锁相技术原理与应用实验指导书

1、实验一锁相环单元实验一、实验目的1、掌握通用单片集成锁相环LM565 的工作原理和应用。2、了解锁相环 LM565 参数的计算方法。二、实验仪器1、EE1642B 型函数信号发生器 /计数器1 台2、6504 双踪示波器1 台 锁相技术实验箱三、实验原理和电路说明1、芯片简介LM565 是一块工作频率低于1MHz 的通用单片集成锁相环路，其组成方框图如图 1-1 所示。引脚框图如图1-2 所示。它包含鉴相器、压控振?y ?VCC?D ?o ?ê?è2D? o? ?ê?è3à·?ê?è5VCOê? ?341

2、0CR7? ?à ?÷?· ó ?÷a? ÷ ?ê?362? ? ? ?1?1 ? ? ÷?891?¨ê±?×è?¨ ê±?YèRTC TVCCo? ?-VCC图 1-1 LM565CN 方框图荡器和放大器三部分。鉴相器为双平衡模拟相乘电路，压控振荡器为积分施密特电路。输入信号加在 2、3 端， 7 端外接电容器 C 与放大器的集电极电阻 R （典型值为 3.6K）组成环路滤波器。由 7 端输出的误差电压在内1部直接加到压控振

3、荡器的控制端。 6 端提供了一个参考电压，其标称值与 7 端相同。 6、7 端可以一起作为后接差动放大器的偏置。压控振荡器的定?o ? ?D? o? ê? è?D? o? ê? è?VCOê? ?3· à? ê? è?2? ? ? ?1?a ÷ ê? 3?114NC213NC312NC4LM565CN11NC510y? ? ?69?¨ ±ê ? Yè78?¨ ±ê ? è×图 1-2 LM565C

4、N 引脚图时电阻 RT 接在 8 端，定时电容 CT 接在 9 端，振荡信号从 4 端输出。压控振荡器的输出端 4 与鉴相器反馈输入端 5 是断开的，允许插入分频器来做频率合成器。对 LM565 而言，压控振荡器振荡频率可近似表示为：1.2f4RTCT压控灵敏度为：50 fK 0EC式中 EC 是电源电压（双向馈电时则为总电压） 。鉴相灵敏度为：Kd放大器增益为：1.4A1.4LM565 工作频率范围为 0.001Hz500KHz，电源电压为± 6± 12V，鉴频失真低于 0.2%，最大锁定范围为± 60%f ，输入电阻为 10K，典型工作电流为 8mA。主要用于

5、 FSK解调、单音解码、宽带 FM解调、数据同步、倍频与分频等方面。2、实验电路2锁相环单元电路如图1-3 所示。其中频率粗调波段开关控制锁相环的频率粗调，分为三个频段。频率细调电位器调节各个频段的细调范围。带宽选择确定环路滤波器的带宽。 滤波器可选择比例积分滤波器或RC滤波器。锁相环面板布局图参考附录一。R2? ?ê?÷+12VE1R110KR11E2C94.7uF10KR3R42.2K100uF 0.01uF4.7K4.7KU110C13R522K0.01uF82?ê?3?D?o?ê?è?·à ?ê?è

6、;?5LM565CN7R8?a÷ê ?3?C6C24680VCOê?3?15100P0.01uF10pFVCO? ?êê ?3?6R7?ê?3?680èy?2 ¨ê ?3?9K41 ±èà y?y ·? ?ê ?÷K2-12K1?2¨ê ?è?3 RC?y·?C5C7C8R6R9R10K2-2300P2.2K8220?í?120P62PC3C4E30.022uF3uF100uF图 1-3锁相环单元

7、实验电路图五、实验内容与步骤一、压控振荡器频段的测试：1、打开锁相环单元实验模块的电源开关。2、将“信号输入”和“反馈输入”端接地。3、将频率粗调打在“ 1”频段，用频率计测量“VCO 频率输出”端的频率，调节“频率细调”电位器测出最高频率和最低频率。将得到的数据填入下表。3频率粗调典型数据频段最低频率（ KHz ）最高频率（ KHz ）1153.85KHZ250KHZ2250KHZ363.64KHZ3333.33KHZ476.19KHZ二、压控振荡器两种输出信号的观察：用双踪示波器分别观察“VCO 输出”端和“三角波输出”端的波形。并画出对应的波形图。 “三角波输出” 和“ VCO 输出”的

8、频率是由误差电压控制的，与鉴相器、放大器等构成基本锁相环电路（注：由于示波器探头存在电阻和电容，因此会影响压控振荡器的输出频率）。三、滤波器带宽的测试：1、将 K101 中的 1、3 用短路帽短接（正常工作时1、2 短接）。2、从“滤波输入”端输入音频正弦信号，在“控制输出”端观察输出波形，并根据滤波器带宽的定义，分别测出两种滤波器的带宽，将得到的数据填入下表。带宽选择滤波器类型RC 滤波比例积分滤波宽102.56HZ100HZ中105.26HZ100HZ窄100HZ100HZ五、实验报告1、整理实验数据，画出相应的数据表格和波形图。2、锁相环由哪些部分组成？各部分的作用是什么？答： 1、实验

9、数据整理如上两个表格，波形图如下：4VCO 输出三角波输出2、锁相环由鉴相器 （ PD）、环路滤波器 (LF) 和电压控制振荡器 (VCO) 三个基本部件组成，鉴相器是一个相位比较装置，用来检测输入信号与反馈信号相位之间的相位差；环路滤波器具有低通特性，可以起到低通滤波器的作用，更重要的是它对环路参数调整起着决定性的作用；压控振荡器是一个电压频率变换装置，在环中作为被控振荡器，它的振荡频率应随输入控制电压线性地变化。5实验二环路部件特性测试实验一、实验目的1、掌握锁相环路部件特性的测试方法。2、加深对鉴相器、环路滤波器以及压控振荡器等部件的理解。二、实验仪器1、EE1642B 型函数信号发生器

10、 /计数器1 台2、6504 双踪示波器1 台 锁相技术实验箱三、实验原理和电路说明一、基本原理锁相环是一个相位的负反馈控制系统。这个负反馈控制系统是由鉴相器（PD）、环路滤波器（ LF）和压控振荡器（ VCO ）三个基本部件组成，基本构成如图 5-1。实验应用中有各种形式的环路，但它们都是由这个基本环路演变而来的。下面逐个介绍基本部件在环路中的作用。PLL1(t)ud(t)2(t)uc(t)P DL FVCO图 5-1锁相环路的基本构成1、鉴相器鉴相器是一个相位比较装置，用来检测输入信号相位1(t ) 与反馈信号相位 2(t) 之间的相位差e(t ) 。输出的误差信号 ud (t) 是相差

11、e(t ) 的函数，即ud (t)fe(t )鉴相特性 fe(t )可以是多种多样的，有正弦形特性、三角形特性、锯齿形特性等等。常用的正弦鉴相器可用模拟相乘器与低通滤波器的串接作为模6型，如图 5-2 所示。ui (t)L P Fud (t)uo (t)图 5-2正弦鉴相器模型设相乘器的相乘系数为Km 单位为1/V ，输入信号 ui(t ) 与反馈信号u0(t ) 经相乘作用Kmui(t)u0 (t )KmUi sin01(t ) U o cos02 (t )KUU0sin 20t(t)2(t)1 mi121 KmU iU 0 sin1(t )2(t )2经过低通滤波器（ LPF）滤除 2 0

12、成分之后，得到误差电压ud (t )11(t )2 (t )KmU iU 0 sin2令U d1 KmU iU 02为鉴相器的最大输出电压，则ud (t )Ud sine(t )这就是正弦鉴相特性，如图5-3 。ud(t)-360-270-180-9090180270360e(t)图 5-3正弦鉴相特性7鉴相器的电路是多种多样的，总得可以分为两大类： 第一类是相乘器电路，它是对输入信号波形与输出信号波形的乘积进行平均，从而获得直流的误差输出，如上面分析所述。第二类是序列电路，它的输出电压是输入信号过零点与反馈电压过零点之间时间差的函数。因此这类鉴相器的输出只与波形的边沿有关，与其它是无关的。这

13、类鉴相器适用于方波（也可以用正弦波通过限幅得到）输入，通常用数字电路构成。2、环路滤波器环路滤波器具有低通特性，它可以起到图 5-2 中低通滤波器的作用， 更重要的是它对环路参数调整起着决定性的作用。环路滤波器是一个线性电路，在时域分析中可用一个传输算子 F ( p) 来表示，其中 p( d dt ) 是微分算子；在频域分析中可用传递函数 F ( s) 表示，其中 s(a j ) 是复频率；若用s j 代入 F (s) 就得到它的频率响应 F ( j ) ，故环路滤波器模型可表示为图 5-4。常用的环路滤波器有RC积分滤波器、无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器三种，现分别说明如下。u d(

14、t)uc(t)ud(s)uc(s)F(P)F(s)图 5-4环路滤波器的模型、 RC积分滤波器这是结构最简单的低通滤波器，电路构成如图5-5 ，其传输算子F ( p)1）（5-11p 1式中1RC 是时间常数，这是这种滤波器唯一可调的参数。RCuiuO8图 5-5 RC 积分滤波器电路组成令 p j ，并代入（ 5-1 ）式，即可得到滤波器的频率特性1F (t)20lg F(j )/dB1 j10-3-6dB/ ±? ? ì3o¨? yê?ì ?è?( )0¨? yê?ì ?è?-45-90图

15、5-6RC 积分滤波器的对数频率特性作为对数频率特性，如图 5-6 。可见，它具有低通特性，且相位滞后。当频率很高时，幅度趋于零，相位滞后接近于2 。、无源比例积分滤波器无源比例积分滤波器如图 5-7 所示，它与 RC 积分滤波器相比，附加了一个与电容器相串联的电阻 R2 ，这样就增加了一个可调参数，它的传输算子为：12 p（5-2）F ( p)1 p1式中 1( R1 R2)C ； 2 R2 C 。这是两个独立可调的参数，其频率响应为：1jF ( j)1j21R 2CI 2R1-Au iuauO9图 5-7无源比例积分滤波器电路组成据此可作出对数频率特性，如图5-8 所示。这也是一个低通滤波

16、器，与RC 积分滤波器不同的是，当频率很高时F ( j)R2R1R2等于电阻的分压比，这就是滤波器的比例作用。从相频特性上看，当频率很高时有相位超前校正的作用，这是由相位超前因子 1j2 引起的。这个相位超前作用对改善环路的稳定性是有用的。20lg F(j ) /dB20lg21lg0-3-6dB/ ?± ?3ì21211¨? yê?ì?è?o( )2011¨? yê?ì?è?-45112arctg122 12-90图 5-8 无源比例积分滤波器的对数频率特性有源比例积分滤波器有源比例积分滤波器

17、由运算放大器组成， 电路如图 5-9 所示，它的传输算子F ( p)1p 2Ap 11式中 1(R1AR1 R2)C ； 2 R2C 。A 是运算放大器无反馈时的电压增益。若运算放大器的增益 A 很高，则F ( p)A1p21p1101p 2A1pAR1C1p 2ApAR1C1p 2pR1CR 2CI 2R 1-Au iu auO图 5-9有源比例积分滤波器电路组成式中负号表示滤波器输出和输入电压之间相位相反。假如环路原来工作在鉴相特性的正斜率处，那么加入有源比例积分滤波器之后就自动地工作到鉴相特性的负斜率处，其负号与有源比例积分滤波器的负号相抵消。因此，这个负号对环路的工作没有影响，分析时可

18、以不予考虑。故传输算子可以近似为1p2（5-3 ）F ( p)p 1式中 1R1C 。（5-3 ）式传输算子的分母中只有一个p ，是一个积分因子，故高增益的有源比例积分滤波器又称为理想积分滤波器。显然， A 越大就越接近理想积分滤波器。此滤波器的频率响应为1j2F ( j )j1其对数频率特性见图1-10 。可见它具有低通特性和比例作用，相频特性也有超前校正。严格说来，在频率极低的情况下，近似条件11 不能成立，上述近似特性也就不适宜了。在有些场合，例如分析稳定性时，应加以注意。1120lg F(j ) /dB20lg220121lg21o( )0-6dB/ ±?ì3

19、68;? yê?ì?è?1¨? yê?ì?è?2-45-90图 5-10有源比例积分滤波器的对数频率特性3、压控振荡器压控振荡器是一个电压频率变换装置， 在环中作为被控振荡器， 它的振荡频率应随输入控制电压 uc(t) 线性地变化，即应有变换关系v(t )0K 0 uc(t )（5-4 ）式中v(t ) 是压控振荡器的瞬时角频率；K 0 为控制灵敏度或称增益系数，单位是rad/s ·v 。实际应用中的压控振荡器的控制特性只有有限的线性控制范围，超出这个范围之后控制灵敏度将下降。图5-11 中的实线为一条实际压控振荡

20、器的控制特性，虚线为符合（ 5-4 ）式的线性控制特性。由图可见，在以0 为中心的一个区域内，两者是吻合的，故在环路分析中我们就用（5-4 ）式作为压控振荡器的控制特性。由于压控振荡器的输出反馈到鉴相器上，对鉴相器输出误差电压ud (t )起作用的不是其频率，而是其相位ttv( )d0t K 0 0uc( )d0即12t2 (t )K 0 uc( ) d0改写成算子形式为2 (t )K0uc(t )p锁相环路中要求压控振荡器输出的是相位，因此，这个积分作用是压控振荡器所固有的。正因为这样，通常称压控振荡器是锁相环路中的固有积分环节。这个积分作用在环路中起着相当重要的作用。w iw00uc图 5

21、-11压控振荡器的控制特性压控振荡器电路的形式很多，常用的有 LC 压控振荡器、晶体振荡器、负阻压控振荡器和 RC 压控振荡器等几种。 前两种振荡器的频率控制都是用变容管来实现的。由于变容二极管结电容与控制电压之间具有非线性的关系，所以压控振荡器的控制特性肯定也是非线性的。为了改善压控特性的线性性能，在电路上采取一些措施，如与线性电容串接或并接，以背对背或面对面方式连接等等。二、实验框图ê? 2¨ ?÷Y1Y2P DL FD? o? ?ê ?èEE1641B· ?à ?ê?èV C O?ò ?&

22、#224; ?÷? ? ê? ?3±? ÷á êy ×?2 ? ê? ?3? ?1±íVCOê? 3? ?ê ?13图 5-12环路部件特性测试实验框图1、测量鉴相特性 Ud e鉴相器（ PD）的作用是比较两个输入信号的相位，并将相位差转换为误差电压 ud (t) 。LM565 的 PD 采用双平衡乘法器。误差电压：ud (t)U d s i n eU d1Km 为相乘系数Kmuiu02鉴相特性为正弦波特性。特性如图5-13 所示。U d0901802703600e图 5-1

23、3 鉴相特性曲线鉴相灵敏度 Kd 在数值上等于误差电压峰值 Ud 。测试原理图如图 5-12 所示，高频信号源提供 200400KHz 信号，一路送至 PD 信号输入端，另一路经0° 360°移相后加至反馈输入端。两个信号相位差可用双踪示波器读取（也可用李沙育图形法测量）。由于 e 静态改变， Ud 为直流电压，其值可由LF 对称输出端用直流电压表测得。3、测量 VCO 的压控特性由于 LM565 的 VCO 控制端在内部直接连接到直流放大器，不能用外加直流电压来控制VCO 的频率。前面在测量鉴相特性时，提供了大小变化的控制电压，用频率计测得相应的振荡频率fv 。压控灵敏度

24、 K 0 可根据测得的曲线求得。2frad/s·vK 0Ud四、实验内容与步骤141、打开各相关单元实验模块的电源开关。2、从“信号输入”端输入信号（正弦波幅度为 400mVP-P，频率为200400KHz）。将“移相输出”端和“反馈输入”端相连，移相输出信号的幅度为 1V P-P。用双踪示波器分别观察“信号输入”端和“反馈输入”端的波形。参考移相器实验内容，调节实验二中的波段开关的电位器，使相位差满足下表的要求，读出直流电压表和频率计的数据填入下表。为提高测量精度，上述过程可反复进行几次。相位差eUd （直流电压表读数V ） 频率计读数（ KHz ）（示波器 °）1231

25、230306090120150180210240270300330360注意：“反馈输入”信号的幅度可通过移相器的幅度调节电位器进行调节。使在整个测试过程中保证“信号输入”端和“反馈输入”端信号的幅度和频率保持不变。五、实验报告151、整理实验数据，画出鉴相特性和压控特性的曲线。2、确定 K 0， K d 并计算环路增益K 。3、对实验结果与理论的差异进行分析。答： 1、整理实验数据，画出鉴相特性和压控特性的曲线。U d0901802703600e图 5-13鉴相特性曲线wiw00uc图 5-11压控振荡器的控制特性2 和 3、由于实验过程中实验仪器出现问题，没有得到实验数据，因此，数据表格无

26、法填写，以上两问无法回答。16实验三锁相环路静态特性测试实验一、实验目的1、掌握用常规仪表测量锁相环路工作特性的方法。2、加深对环路工作过程和基本特性的理解。二、实验仪器1、 EE1642B 型函数信号发生器 /计数器1 台2、6504 双踪示波器锁相技术实验箱三、实验原理和电路说明1、实验框图uiEE1641B? ?ê ? ? ê?3?±á÷ê?y ×?2 ? ê?3? ?1±íf iL FY1 ?ê2¨?÷P DD? o? ?ê?èY2

27、24;·?ê?èVCO?ê?3VCO10pf2udVCO?êê?3图 6-1锁相环路静态特性测试实验框图2、锁定状态的观察与测量由锁相理论可知，对于固有频率输入信号，当固有频差0 小于（及等于）捕获带p 时，环路能够对它捕获并锁定。锁定状态的基本特征是: fifv ， e( ) sin 10常数KF (0)误差电压 Ud 与控制电压 uc(t) 均为直流，而且输入信号与 VCO 输出信号相位相干且同频率，用双踪示波器观察信号可以看到两个清晰的同频信号，如图 6-2 所示。17输入信号与 VCO 输出信号的相位差为：90e( )当00时

28、， ( ) 0 。两信号相位差为 90°。eê? è? ?D ?o0tVCOê? ?3 ?D ?o0t图 6-2输入信号和 VCO 输出信号波形图3、当固有频差0 大于环路同步带H 时，环路失锁，环路处于差拍振荡状态，其特征是： ud (t ) 波形不对称交变振荡，如图6-3 所示。输入信号与 VCO 输出信号相位不相干， 双踪示波器显示波形模糊。(A)fi < f v(B) fi< fv图 6-3ud (t) 波形图4、环路能由失锁状态进入锁定的最大固有频差叫捕获带，环路能维持锁定最大固有频差叫同步带。 图 6-4 示出了两个性能指标的定义

29、及测试方法。 通过调节频率粗调和频率细调选择一个固有频率点，由低往高缓缓调节信号源的频率。环路由失锁到锁定，此点频率记作 f 2 。继续向高调节频率，直到环路由锁定到失锁，该点频率记作 f 4 。将信号源频率由此点往低调节，调到再次锁定时，此点频率记作 f 3 。继续向低调节频率直到失锁时，此点18频率记作 f 1 。为提高测量精度，上述过程可反复进行几次。图 6-4 是根据环路电压 Ud 与频率的关系画出的同步带和捕捉带示意图。图中f 1 、 f 2 、 f 3 、 f 4 与实验中测得的f 1 、 f 2 、 f 3 、 f 4 一一对应。这样，同步带f 1f 4f 1捕捉带f 2f 3f

30、 25、环路在失锁状态 fifv 。误差电压为不对称交变信号，其中所包含的直流分量将使 VCO 的振荡频率不再是 UC0 时的固有频率f 0 ，而是来回改变的 fv(t) ，并且其平均频率向着fi 靠近了一个值，这就是fi 对于VCO fv 的频率牵引现象， VCO 的平均频率与参考输入信号频率的关系曲线如图6-5所示。其中： 45°线表示锁定状态；箭头表示 fi 变化的方向。U df4f 2U dff1f2f3ff1图 6-4同步带和捕捉带示意图f vf0f i图 6-5牵引特性曲线图19四、实验内容与步骤1、打开各相关单元实验模块的电源开关。2、将“ VCO 输出”与“反馈输入”

31、用导线短接。3、同时将直流电压表和示波器按照实验框图连接好。4、从“信号输入”端输入高频正弦信号，调节高频信号源的频率使环路分别处于锁定和失锁状态，用双踪示波器分别观察 “信号输入” 端和“反馈输入”端（或“ VCO 输出”端）的波形，并且记录波形。在“解调输出”端观察 ud (t ) 的波形并记录。5、用频率计测量 “VCO 频率输出” 端的频率，调节高频信号源的频率，测定环路的同步带和捕捉带范围。6、在测定牵引特性曲线时，为了保证环路处于相对静止状态，应缓慢地改变 fi ，另外为使特性对称， 首先将 VCO 的固定频率f 0 置于所工作频段中点，即f 0 ma x f 0 m i nf 0

32、2当参考输入电平 ui0 时，系统处于开环状态， VCO 的振荡频率即为f 0 ，改变频率细调电位器可测得所选择频段的f 0 max 、 f 0 min 及 f 0 。六、实验报告1、整理实验数据，画出相应的曲线。2、对实验结果与理论的差异进行分析。由于实验过程中仪器的缘故导致无法测出实验数据。20实验四锁相环应用实验频率合成实验一、实验目的1、掌握锁相环用作频率合成器的工作原理。2、加深对环路基本特性的理解。二、实验仪器1、 EE1642B 型函数信号发生器 /计数器1 台2、6504 双踪示波器锁相技术实验箱三、实验原理和电路说明1、基本实验原理应用锁相环路的频率合成方法称为间接合成。它是目前应用最为广泛的一种频率合成方法。锁相频率合成的基本框图如图8-1。在环路锁定时，f0PDLFVCOf rfd. N? êyN? ?图 8-1锁相频率合成的基本框图鉴相器两输入的频率相同，即frfdfd 是 VCO 输出频率f 0 经 N 次分频后得到的，即f 0fdN所以输出频率21f 0Nfr是参考频率fr 的整数倍。这样，环中带有可变分频器的锁相环路就提供了一种从单一参考频率获得大量频率的方法。环中的除N 分频器可用可编程分频器来实现，这就可以按增量 fr 来改变输出频率。