（・）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3.5V，频率为自振频率f ）加到载P-P 0波输入IN1端，用双踪示波器同时观测锁相环0UT1端和A端的波形（即锁相环 的⑷脚和（⑷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0UT1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f开始逐渐缓慢降低，直至（VCOout0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）。

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1（即：锁定），记录此时的载波输入信号频率f （下限锁定频点）2＞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:2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 -f3 22. 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3.5V，频率为自振频率f ）加到P-P 0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，精心整理 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f开始逐渐缓慢降低，直至（E0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1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：1锁定），记录此时的载波输入信号频率f （下限锁定频点）2＞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：2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 -f4 1＞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（即：4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 -f3 23. 观测系统的调频情况IN1端输入幅值为3.5V，频率与自振频率相同的方波信号（定义为载波）P-PIN2端输入幅值为0.4V，频率lKHz的正弦波信号（定义为调制波）。

P-P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 。