PLL锁相频电子教案

1、锁相环锁相环PLL原理与应用原理与应用第一部分：锁相环基本原理第一部分：锁相环基本原理 一、锁相环基本组成一、锁相环基本组成 二、鉴相器（二、鉴相器（PD） 三、压控振荡器（三、压控振荡器（VCO） 四、环路滤波器（四、环路滤波器（LPF） 五、固有频率五、固有频率n和阻尼系数和阻尼系数 的物的物 理意义理意义 六、同步带和捕捉带六、同步带和捕捉带第二部分：锁相环实验第二部分：锁相环实验 实验一、实验一、PLL参数测试参数测试 一、压控灵敏度一、压控灵敏度KO的测量的测量 二、鉴相灵敏度二、鉴相灵敏度Kd的测量的测量 三、环路开环增益（三、环路开环增益（KH）的测量）的测量 四、同步带和捕捉带

2、的测量四、同步带和捕捉带的测量 五、五、 n、的测量的测量实验二、实验二、PLL应用实验应用实验 一、PLL频率合成器实验频率合成器实验 二、二、PLL调频（调频（FM）解调）解调 三、锁相式双音多频信号三、锁相式双音多频信号（DTMF）解码器）解码器 四、四、 PLL 数字调谐实验数字调谐实验 五、设计五、设计5 / 6分频器分频器 实验目的实验目的 通过上述实验，使大家对由通过上述实验，使大家对由模拟电路、数字电路组成的模拟电路、数字电路组成的硬件系统的设计、电路的搭硬件系统的设计、电路的搭接、故障的分析判断、故障接、故障的分析判断、故障的排除得到一次锻炼。的排除得到一次锻炼。 第一部分：

3、锁相环基本原理（第一部分：锁相环基本原理（P1） 一、锁相环基本组成一、锁相环基本组成 一个典型的锁相环（一个典型的锁相环（PLL）系统，是由鉴）系统，是由鉴相器（相器（PD），压控荡器（），压控荡器（VCO）和低通滤）和低通滤波器（波器（LPF）三个基本电路组成）三个基本电路组成 VV V V V V VPDLPFVCOUiUoUd = Kd (io) UF = Ud F（s） FOoUKdtd 二鉴相器（二鉴相器（PD） Ud = Kd * Kd 为鉴相灵敏度为鉴相灵敏度 三压控振荡器（三压控振荡器（VCO） （P2） o（t）= om + K0 UF（t） K0VCO控制特性曲线的斜率，

4、常控制特性曲线的斜率，常称为称为VCO的控制灵敏度，或称压控灵的控制灵敏度，或称压控灵敏度。敏度。四、环路滤波器，这里仅讨论四、环路滤波器，这里仅讨论无源比例积分滤波器无源比例积分滤波器 其传递函数为：其传递函数为： 式中：1 = R1 C 2 = R2 C 1)(1)()()(212sssUsUsKiOFR1R2CUiUo 当锁相环处于锁定状态时，当锁相环处于锁定状态时，鉴相器鉴相器（PD）的两输入端一定是两个频率）的两输入端一定是两个频率完全一样但有一定相位差的信号完全一样但有一定相位差的信号。如果它们的频率不同，则在压控振如果它们的频率不同，则在压控振荡器（荡器（VCO）的输入端一定会产

5、生）的输入端一定会产生一个控制信号使压控振荡器的振荡一个控制信号使压控振荡器的振荡频率发生变化，最终使鉴相器（频率发生变化，最终使鉴相器（PD）的两输入信号（一个是锁相环的输的两输入信号（一个是锁相环的输入信号入信号Vi, 一个是压控振荡器的输出一个是压控振荡器的输出信号信号Vo）的频率完全一样，则环路）的频率完全一样，则环路系统处于稳定状态。系统处于稳定状态。五、系统的固有频率五、系统的固有频率n和阻尼系数和阻尼系数 的物理意义的物理意义 （P3） 一个串联电路，当输入端加一一个串联电路，当输入端加一个阶跃电压时，输出端电压变化有三个阶跃电压时，输出端电压变化有三种可能种可能RCLViVo欠

6、阻尼过阻尼临界阻尼tVo当锁相环的输入信号的相位有一个当锁相环的输入信号的相位有一个阶跃跳变时，输出信号相位的变化阶跃跳变时，输出信号相位的变化也有三种情况也有三种情况欠 阻 尼过 阻 尼临 界 阻 尼tQoViVon、就是指欠阻尼振荡时的就是指欠阻尼振荡时的振荡频率和和阻尼系数振荡频率和和阻尼系数六、锁相环的同步和捕捉六、锁相环的同步和捕捉 同步状态：锁相环的输出频率（或同步状态：锁相环的输出频率（或VCO的频率）的频率）o能跟踪输入频率能跟踪输入频率i的工作状态，称为同步状态（或的工作状态，称为同步状态（或锁定状态），在同步状态下，始终锁定状态），在同步状态下，始终有有o = i。这时如果

7、用示波器观。这时如果用示波器观察察Vi与与Vo,即使单路触发，两个波即使单路触发，两个波形都是清晰稳定的。形都是清晰稳定的。 同步带同步带：在锁相环保持同步的：在锁相环保持同步的条件下，输入频率条件下，输入频率i的最大变的最大变化范围，称为同步带宽，用化范围，称为同步带宽，用 H 表示。超出此范围，环路表示。超出此范围，环路则失锁。则失锁。ViVo捕捉带捕捉带 失锁时，失锁时，o i，如果从两个方向，如果从两个方向设法改变设法改变i，使，使i向向o靠拢，进靠拢，进而使而使 o =（io） ，当，当 o小到某一数值时，环路则从失锁进小到某一数值时，环路则从失锁进入锁定状态。这个使入锁定状态。这个

8、使PLL经过频率经过频率牵引最终导致入锁的频率范围称为牵引最终导致入锁的频率范围称为捕捉带捕捉带 p。同步带同步带 H，捕捉带，捕捉带 p 和和VCO 中中心频率心频率o的的 关系关系 0604060406560656V V V V 0656PH-o实验原理及步骤实验原理及步骤 P（4） CD4046原理图原理图 A1PD1PD2VCOA2+-14346711125816213910151UiVCC4046实验一、实验一、PLL参数测试（参数测试（P5） 一、压控灵敏度一、压控灵敏度KO的测量的测量123456789101112131415169V9V10K1M1n1K10K4046数 字 电

9、 压 表频 率 计二、鉴相灵敏度二、鉴相灵敏度Kd的测量。的测量。V V V VPD1LPF324VCO+12V-5V100K100K100K+12V-5VR1R2R3UiUoRw4046A4046B信 号 源三、环路开环增益（三、环路开环增益（KH）的测量）的测量 当鉴相器比较两同相信号时，当鉴相器比较两同相信号时，UF = 0，VC0振荡于振荡于fmin; 当鉴相器比较两反相信号时，当鉴相器比较两反相信号时，UF = VDD，VCO振荡于振荡于fmax 在理想情况下在理想情况下 KH = 2(fmax - fmin) V V VPD1LPFVCOUi1Ui2Uo同步带的测量同步带的测量 调

10、信号源（图调信号源（图11）频率约为）频率约为的中心频率。示波器分别测的中心频率。示波器分别测Ui和和Uo，并以并以Ui作为示波器的触发同步信号，作为示波器的触发同步信号，频率计测频率计测Ui，这时示波器可显示两个，这时示波器可显示两个稳定的波形，即稳定的波形，即Ui和和Uo是锁定的。在是锁定的。在一定范围内缓慢改变信号源频率，可一定范围内缓慢改变信号源频率，可看到两个波形的频率同时变化，且都看到两个波形的频率同时变化，且都保持稳定清晰，这就是跟踪。保持稳定清晰，这就是跟踪。 但当信号源频率远大于（高端）或远小于但当信号源频率远大于（高端）或远小于（低端）的中心频率时，（低端）的中心频率时，U

11、i波波形还保持稳定清晰，但形还保持稳定清晰，但Uo不能保持稳定清不能保持稳定清晰，这就是失锁。记下刚出现失锁时的晰，这就是失锁。记下刚出现失锁时的Ui频率即高端频率频率即高端频率fHH和低端频率和低端频率fHL，则同步，则同步带带fHfHHfHL。由于我们用的是。由于我们用的是PD1，是异或门相鉴器，当，是异或门相鉴器，当Ui和和Uo为分数为分数倍数关系时，也可能出现两个稳定的波形，倍数关系时，也可能出现两个稳定的波形，这种情况应认为是这种情况应认为是“失锁失锁”。只有出现两。只有出现两个同频的稳定波形时才认为是个同频的稳定波形时才认为是“锁定锁定 捕捉带的测量捕捉带的测量 环路失锁后，缓慢改

12、变信号源频率，环路失锁后，缓慢改变信号源频率， 从高端或低端向的中心从高端或低端向的中心频率靠近，当信号源频率分别为频率靠近，当信号源频率分别为fH和和fL时，环路又锁定。则环路捕时，环路又锁定。则环路捕捉带捉带fPfPHfPL。ffPHfH HfPLfH Lfon、的测量的测量 P（8）9V9V9V9VUi100u10K10K1M100K100K5104n7Uf100K100K10K1n1n4046B4046A12345678910111213141516161514131211109876543219VW 110KW 210KA1A2TUiUF 当信号源的频率突然改变当信号源的频率突然改变

13、时（即对应时（即对应Uj方波的前后方波的前后沿），沿），UF都产生一次阻尼都产生一次阻尼振荡。从阻尼振荡波形可振荡。从阻尼振荡波形可测出测出A1、A2、T，并由，并由 A1、A2、T求出求出PLL的的n 和和n、的实际测量波形的实际测量波形A1A2基线T)ln()ln(21221AAAA2212111nT实验二、实验二、PLL应用实验应用实验P（9）V V V V V VPDLPFVCO1/NUiUo 当当PLL处于锁定状处于锁定状态时，态时，PD两个输入两个输入信号的频率一定精信号的频率一定精确相等确相等, 所以可得：所以可得： f0 = N *fi fi为晶振标准信号为晶振标准信号 通过改

14、变分频比通过改变分频比N，便可获得同样精度便可获得同样精度的不同频率信号输的不同频率信号输出出 一、PLL频率合成器实验频率合成器实验 1）1KHZ标准信号源标准信号源用用CMOS与非门和与非门和4M晶体组成晶体组成 4MHz振振荡器。图中荡器。图中Rf 使使F1工作于线性放大工作于线性放大区。晶体的等效电区。晶体的等效电感，感，C1、C2构成构成谐振回路。谐振回路。C1 、C2可利用器件的可利用器件的分布电容不另接。分布电容不另接。F1、F2、F3使用使用CD4069。 V4MHZF3F2F11MRf4MC1C2测量测量 CD4518时序图时序图 根据讲义后面的根据讲义后面的CD4518管脚

15、图管脚图 ,测量并画测量并画出出Q1，Q2、Q3、Q4及及 CP之间的相位关之间的相位关系图系图 (时序图时序图)(BCD码计数器码计数器) 123456789100Q1Q2Q3Q4CP4000分频器制作分频器制作 根据上面测出的根据上面测出的4518的波形图，的波形图，用二片用二片CD4518（共（共4个计数器）个计数器）组成一个组成一个4000分频器，也就是一分频器，也就是一个四分频器，三个十分频器个四分频器，三个十分频器 。 2）用一片）用一片CD4017作分频器组成作分频器组成2-9KHZ频率合成器频率合成器 （P10） 4017（十进制计数分配器）功能测试（十进制计数分配器）功能测试

16、 123456789100CP01229KHZ频率合成器频率合成器 V V VVVX1X2X3X4X5X6X7X8X9247 105169 1115RESET148131431167584161393161KHz404640179V9VUo100K10K47n1n100K晶振3）拨盘开关式）拨盘开关式1999KHZ频率合成器频率合成器 （P10） 单片单片4522分频器分频器 123456789101112131415169V9VCP4218A9V4522100K100K100K100K拨盘开关用三片用三片4522组成组成1999HHZ频率频率合成器合成器 （P11）VV V V1312102

17、 14 1156431 1681248A百位4522VDDVDDVDDVDD4522十位A84218161346511142101213VDDVDD4522个位A842181613465111421012134X100K4X100K4X100K1KHzPD2VCO1431394671158164046100K10K47nOUTVDD10K51P晶振4）健盘置数式）健盘置数式1999KHZ频率合频率合成器成器 （P12） 就是用数字健盘以及一些数字就是用数字健盘以及一些数字IC替代拨盘替代拨盘开关组成开关组成1999KHZ频率合成器。最终频率合成器。最终应做到：当顺序按键盘的任意三个健（如应做到

18、：当顺序按键盘的任意三个健（如5.9.2）时，则输出信号的频率就为）时，则输出信号的频率就为592KHz。置数部分的框图如图置数部分的框图如图 V V V去4522置数端号码脉冲及开门脉冲形成电路控制、引导电路计数、置数电路号码脉冲发生器号码脉冲发生器 根据根据HM9102D资料，请用资料，请用HM9102D自己自己设计一个号码脉冲发生器，要求：设计一个号码脉冲发生器，要求： 1) VDD = 5V； 2) 断续比为断续比为1.5 ：1 3) 号码脉冲输出幅度为号码脉冲输出幅度为0到到9V（注意：（注意：DP输出端是输出端是OC电路，上拉电阻取电路，上拉电阻取100K。另。另外，为安全起见，输

19、出和负载之间应串一外，为安全起见，输出和负载之间应串一个个10K电阻电阻 )开门脉冲和记数脉冲发生器开门脉冲和记数脉冲发生器 为了使后面的控制引导电路能正常工作，为了使后面的控制引导电路能正常工作，还需一种开门脉冲。也就是每按一次键，还需一种开门脉冲。也就是每按一次键，即每输出一列脉冲（不管这一列含有几个即每输出一列脉冲（不管这一列含有几个号码脉冲）就要产生一个开门脉冲。同时号码脉冲）就要产生一个开门脉冲。同时为了使后面的记数电路能正确记数，还应为了使后面的记数电路能正确记数，还应保证保证“先开门后送计数脉冲先开门后送计数脉冲”。也就是要。也就是要求开门脉冲要比送到计数器的号码脉冲超求开门脉冲

20、要比送到计数器的号码脉冲超前一点。所以开门脉冲和号码脉冲的时间前一点。所以开门脉冲和号码脉冲的时间关系应如图关系应如图 开门脉冲和号码脉冲开门脉冲和号码脉冲 V V VVTTHM9102D输出，作单稳的CP 单稳2输出，开门脉冲 单稳1输出，号码脉冲V V V V91024098单稳1单稳2控制引导电路及计数、置数电路控制引导电路及计数、置数电路 V V V V V V V V V V V V V V V V V40174011451845184518TO 4522TO 4522TO 4522100KRRRCPCPCPCP号 码 脉 冲开 门 脉 冲PLL调频（调频（FM）解调）解调 （P15

21、）16151413121110987654321161514131211109876543214046B4046A9V9V9V10K10K1M10K1n1n47n10u100uUiUo1M10K5K110K510P51P100K9V-9V锁相式双音多频信号（锁相式双音多频信号（DTMF）解码器）解码器 双音多频信号（双音多频信号（DTMF） P（16） 低频群低频群L（Hz） 高频群高频群H(Hz)120913361477697123770456852789941*0#每个按纽各由每个按纽各由H和和L中的一个频率组成中的一个频率组成 锁相式双音多频信号（锁相式双音多频信号（DTMF）解）解码器

22、码器 用用5087构成双音多频信号（构成双音多频信号（DTMF）发生）发生器器 （P17）V345141312111234567890*#COL1COL2COL3ROW1ROW2ROW3ROW4781661VDD(5V)3.58MHz5K11KDTMF5087用用LM567进行单一频率检测电路进行单一频率检测电路（P18） 如如567的中心频率的中心频率(由由5,6脚外围的脚外围的R,C决定决定)为为fo , 当当Vin中包含有中包含有fo成分时，则成分时，则8脚输出脚输出低电平，否则高电平低电平，否则高电平 。 356218475V5VVin1035K110K1041u10u10K5671组

23、组DTMF信号解码器（信号解码器（P18） 240011209Hz697HzDTMFOUT5V+356218475V5VVin1035K110K1041u10u10K56756710K10u1u10410K10K103Vin5V5V74812653当输入信号同时包含两个频率当输入信号同时包含两个频率(697,1209)时，时，可输出或逻辑可输出或逻辑“0”。 6组组DTMF信号信号解码器（解码器（P19） （如用（如用7个个LM567和和12个或非门则个或非门则可解调可解调12组组DTMF信号。）信号。） 356218475V5V10310K10K1041u10u10K69777010K10u

24、1u10410K10K1035V5V74812653120910K10u1u10410K5K11035V5V74812653133610K10u1u10410K5K11035V5V74812653147710K10u1u10410K5K11035V5V74812653+123456DTMFPLL 数字调谐实验（数字调谐实验（P20） 现代的接收机（如电视机、收现代的接收机（如电视机、收音机）大多采用超外差接收方音机）大多采用超外差接收方式。如要接收的信号的载波频式。如要接收的信号的载波频率为率为fC，则接收机要产生一个，则接收机要产生一个本振信号，其频率本振信号，其频率fL=fC+fI，其，其

25、中中fI为中频。为中频。 在模拟调谐方式中，本振信在模拟调谐方式中，本振信号一般是由号一般是由LC振荡回路产生振荡回路产生的。调谐（调台）时，一般的。调谐（调台）时，一般是用改变是用改变LC振荡回路中电容振荡回路中电容的容量（如改变变容二极管的容量（如改变变容二极管的反向偏压），来改变本振的反向偏压），来改变本振信号的频率，从而达到选台信号的频率，从而达到选台的目的的目的 在数字调谐在数字调谐(频率合成频率合成)方式中，方式中，本振信号则是用锁相环的方法本振信号则是用锁相环的方法来产生。即由晶振电路产生频来产生。即由晶振电路产生频率高稳定的标准信号，再用锁率高稳定的标准信号，再用锁相环倍频的方

26、法产生本振信号，相环倍频的方法产生本振信号，通过改变锁相环反馈回路分频通过改变锁相环反馈回路分频比的方法来改变本振信号频率比的方法来改变本振信号频率， 就象前面实验中用一片就象前面实验中用一片4046和三片和三片4522以及以及1KHz标准标准信号就可获得信号就可获得1999KHz信信号一样。要获得某一准确的号一样。要获得某一准确的本振频率，只要在本振频率，只要在4522的置的置数端置入相应的数值（数端置入相应的数值（BCD码）即可。码）即可。 所以数字调谐的关键就是解决如何所以数字调谐的关键就是解决如何置数的问题。在这个实验中我们是置数的问题。在这个实验中我们是用键盘通过用键盘通过DTMF编

27、解码的方法来编解码的方法来置数。最终应做到：如要接收某一置数。最终应做到：如要接收某一载波信号（如载波信号（如fC=345KHz）,则只则只要在键盘上按该载波的数值（即要在键盘上按该载波的数值（即3，4，5三个键），就可得到三个键），就可得到fL=fC+fI=345+455=800 KHz的本的本振信号。（这里中频振信号。（这里中频fI为为455 KHz）。）。 最后信号发生器输出的载波最后信号发生器输出的载波信号信号(345KHz正弦波正弦波)和本振和本振信号（信号（4046的的4脚输出的脚输出的800 KHz方波）经混频滤波后应方波）经混频滤波后应得到得到455 KHz的中频信号的中频信号

28、（用示波器观察）。（用示波器观察）。置数电路方框图置数电路方框图 V V V V V V V V V V V V V V V V V V50878870401774LS1754560456074LS175456074LS175DTMFBCDDoDQADDQQAABBBSSSTO 4522TO 4522TO 4522CPCPCPY1Y2Y3CIDCPDTMF 编 码DTMF 解 码位选择个 位 锁 存十 位 锁 存百 位 锁 存 加 法 器（个位） 加 法 器（十 位） 加 法 器（百位）CoCICICo 键盘和键盘和5087（或（或HM9102D）组成）组成DTMF编码电路。编码电路。 MT8

29、870是是DTMF解码电路。当输解码电路。当输入某个入某个DTMF编码信号（即按键盘编码信号（即按键盘的某个键）时，的某个键）时，8870的数据输出的数据输出端端D01-D04就输出相应的二进码，就输出相应的二进码，同时其同时其15脚（脚（CID）输出高电平。）输出高电平。即每按一次键，即每按一次键，CID就输出一个正就输出一个正脉冲可作为百、十、个位选择电路脉冲可作为百、十、个位选择电路的的CP信号。信号。 4017为百、十、个位选择电为百、十、个位选择电路，作用是按第一次键时，路，作用是按第一次键时，8870的的D01-D04输出的输出的BCD码应锁存到码应锁存到“百百”位的锁存位的锁存器

30、，二、三次则分别为器，二、三次则分别为“十十”、“个个”位。位。 三片三片74LS175（或（或CD40175）分别为）分别为“百百”、“十十”、“个个”位锁存器。每片位锁存器。每片74LS175含有含有4个个D触发器（触发器（D1D4），分），分别对应别对应BCD码的码的1，2，4，8位。三片的位。三片的D1端应都接到端应都接到MT 8870的的D01输出端，输出端，D2、D3、D4也类似。也类似。4017的的“1”、“2”、“3”输出端（即输出端（即2、4、7脚）的输出信号分别作脚）的输出信号分别作为三片为三片74LS175的的CP信号。这样，当对信号。这样，当对4017清零后，清零后，8

31、870再顺序输出三个数字再顺序输出三个数字（如：（如：3，4，5），则相应的二进码（），则相应的二进码（0011，0100，0101）就锁存在三片）就锁存在三片74LS175的输的输出端。出端。 三片三片74LS175的输出信号（如：的输出信号（如：3，4，5）输入到加法器（三片输入到加法器（三片4560）A输入端，和输入端，和固定中频数值固定中频数值455（由（由B输入端输入）相加输入端输入）相加后的和的数值（如：后的和的数值（如：8，0，0）就作为）就作为4522的置数信号。即这时锁相环输出的是的置数信号。即这时锁相环输出的是800KHz的方波，作为本振信号。的方波，作为本振信号。 根据上

32、述工作原理、方框图以根据上述工作原理、方框图以及附录及附录1，自己设计、搭接具体自己设计、搭接具体电路电路。要求当信号发生器输出。要求当信号发生器输出123KHz的正弦波（即的正弦波（即Us）时，）时，如顺序按如顺序按“1”、“2”、“3”三三键，则用示波器可看到键，则用示波器可看到455KHz的中频信号的中频信号UI，而且要求，而且要求“上上电清零电清零”。混频电路（混频电路（MC1496）（）（P21） 输入信号输入信号Us的幅度为的幅度为15mV ,本振信号本振信号UL为为TTL电平。电平。 IUSULU-5V+5V10310351p1433K5K110K5151123456810121K1K5110KMC1496455KHzLCW混频电路（混频电路（MC1496）调试步骤）调试步骤(1)455KHz谐振回路调整谐振回路调整Us开路，电位器开路，电位器W旋到任一极端位置，示旋到任一极端位置，示波器探头（波器探头（X10档）测档）测1496（12）脚，）脚，UL为为200mVp-p的的455KHz附近的正弦信附近的正弦信号，微调号，微调UL的频率，观察的频率，观察LC回路的选频回路的选频作用，其中心频率应为作用，其中心频率应为455K