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湖 北 大 学物理学与电子技术学院20092010学年度第 二 学期学 生 实 验 报 告 手 册学 生 姓 名： 班 级： 学 号：课 程 名 称： 锁 相 技 术 任 课 老 师： 余 琼 蓉 实 验 报 告 单实验名称： 集成压控振荡器构成的频率调制器 同组人冯阳实验室时间 天气室温湿度气压实验项目：实验目的：1.进一步了解压控振荡器和用它构成频率调制的原理2.掌握集成电路频率调制器的工作原理。实验器材：1. 双踪示波器，60MHz，1台，可用一般示波器。2. 频率计，测量范围10MHz，分辨率1Hz，1台（也可使用示波器）。3. 高频信号发生器，60MHz，1台。4. 电容表，测量范围10pF1F。5. 万用表，MF-47或其他，1块（也可使用示波器）。6. 实验电路板及相应元器件，按电路图配置，1套。实验原理：1、566(VCO的单片集成电路)的电路组成及工作原理566采用的是积分施密特触发器型的压控振荡器，其原理电路如图15.6.1所示，电路由恒流源控制电路(IO)、积分器(T1、T 2、T3、D1、D2、CT) 和施密特触发器三部分组成。施密特触发器的输入输出信号关系如图15.6.2所示。图15.6.1 NE566VCO原理电路图图15.6.3 VCO的波形图15.6.2 施密特触发器电压响应施密特触发器的正向触发电平定义为USP，反向触发电平定义为USM，当电容CT充电使其电压上升至USP，此时施密特触发器翻转，输出为高电平，从而使内部的控制电压形成电路的输出电压，该电压u0为高电平；当电容CT放电时，其电压下降，降至USM时施密特触发器再次翻转，输出为低电平从而使u0也变为低电平。用u0的高、低电平控制三极管T3的通断，也控制了二极管D1、D2即S1和S2两开关的）闭合与断开。u0为低电平时T3截止，T1、T2也截止，二极管D1截止，D2加正端高电位，负极低电位导通，这时I0全部给电容CT充电，使电容上的电位上升，由于I0为恒流源，电容电位线性斜升，升至USP时u0跳变为高电平，u0高电平时控制T3、T1、T2导通，T1的集电极为低电位，T2的集电极也是充放电电容电位为高电位，此时D1导通，D2截止，恒流源I0全部流经D1、T1到T3入地，因T2与T1同时导通，当两管参数对称时，IB1=IB2，IC1=IC2=I0，T2的电流由CT放电电流提供，因此电容电位线性斜降，降至USM时u0跳变为低电平，如此周而复始循环下去。积分电容CT以恒流充放电，故uC为对称的三角波电压，uO输出占空比为50的方波。uC及u0波形如图15.6.3。控制电压uC控制恒流源IO，可以调节充放电电流I0的大小，也就控制了电容的充放电速度，从而改变了振荡信号的频率，达到电压控制频率的目的。VCO的输出频率与控制电压之间的关系可用最典型的调频表达式表示，其中0为载波频率，由一直流电压uC0控制，kf为调制灵敏度。2、566芯片图15.6.4 566(VCO)的框图及管脚排列566芯片的框图及引脚排列如图15.6.4，框图中幅度鉴别器功能由施密特触发器完成。控制电压uC从5端输入。566输出的方波及三角波的载波频率(或称中心频率)可用外加电阻R和外加电容C来确定。其中： R为时基电阻，R连在正电源到6端之间，调节其大小可以改变在相同的控制电压u5情况下恒流源电流的大小。C为时基电容u8 是566管脚至地的电压，它是电压的工作电源电压。u5 是566管脚至地的电压。566芯片的内部实际电路如图15.6.5所示图15.6.5 566(VCO)的内部实际电路3、实验电路说明实验电路见图15.6.6，第7脚对负电源接振荡定时电容C1，第6脚接一可调电阻（R3RW1）到正电源，它与第5脚的控制电压一起确定恒流源I0的大小。三者共同决定输出信号的频率f0实验步骤：1.观察R、C1对频率的影响(其中R=R3+RW1)。按图15.6.6接线，将C1接入566管脚，RW2及C2接至566管脚；接通电源(5V)。调RW2使U5=3.5V，将频率计接至566管脚，改变RW1观察方波输出信号频率，记录当R为最大和最小值时的输出频率。当R分别为Rmax和Rmin及C1=2200pF时，计算这二种情况下的频率，并与实际测量值进行比较。用双踪示波器观察并记录R=Rmin时方波及三角波的输出波形。（根据实验，说明接在566管脚上R的作用，计算当R最大、最小时566的频率，并与实验结果进行比较。）图15.6.6 566构成的调频器2.观察输入电压对输出频率的影响，并计算VCO的调制灵敏度。直流电压控制：先调RW1至最大，然后改变RW2调整输入电压，测当U5在2.2V4.2V变化时输出频率f的变化，U5按0.2V递增。将测得的结果填入表15.6.1。并计算K0的平均值。（整理实验结果，要测量出VCO控制灵敏度的值，画出波形图，说明调频概念。）表15.6.1 566构成的调频器实验记录表U5(V)2.22.42.62.833.23.43.63.844.2f(kHz)78.4974.6369.1263.2855.6748.4039.8131.5022.3813.333.41K0（计算）实 验 报 告 单实验名称：集成电路锁相环(PLL)构成的频率解调器同组人冯阳实验室时间 天气室温湿度气压实验项目：实验目的：1.了解用锁相环构成调频波的解调原理。2.学习掌握集成电路频率调制器/解调器系统的工作原理。实验器材：1. 双踪示波器，60MHz，1台，可用一般示波器。2. 频率计，测量范围10MHz，分辨率1Hz，1台（用数字示波器时可以不需频率计）。3. 高频信号发生器，60MHz，带调频输出，1台。4. 实验电路板及相应元器件，按电路图配置，1套。实验原理：1、锁相环工作的基本原理锁相环的一个相位负反馈控制系统，其组成框图如图15.7.1，由鉴相器，环路滤波器和压控振荡器组成，鉴相器将输入输出信号的相位进行比较，产生一差拍波，经环路滤波器滤除高频分量后，去控制压控振荡器的输出频率和相位。锁相环路的输入输出相位关系可以用动态方程描述，动态方程如下，其中为环路的瞬时相差，为输入信号以VCO的载波相位为参考时的相位。在环路锁定时，输入输出信号的频率相等，瞬时相位差在一个有限值的范围内变化，如果是输入固定频率信号，则相位差为一常量，即这时输出信号相位跟踪输入信号的相位。PLL的闭环频率特性定义为，它呈现低通特性，截止频率为，如果瞬时相位较小时，PLL可近似为一线性系统。图15.7.1 锁相环的组成框图2、锁相环的鉴频原理PLL的鉴频原理可以用图15.7.2表示。首先，设有一角频率为、初相位为i的正弦调制信号u(t)，u(t)= Ucos(t+i) ，用它来调制一个角频率等于0的载波，那么可以得到瞬时角频率为i(t)= 0+KtUcos(t+i)= 0+ cos(t+i)的已调波。式中Ktrad/sV为调制器的灵敏度；=KtU为峰值频偏。已调波的瞬时相位，调频波的完整表达式为。将此信号作为锁相环的输入信号，则输入信号的瞬时相位就是调频波的瞬时相位。其次，当此信号加到PLL时，如果环路工作在调制跟踪状态，即调制信号频率小于锁相环的截止频率n，处于PLL闭环低通特性的通带之内时，锁相环的输出相位2(t)将跟踪输入相位1(t)的瞬时变化，即输出相位。对应的输出电压为uo(t)，这时锁相环路的输出信号是环内压控振荡器的输出电压uo(t)，根据压控振荡器的控制特性，控制电压可写为。现在我们比较一下PLL的VCO的控制信号与FM波调制信号u(t)，可以发现调制两者幅值成比例，相位差了一个相移量ArgH(j)，故可作为u(t)解调输出。图15.7.2 565(PLL)构成的频率解调器图15.7.3 565(PLL)的框图及管脚排列3、PLL单片集成电路565图15.7.3为 565(PLL单片集成电路) 的框图及管脚排列，锁相环内部电路由相位鉴别器、压控振荡器、放大器三部分构成，相位鉴别器由模拟乘法器构成，它有二组输入信号，一组为外部管脚、输入信号e1，其频率为f1；另一组为内部压控振荡器产生信号e2，经脚输出，接至脚送到相位鉴别器，其频率为f2，当f1和f2差别很小时，可用频率差代表两信号之间的相位差，即f1-f2的值使相位鉴别器输出一直流电压，该电压经 脚送至 VCO 的输入端，控制VCO，使其输出信号频率f2发生变化，这一过程不断进行，直至f2=f1为止，这时称为锁相环锁定。实验步骤：实验电路见图15.7.4。图15.7.4 565组成的解调器实验电路1、测量PLL的固有振荡频率环路输入端IN端不接任何信号，用示波器观察VCO输出端信号的波形，并测量输出频率。调RW使其中VCO的输出频率f0(A点：即脚)为50kHz。2、测量PLL的同步带和捕获带在IN端输入一取自信号源来的VPP=1V，频率为5kHz的方波信号，用示波器同时观察输入和输出（A点）的波形，并同时观察两信号的频率。若两信号频率相等，环路锁定，若频率不相等则环路失锁。缓慢加大输入信号频率，密切注视两信号的频率值，当频率从不相等到突然地相等，波形上观察也完全同频（但不一定同相），说明环路已经捕获住了输入信号，记下此频率值f1，再进一步增加输入信号频率，输出频率也同步增加，一直到突然两信号频率不相等，此时环路失锁，记下此频率值f2。同样的方法让输入信号频率从大到小慢慢改变，找到环路的捕获频率点f3和失锁频率点f4。如图15.7.5 PLL的同步带与捕获带。ff3f0f1f2f4图15.7.5 PLL的同步带与捕获带则环路的同步带为。 捕获带为。3.正弦波解调器先按15.4节的实验内容3(1)的要求获得调频方波输出信号(脚)，要求输入的正弦调制信号u为： UP-P=0.8V，f=1kHz ，然后将其接至565锁相环的IN输入端。用双踪示波器观察并记录566的