实验八-模拟锁相环应用实验

1实验报告实验名称模拟锁相环应用实验成绩姓名马晓恬专业班级电信081实验日期学号08103040142指导教师刘富强提交报告日期12.19一、实验目的1、掌握模拟锁相环的组成及工作原理。2、学习用集成锁相环构成锁相解调电路。3、学习用集成锁相环构成锁相倍频电路。二、实验内容1、完成锁相环解调实验，观察输出端解调波形。2、完成锁相环倍频实验，观察输出端波形，并测量其频率。三、实验仪器20MHz双踪模拟示波器一台四、实验原理1、锁相环路的基本组成锁相环是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路，但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之后，虽然有剩余相位误差存在，但频率误差可以降低到零，从而实现无频差的频率跟踪和相位跟踪。锁相环由三部分组成，如图8-1所示。Vi(t)V0(t)Vd(t)Vc(t)图8-1锁相环组成方框图它包含压控振荡器（VCO），鉴相器（pd）和环路滤波器（LF）三个基本部件，三者组成一个闭合环路，输入信号为iVt，输出信号为0Vt，反馈至输入端。下面逐一说明基本部件的作用。（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，故称为压控振荡器，也就是一个电压一频率变换器，实际上还有一种电流一频率变换器，但习惯上仍称为压控振荡器。（2）鉴相器（PD）鉴相器PD环路滤波器LF压控振荡器VCO2PD是一相位比较装置，用来检测输出信号0Vt与输入信号iVt之间的相位差et，并把et转化为电压dVt输出，dVt称为误差电压，通常dVt为一直流量或一低频交流量。（3）环路滤波器（LF）LF为一低通滤波电路，其作用是滤除因PD的非线性而在dVt中产生的无用的组合频率分量及干扰，产生一个只反映et大小的控制信号cVt。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0Vt与iVt的相位差et，发生变化，该相位差经过PD转换成误差电压dVt，此误差电压经LF滤波后得到cVt，由cVt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deVtt因此在锁定状态，et不可能为0，换言之在锁定状态0Vt与iVt仍存在相位差。2、锁相环路的两种调节过程锁相环路有两种不同的自动调节过程：一是跟踪过程，二是捕捉过程。（1）环路的跟踪过程在环路锁定之后，若输入信号频率发生变化，产生了瞬时频差，从而使瞬时相位差发生变化，则环路将及时调节误差电压去控制VCO，使VCO输出信号频率随之变化，即产生新的控制频差，VCO输出频率及时跟踪输入信号频率，当控制频差等于固有频差时，瞬时频差再次为零，继续维持锁定，这就是跟踪过程，在锁定后能够继续维持锁定所允许的最大固有角频差1mw的两倍称为跟踪带或同步带。（2）环路的捕捉过程环路由失锁状态进入锁定状态的过程称为捕捉过程。设0t时环路开始闭合，此前输入信号角频率iw不等于VCO输出振荡角频率yow（因控制电压0cu），环路处于失锁状态。假定iw是一定值，二者有一瞬时角频差1iyo，瞬时相位差1w随时间线性增大，因此鉴相器输出误差电压1sineUtkbwt将是一个周期为12/w的正弦函数，称为正弦差拍电压。所谓差拍电压是指其角频率（此处是1w）为两个角频率（此处是iw与yow）的差值，角频差1w的数值大小不同，环路的工作情况也不同。若1w较小，处于环路滤波器的通频带内，则差拍误差电压eut能顺利通过环路滤波3器加到VCO上，控制VCO的振荡频率，使其随差拍电压的变化而变化，所以VCO输出是一个调频波，即ywt将在yow上下摆动。由于1w较小，所以ywt很容易摆动到iw，环路进入锁定状态，鉴相器将输出一个与稳态相位差对应的直流电压，维持环路动态平衡。若瞬时角频差1w数值较大，则差拍电压eut的频率较高，它的幅度在经过环路滤波器时可能受到一些衰减，这样VCO的输出振荡角频率ywt上下摆动的范围也将减小一些，故需要多次摆动才能靠近输入角频率iwt，即捕捉过程需要许多个差拍周期才能完成，因此捕捉时间较长，若1w太大，将无法捕捉到，环路一直处于失锁状态。能够由失锁进入锁定所允许的最大固有角频差1mw的两倍称为环路的捕捉带。3、集成锁相环NE564介绍及应用（1）在本实验中，所使用的锁相环为NE564（国产型号为L564）是一种工作频率可高达50MHz的超高频集成锁相环。其内部框图和脚管定义如图8-2。其内部电路原理图如图8-3。ａ、在图8-2（a）中，A1（LIMITER）为限幅放大器，它主要由原理图中的Q1～Q5及Q8，Q7组成。Q1～Q5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20.3~0.4DVv左右。因此可有效消除FM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。(a)NE564内部框图4(b)NE564管脚分布图图8-2锁相环内部框图和引脚图ｂ、鉴相PD（PHASECOMPARATOR）采用普通双差分模拟相乘器，由压控振荡器反馈过来的信号从外部由③端输入。另外由②端去改变双差分电路的偏置电流，控制鉴相器增益，从而实现环路增益控制。图8-3锁相环内部电路原理图ｃ、压控振荡器VCONE564的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⑿，⒀端外接定时电容tC，Q21，Q24两射极分别经电阻22R，23R接电源Q27，Q25。Q26也为电流源。Q17，Q18为控制信号输入缓冲级。接通电源，Q21，5Q22与Q23，Q24双双轮流导通与截止，电容tC周期地充电与放电，于是Q22，Q23集电极输出极性相反的方波脉冲。根据特定设计，固有振荡频率为tCRf200161其中20100R0f为VCO振荡频率ｄ、输出放大器A2（AMPLIFIER）与直流恢复电路A2与直流恢复电路是专为解调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端输入，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1f与2f之间周期性跳变的信号，则鉴相器的输出电压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Q42基极，由于Q43集电极通过⒁端外接一滤波电容，故直流恢复电路的输出电压就是一个平均值——直流。这个直流电压REFV再送施密特触发器另一输入端就作为基准电压。若环路的输入为FM信号，那么在锁定状态，⒁端的电压就是FM解调信号。ｅ、施密特触发器（POSTDETECTIONPROCESSOR）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电压基准REFV（经26R到Q49基极）与被A2放大了的误差电压dmVm分别送入Q49和Q50的基极，dmV与REFV进行比较，当dmREFVV时，则Q50导通，Q49截止，从而迫使Q54截止，Q55导通，于是⒃端输出低电平。当dmREFVV时，Q49导通Q50截止，从而迫使Q54导通Q55截止，⒃端输出高电平。通过⒂端改变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HV。调节HV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⒁端滤波电容不能太大。NE564的主要参数如下：NE564的最高工作频率为50MHz，最大锁定范围达012%f，输入阻抗大于50k，电源工作电压5～12V，典型工作电压为5V，典型工作电流为60mA，最大允许功耗为40mV；在频偏为±10%，中心频率为5MHz时，解调输出电压可达140ppmV。输入信号为有效值大于或等于200RmsmV。（2）NE564基本应用电路（实验原理图）如附图G5其中IC71及其外围器件组成FM锁相解调电路，IC31和IC32组成锁相倍频电路。在锁相解调电路中，信号从第6脚经交流耦合输入，2脚作为压控振荡器增益控制端，612脚和13脚外接定时电容，使振荡在10.7MHz上，从14脚输出调制信号经运算放大器IC72放大后输出。在锁相倍频中，74LS393为分频器，它由两个完全相同单元组成（IC32A，IC32B），分别可以进行2分频，4分频，8分频，16分频，如果将IC32A中的16分频输出与IC32B中的时钟输入端相接则IC32B可以组成32分频，64分频，128分频，256分频。在本实验中参考信号为50RfKHz,进行16、32、64、128倍频。NE564的VCO振荡输出信号（从9脚输出）经3W与5R分压（74LS393输入信号不能大于2.4V）由74LS393的1脚输入，分频后由NE564的3脚输入，简单的框图如图8-4。参考输入fR66391图8-4锁相倍频框图由NE564的3脚输入的分频信号与从NE564的6脚输入的参考信号进行鉴频，输出误差电压控制VCO，最终使VCO输出0RfNf的频率，达到倍频目的。在锁相分频电路中，NE564的2脚为增益控制端，调节W31可改变同步带大小。NE564的12脚和13脚跨接定时电容C，C值由下列算式确定。RCf1610其中100R则0161RfC则当0800fKHz时780CPF（16倍频）01.6fKHz时390CPF（32倍频）03.2fKHz时195CPF（64倍频）06.4fKHz时100CPF（128倍频）在实际电路中，由于分布电容的存在应比计算值偏小。五、实验内容1、锁相解调实验原理图如附图G4，按下开关，K71，用10.7MHz的调频信号进行解调电路实验，从IN71处输入调频信号（调频信号由高频信号源单元提供，参考高频信号源和低频信号源的使用，载波信号大小为Vp-p=500mV左右,调制信号大小为VΩp-p=1V左右，频率为1KHz）。从TT71输出0RfNfNE56474LS393÷N7观察输出波形，微调CC70使VCO锁定在10.7MHz，调节W71使输出波形不失真，幅度最大。观察调制信号频率大小（改变WD6）与调制频偏大小（改变WD2）对输出信号的影响(当频率计工作时，输出的解调信号可能会有抖动现象)。2、锁相倍频实验如附图G4（下图由IC31，IC32组成）。锁相环的外挂电容，根据所需输出频率的大小，由J31~J37选择。以下提供的仅作为参考。根据实际情况进行调整。由IN31输入50KHz的纯载波（为正弦波信号，信号大小约Vp-p=2V，此信号由低频信号源部分提供，方法参见低频信号源的使用），作为参考信号。（1）连接J38进行16倍频实验，根据计算的Ct值，通过连接J31，J32、J33等容值的电容（参考连接为J31、J32），改变Ct的大小使输出信号锁定到输入信号上（锁定时TT32和IN31的频率一样），此时从TT31处测得的信号频率为16X50KHz=800KHz（74LS393的1脚输入信号保持在2.4V左右）。调节的方法为：用双踪示波器同时在IN31和TT32处观察输入信号和分频信号，调节Ct的大小（如果TT32的波形频率比IN31的高，即周期大则应将电容值减小，否则增大），当两信号同频时即锁定输出800KHz的信号。（2）连接J39进行32倍频实验（参考连接为J32、J33，TT31处的频率为32X50=1.6MHz）；连接J310进行64倍频实验（参考连接为J33、J34，TT31处的频率为64X50=3.2MHz），连接J311进