实验六.集成锁相环应用实验.ppt

实验六.集成锁相环应用实验,锁相环是一个相位误差控制系统，它比较输入信号和压控振荡器输出的信号之间的相位差，从而产生误差控制电压来调整压控振荡器的频率，以达到与输入信号同频，而保持一个稳定相位差。PLL具有以下特点：锁定时无剩余频差。良好的窄带滤波特性。良好的跟踪特性。易于集成化。锁相环使用时可根据不同用途，设计其工作锁定状态或跟踪状态。,试验任务与要求,实验目的了解锁相环路的工作原理，电路组成及性能特点；掌握锁相环路及其部件性能指标的测试方法；掌握集成锁相环的基本应用。,实验仪器,高频信号发生器QF1055A一台;超高频毫伏表DA22A一台;频率特性测试仪BT3C一台;直流稳压电源HY17112一台;数字示波器TDS210一台.,实验任务与要求,1.实验电路介绍用CD4046构成的10倍频电路，见图1。CD4046为锁相环，74LS90及外围电路组成十分频电路。来自CD4046的4脚压控振荡器输出信号经T210十分频从11脚反馈至鉴相器的引出端3脚，反馈信号与鉴相器的14脚输入信号(标准参考信号)作比较，在环路的同步范围内(锁定状态)，实现倍频作用，即4脚频率是14脚频率的10倍(3脚频率与14脚频率相等)。,实验说明及思路提示,锁相环的组成原理锁相环（PLL）基本组成框图如图6所示。,AGC自动增益控制,AFC自动频率控制,APC自动相位控制,锁定时无剩余频差,良好的窄带滤波特性,图16.频率合成原理图如下：,图7.CD4046原理图如下：,图1.用CD4046构成的十分频电路,2.基本命题VCO特性的测量测试电路见图2，测VCO的foUc关系，UC从0V5V变化，间隔1V，对应测量VCO的输出频率，列表记录并绘成曲线。a：R210K的情况。电源电压为5V，控制电压用另外一路电源产生，用频率计测出相应的频率即可。b：若此时给控制端输入50KHz的方波，观测输出波形。,图2.foVC测试线路图如下：,测量CD4046锁相环的同步带测量电路如图1，去掉分频电路，CD4046的3.4脚短接。VCO的上、下限频率测量。a.把9脚接地，用示波器观察4脚波形，并用频率计测出VCO下限频率。b.把9脚接+5V电源，用示波器观察波形，并测出VCO上限频率。Ui输入正弦信号，其频率fi=100KHz，Vip.p3p-p，用示波器观察4脚波形，并记录其频率。测量环路的同步带,用频率计观察VCO的输出频率f0，调节输入信号频率fi，当f0跟着增加，直至增加到f0不变，测出刚好f0不变时的fi1。然后fi减小，使环路锁定。在继续减小fi，则f0也跟着减小，直至f0不跟随fi变化测出刚好失锁时的fi2，则环路的同步带fH为：fH=(fi2-fi1)/2用CD4046锁相环构成10倍频电路测量电路见图1，加上分频器（10分频）。调整参考信号频率，使其环路处于锁定状态测量参考信号频率fA、VCO的振荡频率fc，分频器输出fB，观察三点的波形并记录。测量10倍频时的同步带，与锁相环路的同步带作比较。,测出5分钟内，环路锁定时的VCO频率稳定度，并与参考信号作比较。用CD4046锁相环作FM波解调用CD4046作调频波解调的优点是：线性好，失真小，且系统具有频率选择性，可以不必设置调谐回路，基本上无须调谐就可组成解调电路。但只能用于调频中频在1MHz左右的调频接收机本实验电路的技术指标是：调频信号中心频率：fo100KHz调制频率：F=3004000Hz调制指数：mf4实验电路如图3.按实验电路连线，输入调频波，用示波器观察解调输出。,图3.CD4046鉴频电路图如下：,3.扩展命题若选用NE562（国产型号L562）器件作实验，可作以下实验内容（实验电路如图4）。该电路利用L562完成鉴频，环路设计时，使环路处于调制跟踪状态，压控振荡器的振荡频率跟踪输入信号频率而变化，由环路滤波器输出端取出调制信号。由于要求环路工作在调制跟踪状态，因此必须设计环路滤波器的带宽，以保证调制信号成分通过。此实验电路在9端经15K电阻接地后取出调制信号，技术指标是：调频信号中心频率fo10MHz调制频率F3004000Hz峰值调制指数mf4,输入的单边相加噪声谱密度：Wi4nW/Hz提示：在解调电路中，根据调频信号的中心频率fo计算定时电容CT，根据调频信号的最大频偏计算环路参数。调整VCO的振荡频率f0=10MHz。观察锁相环路的工作过程，将输入信号fi调在5MHz左右，使锁相环处于锁定和失锁状态，用示波器9端观察波形的变化。测量锁相环路的同步带fH。测量锁相环路的扑捉带fP。输入调频波，用示波器观察解调输出。,图4.调频信号解调电路图如下：,用L562锁相环构成十倍频电路实验电路如图5，实验内容参考基本命题所述。如何判断环路处于锁定状态？你能想出一个简便的指示锁定的方法吗？自行设计一个频率合成器技术指标要求：频率范围：10KHz99KHz频率稳定度：f/f010.5输出幅度：Vp.p3V器材清单：CD4046、74LS00、74LS90、74LS161、晶体1MHz。,图5.锁相倍频电路如下图：,实验报告要求,整理实验数据，做出必要的曲线。对实验结果进行讨论。,鉴相器：是相位比较器。它把输入信号Ui(t)和压控振荡器的输出信号Uo(t)进行比较，产生误差电压Ud(t)。鉴相器完成相位差.电压变换的作用，其输出误差电压是瞬时相位差的函数.环路滤波器：环路滤波器的作用是滤除误差电压Ud(t)中的高频成分和噪声，以保证所要求的性能、增加系统的稳定性。环路滤波器的特性为：压控振荡器：压控振荡器受控制电压Uc(t)的控制，使压控振荡器的频率向输入信号的频率靠拢，也就是使差拍频率越来越小，直至清除频差而锁定。压控振荡器的特性为：或,根据环路的三个基本部件的特性可得到环路的基本方程为：常用单片集成锁相环介绍1.COMS低频数字锁相环的介绍COMS、CD4046锁相环是低频通用单片数字锁相环，最高工作频率为1MHz左右，电源电压为515MHz。当f10KHz时，功耗约0.159mW。CD4046电路在FM调制解调、频率合成、数据同步、FSK调制及电机速度控制方面获得了广泛的应用。,CD4046的工作原理及组成图7是CD4046的原理图。集成单片由两个鉴相器(PDI和PDII）、压控振荡器、源极跟随器和一个5V左右的齐纳二极管等几部分组成。PDI为异或门鉴相器，PDII为数字鉴频鉴相器，它们有公共的信号输入端14端和反馈输入端3端。环路滤波器接在2端或13端，9端是VCO的控制端，定时电容CT接在6、7端。接在11、12端的电阻R1、R2同样可以起到改变振荡频率的作用。12脚外接电阻R2，它用作确定控制电压为0时的最低振荡频率f0max；5脚为VCO的,禁止端1NH，当1NH“1”时，VCO停止振荡，当1NH“0”时，VCO振荡；4脚为VCO的输出，15脚内接齐纳二极管可提供与TTL兼容的电源。锁相环4046外部元件的选择由原理图可知，VCO的特性由外接元件R1、R和C确定。两个比较器可接不同的输入状态选择使用。图8(a).(b).(c)为CD4046中VCO在不同外部参数下的特性曲线，这些曲线可与图9的表配合使用，可用作应用时的设计依据。,图8.VCO在不同外部参数下的特性曲线如下：,图9.PC和VCO外部特性表,续表,2.模拟集成锁相环模拟集成锁相环电路典型的有高频NE560、NE561、NE562（L562）、NE564(L564)及超高频PC1477C等。其中NE564最高工作频率可达50MHz，广泛应用于FM调制解调、载波提取数据同步、倍频、移频等。这里仅以L562为例作简要说明。L562的组成框图见图10，其引脚功能列于图11所给的表中。,图10.L562方框图如下：,图11.L562管脚功能图如下：,鉴相器：采用双平衡模拟乘法器，压控振荡器以3、4端输出的方波电压，经外电路接通，加在2、15端上。输入信号电压ui(t)加到11、12端上（可双端输入，也可单端输入，单端输入时一端必须经过电容接地），产生的差电压从13、14端输出。PD的鉴相特性为：式中:Io为恒流源的电流RL为鉴相器负载电阻Ui为输入信号振幅环路滤波器：根据环路用途的不同，可以从13、14端接入各种形式的滤波器，若环路用于对调频信号的解调，则可分别在13和14端到地串接R1C1网络。构成无源比例积分滤波器。常用滤波器如图12所示，图下面是它们的传递函数。,图12.LF的结构形式图如下：,式中R为13和14端之间的内阻，取值为12K。若VCO工作频率在5MHz以下，一般用a、b两种型式；当工作频率高于5MHz时，可用c、d两种型式。压控振荡器：VCO电路采用的是射极定时多谐振荡器，产生的方波经过射随器由3、4端输出，定时电容CT接在5、6端之间。振荡器的固有振荡频率可由下式计算：式中CT为外接电容，单位为PFVCO微调频率的方法：a.在CT两端并接一个微调电容，改变其容量即,可调整fo，但因其变化范围小，只适用于工作频率高的调整。b.在CT两端并联上电阻R和电源电压EA组成微调电路，连接方法如图13所示。,图13.微调fo电路图如下：,锁相环应用1.利用锁相环实现鉴频：对调频信号的解调，可采用普通鉴频器和锁相鉴频器。若用锁相鉴频器，可得到一些鉴频门限上的改善，因此它很适用于对微弱调频信号的解调。两种鉴频器性能比较见图14，鉴频原理框图见图15。,图14.鉴频性能比较图如下：,图15.锁相环鉴频原理框图如下：,2.利用锁相环路实现频率合成：PLL最重要的应用就是频率合成。所谓频率合成是指用任一指定的基准频率（例如用晶体振荡产生的高频稳定频率基准）经过一些功能电路的作用，产生一系列我们所需要的稳定度与基准频率相当的其它频率信号。利用锁相环实现频率合成的原理框图如图16所示.由图可知，环路锁定后，有frf0。而fr=fs/M，f0=f0/N，故有f0=(N/M)fs。式中M若固定，N程控可变，改变N就可得到不同的输出频率，当N也固定时，则电路就实现了倍频。锁相环的锁相环的应用很多，配合试验测试，以上仅介绍了其中两种典型应用。另,外现在的频率合成也有专用的集成芯片，例如MC145106、MC145152等，这些读者可查询相关资料。锁相环路的测试PLL的测量：锁相环路的测量包括部件和环路整体的测量。由于组成环路部件电路不同，测量方法也就不同。下面以L562为例，简述测量方法。1.环路部件的测量对于具有正弦鉴相特性的鉴相器，其鉴相灵敏度测量框图如图17所示。,图17.鉴相灵敏度测量框图如下：,将输入信号fi调在fof，f一般小于鉴相器自身低通滤波器的截止频率，这样两个信号的相位差t，鉴相器输出电压Ud(t)近似正弦波，示波器y轴代表Ud,X轴代表时间，即代表相位差e，测出Ud(t)的振幅值，则鉴相灵敏度Kd=Udm。VCO控制特性的测量VCO是一个振荡频率受控制电压控制的振荡器，所以用改变控制电压的方法，测出不同控制电压时相应的频率，描绘成曲线，可得到控制特性。由于L562的VCO控制端无引出脚，不便直测，可加一个移相器来间接测量，如18所示。,图18.压控特性测量框图如下：,信号源输出一路直接加到鉴相器，它的输出又经移相器送到鉴相器的另一输入端，改变移相器的相位，测出环路滤波器输出电压Uc，再测出对应点的频率，描绘成foUc曲线，即为VCO的控制特性。2.环路性能测量即环路同步频带fH和捕捉频带fp的测量。同步带是指环路有能力维持锁定的最大起始频差，捕捉带是指环路始于失锁状态，最终有能力自行锁定的最大起始频差，所以关键的问题是怎样判断PLL失锁或锁定，有效的方法是用双踪示波器分别观察鉴相器的两个输入信号。,当锁定时，两个鉴相信号频率严格相等，示波器上有两个清晰稳定的波形；若失锁，则有频差，不可能看到清晰稳定的波形。同步带的测量按图19连线，调节信号源使环路处于良好的锁定状态，在示波器上可以看到清晰稳定的Ui和U0波形。然后，向