實驗11鎖相調頻與鑒頻實驗一、實驗目的掌握鎖相環的基本概念。了解集成電路CD4046的內部結構和工作原理。3. 掌握由集成鎖相環電路組成的頻率調制電路 /解調電路的工作原理。二、預習要求復習反饋控制電路的相關知識。鎖相環路的工作原理。三、實驗儀器高頻信號發生器頻率計雙蹤示波器萬用表實驗板GPMK8四、鎖相環的構成和基本原理（1）鎖相環的基本組成圖11-1是鎖相環的基本組成方框圖，它主要由鑒相器（ PD）、環路濾波器（ LF）和壓控振蕩器（VCO）組成。Vi(t)鑒相器VD(t)Vc(t)Vo(t)環路濾波器壓控振蕩器PDLFVCO圖11-1 鎖相環的基本組成① 壓控振蕩器（ VCO）VCO是本控制系統的控制對象， 被控參數通常是其振蕩頻率， 控制信號為加在 VCO上的電壓。所謂壓控振蕩器就是振蕩頻率受輸入電壓控制的振蕩器。② 鑒相器（

PD）PD

是一個相位比較器，用來檢測輸出信號

V0（

t

）與輸入信號

Vi

（t

）之間的相位差

(t) ，并把

(t) 轉化為電壓

Vd

(t)輸出，

Vd

(t)稱為誤差電壓，通常

Vd

(t)作為一直流分量或一低頻交流量。③ 環路濾波器（

LF）LF

作為一低通濾波電路，其作用是濾除因

PD

的非線性而在

Vd

(t)

中產生的無用組合頻率分量及干擾，產生一個只反映 (t) 大小的控制信號4046鎖相環芯片包含鑒相器 （相位比較器）

VC(t)。和壓控振蕩器兩部分，

而環路濾波器由外接阻容元件構成。（2）鎖相環鎖相原理鎖相環是一種以消除頻率誤差為目的反饋控制電路， 它的基本原理是利用相位誤差電壓去消除頻率誤差。按照反饋控制原理，如果由于某種原因使 VCO的頻率發生變化使得與輸入頻率不相等，這必將使

VO

(t)

與Vi

(t)

的相位差

(t) 發生變化，該相位差經過

PD轉換成誤差電壓

Vd

(t)

。此誤差電壓經過

LF

濾波后得到

Vc

(t)，由

Vc(t)

去改變

VCO的振蕩頻率，使其趨近于輸入信號的頻率，最后達到相等。

環路達到最后的這種狀態就稱為鎖定狀態。

當然由于控制信號正比于相位差，

即Vd

(t)正比于

（t

），因此在鎖定狀態，

（t

）不可能為零，換言之，在鎖定狀態

VO

(t)

與Vi(t)

仍存在相位差。雖然有剩余相位誤差存大，但頻率誤差可以降低到零，因此環路鎖定時，壓控振蕩器輸出頻率

FO

與外加基準頻率

（輸入信號頻率）

Fi

相等，即壓控振蕩器的頻率被鎖定在外來參考頻率上。（3）同頻帶與捕捉帶同步帶是指從環路鎖定開始，改變輸入信號的頻率失鎖（ 由鎖定到失鎖） ，這段頻率范圍稱為同步帶。

f

i

（向高或向低兩個方向變化）

，直到環路捕捉帶是指鎖相環處于一個固有的自由振蕩頻率

fV

，即處于失鎖狀態，當從高端慢慢減小外加輸入信號頻率

fi

（初始頻率設置較高）

，直到環路鎖定，

此時外加輸入信號頻率

f

imax

就是同步帶的最高頻率。當從低端慢慢增加外加輸入信號頻率（初始頻率設置較低）加輸入信號頻率 就是捕捉帶的最低頻率。捕捉帶為imin imax

imin

。

，直到環路鎖定，此時外五、實驗電路說明調頻是用調制信號直接線性地改變載波振蕩的瞬時頻率，變化而變化。其逆過程為頻率解調（也稱頻率檢波或鑒頻）本實驗是用 CD4046 數字集成鎖相環（ PLL）來實現調頻

。

既使載波振蕩頻率隨調制信號的失真/解調（鑒頻）的。有關數字集成鎖相環CD4046的內部構成和工作原理請參閱相關內容的書籍。鎖相環（4046）的結構框圖及引出端功能圖如下圖所示。VDD 信號輸入16 1432相位比較器輸入N13II1VCO輸出4C167VCO9R11112跟隨器10R2禁止58 15

比較器I輸出PCPout116VDDPC1out215ZENER比較器II輸出相位脈沖輸出COMPin314SINGinVCOout413PC2outR3CD4046VCO輸入INH512R2C1A611R1解調輸出C2C1B710SFoutR4Vss89VCOin鎖相環（4046）的結構框圖及引腳端功能圖1. 用鎖相環（集成）構成的調頻 /解調（鑒頻）電路（1）．鎖相環調頻原理調頻波輸出(3) (4)鑒相器CD4046壓控振蕩器PIDVCO(14)(2)(9)載波高頻信號放大器低通濾波器加法器調制信號LM318R5C2uA741鎖相環調頻電路原理框圖注：由于載波信號頻率相對于調制信號頻率高的多，故載波信號頻率稱為所謂的高頻（只是相對而言），而調制信號頻率則相對應的稱為低頻。將調制信號加到壓控振蕩器 （VCO）的控制端， 使壓控振蕩器的輸出頻率 （在自振頻率 （中心頻率） f0上下）隨調制信號的變化而變化，于是生成了調頻波。當載波頻率與壓控振蕩頻率相近時，載波頻率與壓控振蕩器的振蕩頻率鎖定。低通濾波器只保證壓控振蕩器中心振蕩頻率與載波頻率鎖定時所產生的相位誤差電壓通過， 該電壓與調制信號同經加法器，用以控制壓控振蕩器的頻率，從而獲得與載波頻率具有同樣頻率穩定度的調頻波。（2）．鎖相環解調原理(3) (4)鑒相器CD4046壓控振蕩器解調輸出PIDVCO跟隨器(14)(2)(9)載波高頻信號放大器低通濾波器LM318R15C6鎖相環解調電路原理框圖調頻波（經過放大器放大后）與壓控振蕩器的輸出被送入鑒頻器，經鑒相獲得變化著的相位誤差電壓，該誤差電壓通過低通濾波器被濾掉其高頻成份，繼而獲得隨調制信號頻率變化而變化的信號，經跟隨器得到解調信號，從而實現了解調（鑒頻）過程。鎖相環振蕩頻率f0、同步帶與捕捉帶的測量方法。（1）．自振頻率 f0的測量用示波器觀測⑷腳的輸出波形（方波）

，用頻率計測量自振頻率

f0。（2）．鎖定的判斷⒁腳（SIGNin）輸入方波信號，用示波器觀察⑵腳（ PC1out）的波形，如鎖定，可得到一個穩定的矩形脈沖；若⒁腳輸入信號頻率與壓控振蕩器的振蕩頻率相等，則⑵腳輸出為穩定地兩倍頻方波信號。（3）．同步帶寬（鎖定范圍）和捕捉帶寬（捕捉范圍）的測量⒁腳輸入一個方波信號（最好用頻率計檢測），其頻率與f0（VCO自振頻率）相同。改變⒁腳輸入信號頻率，使頻率逐漸降低，直至⑷腳（或⑵腳）輸出方波剛好不穩定時，環路進入失鎖狀態，該點頻率定義為同步帶的下限頻率“f1”。改變⒁腳輸入信號頻率，由f1開始頻率逐漸增加，直至⑷腳輸出方波剛好再次穩定時，環路進入鎖定狀態，該點頻率定義為捕捉帶的下限頻率“f2”。改變⒁腳輸入信號頻率，由f2開始頻率逐漸增加，直至⑷腳輸出方波剛好再次不穩定時，環路進入失鎖狀態，該點頻率定義為同步帶的上限頻率“f4”。改變⒁腳輸入信號頻率，由f4開始頻率逐漸降低，直至⑷腳輸出方波剛好穩定時，環路進入鎖定狀態，該點頻率定義為捕捉帶的上限頻率“f3”。由以上可計算出：同步帶同步帶寬為：f4-f1捕捉帶捕捉帶寬為：f3-f2f1 f2 f0 f3 f4實驗電路說明相關概念前面已分析清楚。這里需要說明的是當要測量壓控振蕩器的自振頻率時，必須先將IN1短路，當要測量壓控振蕩器的同步帶和捕捉帶時，必須將相，改變濾波器參數既可改變 VCO 的自振頻率，因此調節 RP1率。當改變 C3、C4、R11、R12、R13、R14也可在較大范圍內改變

IN2短路。由于電路是環路鎖或RP2可改變 VCO 的自振頻VCO的輸出頻率。六、實驗內容與步驟調頻鎖相環部分的測試（

1）．鎖相環自振頻率 f0的測量將IN1、IN2分別對地短路，調節電位器電壓的 1/2），用示波器觀察鎖相環輸出表。

OUT1

RP1至適中位置，測量 D端直流電壓（近似電源端的波形。記錄波形特性、頻率、幅度，填入下OUT1

端

波形特性

頻率（

KHz

）

幅度（

VP-P）鎖相環自振波形觀察相位比較器（鑒相器）B 端相位比較 波形特性

B

端的波形，將測量結果填入下表。頻率（KHz）幅度（

VP-P）

相差（不做要求）器的輸出波形觀察鑒相器輸出C端鑒相器輸出

C端的預積分波形，將測量結果填入下表。波形特性 頻率（KHz）

幅度（

VP-P）

相差（不做要求）預積分波形觀察壓控振蕩器輸入 D端的波形，將測量結果填入下表。D端鑒相器輸出 波形特性 頻率（KHz） 幅度（VP-P） 相差（不做要求）積分波形（2）．鎖定的判斷將信號發生器輸出的方波信號（幅度3.5VP-P，頻率為自振頻率f）加到載波輸入IN1端，0用雙蹤示波器同時觀測鎖相環OUT1端和A端的波形（即鎖相環的⑷腳和⒁腳）。如波形穩定表示頻率被鎖定。改變信號發生器的輸出信號頻率，可發現在較大范圍內鎖相環均能鎖定。記錄測量結果。思考：當頻率鎖定時，觀測 OUT1端和 B端出現什么現象？如何解釋？（3）．測量同步帶寬（鎖定范圍）和捕捉帶寬（捕捉范圍）觀測A端和OUT1端，改變信號發生器的輸出頻率（即載波頻率）調節載波信號頻率（輸入IN1），由自振頻率f0開始逐漸緩慢降低，直至（VCOout端）波形抖動（即：失鎖），記錄此時的載波輸入信號頻率f1（下限失鎖頻點）。調節載波信號頻率，由f1開始逐漸緩慢增加，直至（VCOout端）波形不抖動（即：鎖定），記錄此時的載波輸入信號頻率f2（下限鎖定頻點）。調節載波信號頻率，由f2開始逐漸緩慢增加，直至（VCOout端）波形抖動（即：失鎖），記錄此時的載波輸入信號頻率f4（上限失鎖頻點）。同步帶寬（鎖定范圍）=f4-f1調節載波信號頻率，由f4開始逐漸緩慢降低，直至（VCOout端）波形不抖動（即：鎖定），記錄此時的載波輸入信號頻率 f3（上限鎖定頻點） 。捕捉帶寬（捕捉范圍） =f3-f2解調部分的測試（1）．鎖相環自振頻率的測量調節電位器 RP2至適中位置，測量 G端直流電壓，用示波器觀察鎖相環輸出 E端的波形。記錄波形特性、頻率、幅度，填入下表。E端 波形特性 頻率（KHz） 幅度（ VP-P）鎖相環自振波形觀察相位比較器（鑒相器）F端相位比較器的輸

F

端的波形，將測量結果填入下表。波形特性 頻率（KHz

）

幅度（

VP-P）出波形觀察壓控振蕩器輸入G端鑒相器輸出積分

G端的波形，將測量結果填入下表。波形特性

頻率（

KHz

）

幅度（

VP-P）波形（2）．鎖定的判斷將信號發生器輸出的方波信號 （幅度 3.5VP-P，頻率為自振頻率 f0）加到載波輸入 IN1端，連接 A端和 IN3端，用雙蹤示波器同時觀測鎖相環 E端和 A端的波形。如波形穩定表示頻率被鎖定。改變信號發生器的輸出信號頻率，可發現在較大范圍內鎖相環均能鎖定。記錄測量結果。思考：鎖定時觀測 A端和F端的波形，有何結論，如何分析？（3）．測量同步帶寬（鎖定范圍）和捕捉帶寬（捕捉范圍）觀測

A端和 E端，改變信號發生器的輸出頻率（即載波頻率）調節載波信號頻率（輸入 IN1），由自振頻率 f0開始逐漸緩慢降低，直至（ E端）波形抖動（即：失鎖） ，記錄此時的載波輸入信號頻率 f1（下限失鎖頻點） 。調節載波信號頻率，由 f1開始逐漸緩慢增加，直至（ E端）波形不抖動（即：鎖定） ，記錄此時的載波輸入信號頻率 f2（下限鎖定頻點） 。調節載波信號頻率，由f2開始逐漸緩慢增加，直至（E端）波形抖動（即：失鎖），記錄此時的載波輸入信號頻率f4（上限失鎖頻點）。同步帶寬（鎖定范圍）=f41-f調節載波信號頻率，由f4開始逐漸緩慢降低，直至（E端）波形不抖動（即：鎖定），記錄此時的載波輸入信號頻率f3（上限鎖定頻點）。捕捉帶寬（捕捉范圍）=f32-f3.觀測系統的調頻情況IN1端輸入幅值為3.5VP-P，頻率與自振頻率相同的方波信號（定義為載波）。IN2端輸入幅值為0.4VP-P，頻率1KHz的正弦波信號（定義為調制波）。用雙蹤示波器仔細觀測OUT1和IN2端，為了可清楚地觀看到調頻波的疏密變化，可微調調制信號的頻率。4.觀測系統的解調（鑒頻）情況IN2

保持第和OUT2

3步的狀態，聯結 OUT1，可清楚地觀察到頻率為

端與 IN3端（即將調頻波接入解調電路）1KHz 的正弦波（即解調出的波形）

，用示波器觀測，可同時與 IN2的調制信號進行比較，其相位和頻率相同。七、實驗注意事項用雙蹤示波器觀察波形時要注意波形的鎖定，通常是用低頻信號作為觸發信號，這樣更容易觀測到波形。八、實驗報告整理所觀測到的波形與數據。繪制相應的波形圖。分析鎖相環調頻時，外加載波信號頻率與壓控振蕩器的中心頻率，哪個頻率穩定度要求較高？簡述實現鎖相環調頻與鑒頻的方法。鎖相環調頻與鎖相環鑒頻均有低通濾波器，說明它們有何不同？實驗 12鎖相式數字頻率合成器實驗一、實驗目的進一步加深對鎖相環工作的基本原理。掌握鎖相式數字頻率合成電路的工作原理。二、預習要求復習反饋控制電路的相關知識。三、實驗儀器雙蹤示波器頻率計四、實驗電路說明鎖相式數字頻率合成電路結構框圖見下圖。fR鑒相器環路濾波器壓控振蕩器OUT14PDLFVCO43fN可變分頻器fv（÷N）圖12-1頻率合成器結構框圖鎖相式數字頻率合成電路的組成及工作原理頻率合成技術是現代通信對頻率源的頻率穩定與準確度， 頻率純度及頻帶利用率提出越來越高的要求的產物。它能夠利用一個高穩標準頻率源（如晶體振蕩器）合成出大量具有同樣性能的離散頻率。直接式鎖相頻率合成器構成如圖12-1所示。圖中fR為高穩定的參考脈沖信號（如晶體振蕩器輸出的信號）。壓控振蕩器（VCO）輸出經N次分頻后得到頻率為fN的脈沖信號。fR和fN在鑒相器（PD）進行比較，當環路處于鎖定狀態時，則：fR=fN因為：fNfv/N所以：fVNfnNfR1/N分頻電路是由三組可預制分頻電路完成，各組均由CD4522可編程二進制4位1/N計數器組成，每組分頻可用“接入 +5V 的方法”以 8421碼的形式對技術器進行預制，也可用單片機編程去控制，分頻比的選擇范圍為 1—999（針對三組分頻電路而言） ，總共可預置 999個頻率點，它是構成鎖相式數字頻率合成器的重要單元電路，即可編程分頻電路。實驗電路使用的相位比較器和環路低通濾波器CD4046

內部有兩個相位比較器，

其中相位比較器

為異或門比較器，

要使鎖相環范圍盡量大，一般要求兩個比較信號（進入

CD4046

的⑶腳和⒁腳）的占空比必須為

50%

的方波，而相位比較器II為過沿控制式比較器，只由兩個信號的上升沿作用，所以不要求波形占空比必須為

50%

的方波。本實驗電路的鎖相環電路與鎖相式數字頻率合成器電路二者均組合在一起， 由于相位比較器的比較信號來自可編程分頻電路，占空比不是 50%的方波，所以本實驗電路就選用了相位比較器 II。它具有鑒頻和鑒相功能，當兩輸入信號 Ui和Uf頻率差較大時，環路從鑒相工作狀態自動轉入鑒頻工作狀態，迫使

ff

逼近

fi，當

ff=fi

時，環路由鑒頻器工作狀態自動轉入鑒相工作狀態，這種鑒相器將鑒頻與鑒相結合起來工作，的確很方便。相位比較器 II輸出的相位誤差電壓是周期性脈沖波形，需使用低通濾波器將其濾波平滑，得到一直流控制電壓，用來控制 VCO（壓控振蕩器）的頻率和相位，使其向減小誤差的方向變化，從而消除頻差與相差，達到鎖定狀態。而高頻噪聲和其它交流諧波分量將被濾波器抑制。實驗電路中的低通濾波器是由 R、C元件組成的。五、實驗內容與步驟實驗說明（1） 連接 A與A’兩個端點， B與B’兩個端點，由于本實驗選用了相位比較器 II，所以將 D和E兩個端點連接。（2） 分頻數的設置：其中組一、組二、組三分別為可編程分頻電路的預置數選擇組件（每個分組的四個選擇端不接線為“ 0”，任和一端接 5V均為“（3）．組四（電容 C）和組五（電阻 R）用來預置 C

1”），和R的數值，不同組合得到不同的自振頻率和頻率合成范圍。

CD4046

自由振蕩頻率主要由外接電阻

11腳

R1、12

腳

R2

和

6、7

腳之間

C1

決定，與其三者成反比關系，在