第四次高频实验dayin

1、实验11 锁相调频与鉴频实验四、实验电路说明调频是用调制信号直接线性地改变载波振荡的瞬时频率，既使载波振荡频率随调制信号的失真变化而变化。其逆过程为频率解调（也称频率检波或鉴频）。本实验是用CD4046数字集成锁相环（PLL）来实现调频/解调（鉴频）的。有关数字集成锁相环CD4046的内部构成和工作原理请参阅相关内容的书籍。1. 用锁相环（集成）构成的调频/解调（鉴频）电路（1）锁相环调频原理注：由于载波信号频率相对于调制信号频率高的多，故载波信号频率称为所谓的高频（只是相对而言），而调制信号频率则相对应的称为低频。 将调制信号加到压控振荡器（VCO）的控制端，使压控振荡器的输出频率（在自振频

2、率（中心频率）f0上下）随调制信号的变化而变化，于是生成了调频波。当载波频率与自由振荡频率相近时，载波频率与压控振荡器的振荡频率锁定。低通滤波器只保证压控振荡器中心振荡频率与载波频率锁定时所产生的相位误差电压通过，该电压与调制信号同经加法器，用以控制压控振荡器的频率，从而获得与载波频率具有同样频率稳定度的调频波。（2）锁相环解调原理调频波（经过放大器放大后）与压控振荡器的输出被送入鉴频器，经鉴相获得变化着的相位误差电压，该误差电压通过低通滤波器被滤掉其高频成份，继而获得随调制信号频率变化而变化的信号，经跟随器得到解调信号，从而实现了解调（鉴频）过程。2. 锁相环振荡频率f0、同步带与捕捉带的测

3、量方法。（1）自振频率f0的测量 用示波器观测脚的输出波形（方波），用频率计测量自振频率f0。（2）锁定的判断 脚（SIGNin）输入方波信号，用示波器观察脚（PC1out）的波形，如锁定，可得到一个稳定的矩形脉冲；若脚输入信号频率与压控振荡器的振荡频率相等，则脚输出为稳定地两倍频方波信号。（3）同步带宽（锁定范围）和捕捉带宽（捕捉范围）的测量 脚输入一个方波信号（最好用频率计检测），其频率与f0（VCO自振频率）相同。Ø 改变脚输入信号频率，使频率逐渐降低，直至脚（或脚）输出方波刚好不稳定时，环路进入失锁状态，该点频率定义为同步带的下限频率“f1”。Ø 改变脚输入信号频率

4、，由f1开始频率逐渐增加，直至脚输出方波刚好再次稳定时，环路进入锁定状态，该点频率定义为捕捉带的下限频率“f2”。Ø 改变脚输入信号频率，由f2开始频率逐渐增加，直至脚输出方波刚好再次不稳定时，环路进入失锁状态，该点频率定义为同步带的上限频率“f4”。Ø 改变脚输入信号频率，由f4开始频率逐渐降低，直至脚输出方波刚好稳定时，环路进入锁定状态，该点频率定义为捕捉带的上限频率“f3”。 由以上可计算出：同步带宽为：f4-f1捕捉带宽为：f3-f2 3. 实验电路说明相关概念前面已分析清楚。这里需要说明的是当要测量压控振荡器的自振频率时，必须先将IN1短路，当要测量压控振荡器的同

5、步带和捕捉带时，必须将IN2短路。由于电路是环路锁相，改变滤波器参数既可改变VCO的自振频率，因此调节RP1或RP2可改变VCO的自振频率。当改变C3、C4、R11、R12、R13、R14也可在较大范围内改变VCO的输出频率。五、实验内容与步骤1. 调频部分的测试（1）锁相环自振频率f0的测量 将IN1、IN2分别对地短路，调节电位器RP1至适中位置，测量D端直流电压（约为5.3V，近似电源电压的1/2），用示波器观察锁相环输出OUT1(4)端的波形。记录波形特性、频率、幅度，填入下表。OUT1端锁相环自振波形波形特性频率（KHz）幅度（VP-P） 观察相位比较器（鉴相器）B(2)端的波形，将

6、测量结果填入下表。B端相位比较器的输出波形波形特性频率（KHz）幅度（VP-P）相差（不做要求）观察鉴相器输出C端的预积分波形，将测量结果填入下表。C端鉴相器输出预积分波形波形特性频率（KHz）幅度（VP-P）相差（不做要求）观察压控振荡器输入D端的波形，将测量结果填入下表。D端鉴相器输出积分波形波形特性频率（KHz）幅度（VP-P）相差（不做要求）（2）锁定的判断将信号发生器输出的方波信号（幅度3.5VP-P，频率为自振频率f0）加到载波输入IN1端，用双踪示波器同时观测锁相环OUT1端和A端的波形（即锁相环的脚和脚）。如波形稳定表示频率被锁定。改变信号发生器的输出信号频率，可发现在较大范围

7、内锁相环均能锁定。记录测量结果。思考：当频率锁定时，观测OUT1端和B端出现什么现象？如何解释？（3）测量同步带宽（锁定范围）和捕捉带宽（捕捉范围）观测A端和OUT1端，改变信号发生器的输出频率（即载波频率）Ø 调节载波信号频率（输入IN1），由自振频率f0开始逐渐缓慢降低，直至（VCOout端）波形抖动（即：失锁），记录此时的载波输入信号频率f1（下限失锁频点）。Ø 调节载波信号频率，由f1开始逐渐缓慢增加，直至（VCOout端）波形不抖动（即：锁定），记录此时的载波输入信号频率f2（下限锁定频点）。Ø 调节载波信号频率，由f2开始逐渐缓慢增加，直至（VCOou

8、t端）波形抖动（即：失锁），记录此时的载波输入信号频率f4（上限失锁频点）。同步带宽（锁定范围）=f4-f1Ø 调节载波信号频率，由f4开始逐渐缓慢降低，直至（VCOout端）波形不抖动（即：锁定），记录此时的载波输入信号频率f3（上限锁定频点）。 捕捉带宽（捕捉范围）=f3-f22. 解调部分的测试（1）锁相环自振频率的测量 调节电位器RP2至适中位置，测量G端直流电压，用示波器观察锁相环输出E端的波形。记录波形特性、频率、幅度，填入下表。E端锁相环自振波形波形特性频率（KHz）幅度（VP-P）观察相位比较器（鉴相器）F端的波形，将测量结果填入下表。F端相位比较器的输出波形波形特性

9、频率（KHz）幅度（VP-P）观察压控振荡器输入G端的波形，将测量结果填入下表。G端鉴相器输出积分波形波形特性频率（KHz）幅度（VP-P）（2）锁定的判断将信号发生器输出的方波信号（幅度3.5VP-P，频率为自振频率f0）加到载波输入IN1端，连接A端和IN3端，用双踪示波器同时观测锁相环E端和A端的波形。如波形稳定表示频率被锁定。改变信号发生器的输出信号频率，可发现在较大范围内锁相环均能锁定。记录测量结果。思考：锁定时观测A端和F端的波形，有何结论，如何分析？ （3）测量同步带宽（锁定范围）和捕捉带宽（捕捉范围） 观测A端和E端，改变信号发生器的输出频率（即载波频率）Ø 调节载波

10、信号频率（输入IN1），由自振频率f0开始逐渐缓慢降低，直至（E端）波形抖动（即：失锁），记录此时的载波输入信号频率f1（下限失锁频点）。Ø 调节载波信号频率，由f1开始逐渐缓慢增加，直至（E端）波形不抖动（即：锁定），记录此时的载波输入信号频率f2（下限锁定频点）。Ø 调节载波信号频率，由f2开始逐渐缓慢增加，直至（E端）波形抖动（即：失锁），记录此时的载波输入信号频率f4（上限失锁频点）。同步带宽（锁定范围）=f4-f1Ø 调节载波信号频率，由f4开始逐渐缓慢降低，直至（E端）波形不抖动（即：锁定），记录此时的载波输入信号频率f3（上限锁定频点）。捕捉带宽（捕

11、捉范围）=f3-f23. 观测系统的调频情况IN1端输入幅值为3.5VP-P，频率与自振频率相同的方波信号（定义为载波）。IN2端输入幅值为0.4VP-P，频率1KHz的正弦波信号（定义为调制波）。用双踪示波器仔细观测OUT1和IN2端，为了可清楚地观看到调频波的疏密变化，可微调调制信号的频率。4. 观测系统的解调（鉴频）情况保持第3步的状态，联结OUT1端与IN3端（即将调频波接入解调电路），用示波器观测IN2和OUT2，可清楚地观察到频率为1KHz的正弦波（即解调出的波形），可同时与IN2的调制信号进行比较，其相位和频率相同。六、实验注意事项用双踪示波器观察波形时要注意波形的锁定，通常是用

12、低频信号作为触发信号，这样更容易观测到波形。七、实验报告1. 整理所观测到的波形与数据。绘制相应的波形图。2. 分析锁相环调频时，外加载波信号频率与压控振荡器的中心频率，哪个频率稳定度要求较高？ 3. 简述实现锁相环调频与鉴频的方法。4. 锁相环调频与锁相环鉴频均有低通滤波器，说明它们有何不同？实验12 锁相式数字频率合成器实验四、实验电路说明1. 锁相式数字频率合成电路的组成及工作原理图中结构可由CD4046外围电路组成，其中相位比较器和压控振荡器功能电路由CD4046完成。1/N分频电路是由三组可预制分频电路完成，各组均由CD4522可编程二进制4位1/N计数器组成，每组分频可用“接入+5

13、V的方法”以8421码的形式对技术器进行预制，也可用单片机编程去控制，分频比的选择范围为1999（针对三组分频电路而言），总共可预置999个频率点，它是构成锁相式数字频率合成器的重要单元电路，即可编程分频电路。 按所需分频比，先预置各位（即：个位，十位、百位）的数据，然后输入频率为fi的方波信号Ui到CD4046的相位比较器SIGNin端（脚），压控振荡器产生频率为f0的输出信号U0，经可编程分频电路分频，得到频率为ff的方波信号Uf，送至CD4046的相位比较器COMPin（脚）。两个信号经CD4046相位比较器的比较，锁相环锁定时可得到： fi=ff 已知：fi=f0/N则 f0=N

14、15;fi 因此，当fi保持不变，改变可编程分频电路的分频比N，压控振荡器（VCO）的输出频率f0（也就是频率合成器的输出频率）就会相应改变。由此可知，只要输入任意固定信号频率fi（在一定的频率范围内），就可得到所需要的频率，其频率间隔为fi，选择不同的fi，就可获得不同的fi频率间隔。 例如：设 fi=2KHz N=64 则：f0=N×fi=64×2KHz=128KHz。2. 实验电路使用的相位比较器和环路低通滤波器CD4046内部有两个相位比较器，其中相位比较器为异或门比较器，要使锁相环范围尽量大，一般要求两个比较信号（进入CD4046的脚和脚）的占空比必须为50%的方

15、波，而相位比较器II为过沿控制式比较器，只由两个信号的上升沿作用，所以不要求波形占空比必须为50%的方波。本实验电路的锁相环电路与锁相式数字频率合成器电路二者均组合在一起，由于相位比较器的比较信号来自可编程分频电路，占空比不是50%的方波，所以本实验电路就选用了相位比较器II。它具有鉴频和鉴相功能，当两输入信号Ui和Uf频率差较大时，环路从鉴相工作状态自动转入鉴频工作状态，迫使ff逼近fi，当ff=fi时，环路由鉴频器工作状态自动转入鉴相工作状态，这种鉴相器将鉴频与鉴相结合起来工作，的确很方便。 相位比较器II输出的相位误差电压是周期性脉冲波形，需使用低通滤波器将其滤波平滑，得到一直流控制电压

16、，用来控制VCO（压控振荡器）的频率和相位，使其向减小误差的方向变化，从而消除频差与相差，达到锁定状态。而高频噪声和其它交流谐波分量将被滤波器抑制。实验电路中的低通滤波器是由R、C元件组成的。五、实验内容与步骤1. 实验说明（1）在实验板GPMK9上分清各个单元和器件的功能与作用。其中组一、组二、组三分别为可编程分频电路的预置数选择组件（每个分组的四个选择端不接线为“0”，任何一端接5V均为“1”），组四（电容C）和组五（电阻R）用来预置C和R的数值，不同组合得到不同的自振频率和频率合成范围。（2）CD4046振荡频率主要由外接电阻R1、R2和C决定，与其三者成反比关系，在电容C固定的情况下，

17、CD4046的振荡下限频率主要由R2决定，而上限频率则由R1、R2决定，由于R2远远大于R1，所以改变R2的阻值时上限频率增加有限，而下限频率改变较多。在实验中可试着作出R、C不同组合（十六种），观察不同组合时的山下限频率，并作比较，记录结果。（3）连接A与A两个端点，B与B两个端点，由于本实验选用了相位比较器II，所以将D和E两个端点连接。2. 锁相环电路的观测选择数字信号发生电路（GPMK10）的1K方波信号接至锁相环的IN端，适当选择组四和组五中的电容和电阻值。用双踪示波器和频率计同时检测IN端、OUT端的波形频率，记录测量结果。测量IN端和A端应能观测到同频同宽、但不一定同相的波形，记录测量结果。3. 观察锁相式数字频率合成器（1）对可编程分频电路中的组一、组二、组三的预置，可任意设置分频比N，同时选择适当的电阻、电容