模拟锁相环实验实验报告

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1、实验十四 模拟锁相环实验一、 实验目的1、 了解用锁相环构成的调频波解调原理。2、 学习用集成锁相环构成的锁相解调电路。二、 实验内容1、 掌握锁相环锁相原理。2、 掌握同步带和捕捉带的测量。三、 实验仪器1、 1号模块 1块2、 6号模块 1块3、 5号模块 1块4、 双踪示波器 1台四、 锁相环的构成及工作原理1、 锁相环路的基本组成锁相环由三部分组成，如图14-1所示，它由相位比较器PD、低通滤波器LF、压控振荡器VCO三个部分组成一个闭合环路，输入信号为Vi(t),输出信号为V0(t),反馈至输入端。下面逐一说明基本部件的作用。图14-1 锁相环组成框图一、 压控振荡器（VCO）VCO

2、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，故称为压控振荡器，也就是一个电压频率变换器，实际上还有一种电流频率变换器，但习惯上仍称为压控振荡器。二、 鉴相器（PD）PD是一个相位比较装置，用来检测输出信号V0(t)与输入信号Vi(t)之间的相位差e(t)，并把e(t)转化为电压Vd(t)输出，Vd(t)称为误差电压，通常Vd(t)作为一直流分量或一低频交流量。三、 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Vd(t)中产生的无用的组合频率分量及干扰，产生一个只反映e(t)大小的控制信号Ve(t)。按照反馈控制原理，如果由于某种原

3、因使VCO的频率发生变化使得与输入频率不相等，这必将使V0(t)与Vi(t)的相位差e(t)发生变化，该相位差经过PD转换成误差电压Vd(t)，此误差电压经LF滤波后得到Vc(t)，由Vc(t)去改变VCO的振荡频率使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，即因此在锁定状态，e(t)不可能为零，换言之在锁定状态V0(t)与Vi(t)仍存在相位差。2、 锁相环锁相原理锁相环是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路，它的基本原理是利用相位误差电压去消除频率误差，所以当电路达到平衡状态后，虽然有剩余相位误差存在，但频率误差可以降低到零，

4、从而实现无频差的频率跟踪和相位跟踪。当调频信号没有频偏时，若压控振荡器的频率与外来载波信号频率有差异时，通过相位比较器输出一个误差电压。这个误差电压的频率较低，经过低通滤波器滤去所含的高频成份，再去控制压控振荡器，使振荡频率趋近于外来载波信号频率，于是误差越来越小，直至压控振荡频率和外来信号一样，压控振荡器的频率被锁定在与外来信号相同的频率上，环路处于锁定状态。当调频信号有频偏时，和原来稳定在载波中心频率上的压控振荡器相位比较的结果，相位比较器输出一个误差电压，如图14-2，以使压控振荡器向外来信号的频率靠近。由于压控振荡器始终想要和外来信号的频率锁定，为达到锁定的条件，相位比较器和低通滤波器

5、向压控振荡器输出的误差电压必须随外来信号的载波频率偏移的变化而变化。也就是说这个误差控制信号就是一个随调制信号频率而变化的解调信号，即实现了鉴频。图14-2 锁相环 (PLL) 3、 同步带与捕捉带同步带是指从PLL锁定开始，改变输入信号的频率fi （向高或向低两个方向变化），直到PLL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定的固有振荡频率fV，并当输入信号频率fi偏离fV上限值或下限值时，环路还能进入锁定，则称为捕捉带。测量的方法是从J4输入一个频率接近于VCO自由振荡频率的高频调频信号，先增大载波频率直至环路刚刚失锁，记此时的输入频率为fH1 ,再减小fi ，

6、直到环路刚刚锁定为止，记此时的输入频率为fH2，继续减小fi ，直到环路再一次刚刚失锁为止，记此时的频率为fL1 ,再一次增大fi，直到环路再一次刚刚锁定为止，记此时频率为fL2由以上测试可计算得：同步带为：fH1fL1捕捉带为：fH2fL2五、 集成锁相环NE564的介绍下图为NE564内部组成框图。其中限幅器由差分电路组成，可抑制FM信号的寄生调幅；鉴相器(PD)的内部含有限幅放大器，以提高对AM信号的抗干扰能力：4、5脚外接电容组成环路滤波器，用来滤除比较器输出的直流误差电压中的纹波；2脚用来改变环路的增益；3脚为VCO的反馈输入端；VCO是改进型的射极耦合多谐振荡器，有两个电压输出端，

7、9脚输出TTL电平，11脚输出ECL电平。VCO内部接有固定电阻，只需外接一个定时电容就可产生振荡；施密特触发器的回差电压可通过15脚外接直流电压进行调整， 以消除16脚输出信号的相位抖动。图14-3 NE564内部组成框图在本实验中，所使用的锁相环为高频模拟锁相环NE564，其最高工作频率可达到50MHz，采用+5V单电源供电，特别适用于高速数字通信中FM调频信号及FSK移频键控信号的调制、解调，无需外接复杂的滤波器。NE564采用双极性工艺，其内部组成框图如图14-3所示，其内部电路原理图如图14-4所示。图14-4 NE564内部电路原理图（1）限幅放大器A1为限幅放大器,它主要由原理图

8、中的Q1Q5及Q7、Q8组成PNP、NPN互补的共集共射组合差分放大器，由于Q2、Q3负载并联有肖特基二极管D1、D2，故其双端输出电压被限幅在2VD=0.30.4V左右。因此可有效抑制FM调频信号输入时干扰所产生的寄生调幅。Q7、Q8为射极输出差放，以作缓冲，其输出信号送鉴相器。（2）相位比较器(鉴相器)PD内部含有限幅放大器，以提高对AM调幅信号的抗干扰能力；外接电容C3、C8与内部两个对应电阻(阻值R=1.3k)分别组成一阶RC低通滤波器用来滤除比较器输出的直流误差电压中的纹波，其截止角频率为。滤波器的性能对环路入锁时间的快慢有一定影响，可根据要求改变C3、C8的值。在本实验电路中，改变

9、W1可改变引脚2的输入电流，从而实现环路增益控制。（3）压控振荡器VCO压控振荡器是一改进型的射极定时多谐振荡器。主电路由Q21、Q22与Q23、Q24组成。其中Q22，Q23两射极通过12、13脚外接定时电容C，Q21、Q24两射极分别经过电阻R22、R23接电源Q27、Q25。Q26也作为电流源。Q17、Q18为控制信号输入缓冲极。接通电源，Q21，Q22与Q23、Q24双双轮流导通与截止，电容周期性充电与放电，于是Q22、Q23集电极输出极性相反的方形脉冲。根据特定设计，固有振荡频率f与定时电容C的关系可表示为 振荡频率f与C的关系曲线如图14-5所示。VCO有两个电压输出端，其中，VC

10、O01输出TTL电平；VCO02输出ECL电平。输出放大器A2与直流恢复电路A3是专为解调FM信号与FSK信号而设计的。输出放大器A2由Q37、Q38、Q39组成，显然这是一恒流源差分放大电路，来自鉴相器的误差电压由4、5脚输入，经缓冲后，双端送入A2放大。直流恢复电路由Q42、Q43、Q44等组成，电流源Q40作Q43的有源负载。若环路的输入为FSK信号，即频率在f1与f2之间周期性跳变的信号，则鉴相器的输出电压被A2放大后分两路，一路直接送施密特触发器的输入，另一路送直流恢复电路A3的Q42基极，由于Q43集电极通过14脚外接一滤波电容，放直流恢复电路的输出电压就是一个平均值直流。这个直流

11、电压VREF再送施密特触发器另一输入端就作为基极电压。若环路的输入为FM信号，A3用作线性解调FM信号时的后置鉴相滤波器，那么在锁定状态，14脚的电压就是FM解调信号。施密特触发器是专为解调FSK信号而设计的，其作用就是将模拟信号转换成TTL数字信号。直流恢复输出的直流基准电压VREF（经R26到Q49基极）与被A2放大了的误差电压Vdm分别送入Q49和Q50的基极，Vdm与VREF进行比较，当Vdm VREF时，则Q50导通，Q49截止，从而迫使Q54截止，Q55导通，于是16脚输出低电平。当Vdm VREF时，Q49导通，Q50截止，从而迫使Q54导通Q55截止，16脚输出高电平。通过15

12、脚改变Q52的电流大小，可改变触发器上下翻转电平，上限电平与下限电平之差也称为滞后电压VH。调节VH可消除因载波泄漏而造成的误触发而出现的FSK解调输出，特别是在数据传输速率比较高的场合，并且此时14脚滤波电容不能太大。ST的回差电压可通过10脚外接直流电压进行调整，以消除输出信号TTL0的相位抖动。 六、 实验步骤1、 锁相环自由振荡频率的测量将5号板开关S1依次设为“1000”，“0100”，“0010”，“0001”（即选择不同的定时电容），从TP6处观察自由振荡波形，并填写表14-1。频率(MHz)幅度（Vp-p）S1=1000C=20p17.5071.08S1=0100C=47p8.

13、4681.7S1=0010C=110p3.9462.6S1=0001C=1100p0.53085.1表14-1当s1设为1000，c=20p时，从tp6处观察到的波形如下图所示：当s2设为0100，c=47p时，从tp6处观察到的波形如下图所示：当s3设为0010，c=110p时，从tp6处观察到的波形如下图所示：当s4设为0001，c=1100p时，从tp6处观察到的波形如下图所示：2、 同步带和捕捉带的测量1） 将S2设为0010（即VCO的自由振荡频率为4.5MHz），并完成下表所示的连线。源端口目的端口连线说明1号模块：输出信号f=4.5MHz，Vp-p=500mV5号模块：P7为PD

14、送入参考信号5号模块：P55号模块：P8将VCO输出送入PD5号模块：P46号模块：P3测量VCO输出信号的频率2）用双踪示波器对比观测5号模块信号输入端TP8和VCO输出信号TP6的波形，观察频率的锁定情况，完成表14-2。先按下1号模块上“频率调节”旋钮，选择“10”档，然后慢慢增大载波频率直至环路刚刚失锁，记此时的输入频率为fH1 ,再减小fi ，直到环路刚刚锁定为止，记此时的输入频率为fH2,继续减小fi ，直到环路再一次刚刚失锁为止，记此时的频率为fL1 ,再一次增大fi，直到环路再一次刚刚锁定为止，记此时频率为fL2由以上测试可计算得：同步带为：fH1- fL1捕捉带为：fH2-

15、fL2频率同 步 带捕 捉 带fL1fL2fH2fH1S1=00010.441mhz0.620mhz0.751mhz1.051mhzS1=00102.720mhz4.920mhz5.230mhz6.820mhzS1=01009.370mhz11.240mhz11.540mhz12.430mhzS1=100018.630mhz20.060mhz20.610mhz21.670mhz表14-2注：这里我们只是选取了4.5MHz这个频段做实验，其他三个频段的实验操作步骤基本一样，只需要调整5号模块中S1的拨码方式及输入参考信号的频率即可。由上面的表格我们可以得出s1=0001时，同步带为fH1-fL1

16、= 0.61mhz ，捕捉带为fH2-fL2=0.131mhz。s1=0010时，同步带为fH1-fL1= 4.1mhz，捕捉带为fH2-fL2= 0.31mhz。 s1=0100时，同步带为fH1-fL1=3.06mhz，捕捉带为fH2-fL2= 0.3mhz s1=1000时，同步带为fH1-fL1= 3.04mhz ，捕捉带为fH2-fL2= 0.450mhz。3、改变W1的阻值（顺时针旋转，阻值变大；逆时针旋转，阻值变小），重做步骤2，在J1处观察VCO输出波形的幅度、同步带、和捕捉带的变化。七，实验总结 锁相环是指一种电路或者模块，它用于在通信的接收机中，其作用是对接收到的信号进行处

17、理，并从其中提取某个时钟的相位信息。或者说是对于接收到的信号，仿制一个时钟信号，使得这两个信号从某种角度来看是同步的。锁相环电路因其具有环路跟踪功能和易于集成等优点得到了广泛的应用。在本次实验中对锁相环的两个重要的参数进行了实际测量与分析。锁相环的同步带定义为在频率的增大和减小时失步一刻的频率临界值之差，捕捉带则是失步后再次恢复同步一刻的临界值之差。通过此次实验发现二者的关系是同步带包含捕捉带。实际上，环路闭合后能自动进入锁相状态的输入信号频率最大变化范围的二分之一就是捕捉带，环路能保持锁定的输入信号频率最大变化范围的二分之一就是同步带，捕捉带小于同步带，在实验中也得到了验证。捕捉带和同步带是

18、影响锁相环性能的两个重要参数：前者影响入锁的可靠性，后者决定入锁后相位误差的大小。因此希望实际的锁相环的该两项参数值尽可能大 在实验中我们分别验证了锁相环各跳线开关的功能，从而了解了锁相环的不同状态下的锁定情况，进而熟悉锁相环的工作原理；验证锁相环的工作情况，通过输出的电平来判断锁相环是否处于锁相；用两种不同方法来测量锁相环的频带。有实验结果可以看出同步带和捕捉带有一定的偏差，同步带比捕捉带宽一些。这是应为同步带的测量中在高低频率测量时分别在高低频率点出向外产生误差，总体误差是这两个误差之和。而捕捉带的测量时，在高低频率点各自减小了对频率的误差，从而总体减小误差。综上所述，捕捉带比同步带更加接近锁相环的频带宽度。