锁相环的初步研究及应用

电子实验二、锁相环的初步研究及应用实验目的认识并正确应用锁相环MCI4046B。初步掌握锁相式数字频率合成技术。掌握派冲吞食技术频率合成器的工作原理。实验原理锁相环：基本锁相环电路由相位比较器、压控振荡器与低通滤波器联成的闭环频率反馈系统。MCI4046B包含前二个单元，使用时应外接低通滤波器（阻、容元件），从而形成完整的锁相环。其原理图如下：施加于相位比较器有二个信号：加于PHⅠ端的输入信号V1(t)，经压控振荡器输出信号V0(t)。相位比较器输出信号为Ve(t)，正比于V1(t)和V0(t)的相位差，Ve(t)经低通滤波器后得到一个平均电压Vd(t)，这个电压控制压控振荡器(VCO)的频率变化，使输入与输出信号的频率之差不断减小，直到这个差值为０，这时称之为锁定。当锁相环锁定时，能使输出信号频率跟随输入信号频率变化。锁定范围以fL表示,而锁相环能“捕捉”的输入信号频率称为捕捉范围，以fc表示。锁相环在相位锁定的状况下，输入信号频率f1变化时，VCO输出频率fco也跟着变化，并且严格保持一致，即fco＝f1，这就是锁相环的环路跟踪。压控振荡器的压控特性如图所示。压控振荡器的控制电压从０向VDD变化时，振荡频率由fmin向fmax变化，电源电压VDD高，中心频率f0与最高振荡频率fmax高。电源电压一定时，中心频率f0、最高振荡频率fmax、最低振荡频率fmin的高低与振荡器外接振荡元件R1、R2、C1取值大小有关。三、实验仪器MCI4046B锁相环、MCI4526B、MC14522B、MC14027B４位二进制１/N计数器 。四、实验内容对MCI4046进行VOC压控特性的测量。测量方法：按图１连接电阻电容调节电位器Ｒ，使VOC输入电压从０～VCC由小到大变化，测量输出频率f。VCC最大值为5V。作出f～VCIN曲线并分析之。测量数据电压（Ｖ）00.511.62周期（us）4.34.34.24.23.9频率（kHz）232.56232.56232.56238.10256.412.423.23.644.453.43.12.92.62.42.22.1294.12322.58344.83384.62416.67454.55476.20作出其图形：分析在上图中，可以看出琐相环的压控特性曲线，随着电压的增大琐相环的频率也随之增大。由琐相环的特性可知其中心频率的大小，其中心频率为f0=1/2*(VDD)，故而可得琐相环的中心频率在Ｖ＝2.5V时为f0=300KHZ。分别用PCI和PCⅡ鉴乡器组成单级锁相环路，测量环路特性，测出同步带和捕捉带。如图3组成PCⅠ（异或门鉴相器）的锁相环路，测量同步带△fH和捕捉带△fP。图３捕捉带：236.2KHZ~450KHZ同步带：213.1KHZ~430.7KHZ其频率高端略低但仍属于正常范围内，在实验中有一个参考范围，不致出错。如图４组成PCⅡ（旁沿触发数字比较器）锁相环路，测量同步带△fH和捕捉带△fP。图４捕捉带：231.13KHZ~463.0KHZ同步带：243KHZ~467.0KHZ由此可大致上了解琐相环的追踪带宽，并对它的性能有了一个大概的了解。如上图，测量输入、输出相位差。可知其相位相差很小接近于０，可以不计。3．用MC14060和4.096MHZ晶振产生1KHZ信号。如图５联结，因１ＫHZ信号为4.096MHZ信号经12分频产生，故MC14060Pin1输出为１ＫHZ。图５这一步骤未单独完成，包涵在下一步的实验中，直接作为电路板的频率发生器，在完成电路板的插件后，使用示波器对１端口检测，其输出频率为：。符合实验的要求。此步骤完成。４．用MC14526B、MC14522B、MC14046B、MC14027B，组成ＮT派冲吞食分频器，与上述MC14060（PCⅡ）组成频率综合器，要求fr=1ＫHZ。派冲吞食技术频率合成器工作原理。图６为“吞食派冲”合成器原理。参考信号fr由晶振经Ｎ1分频而得，VCO产生的f0信号经预置分频器ＮH/ＮL，分频产生f３信号，通常ＮH=ＮL+1。（例如ＮH＝11，ＮL＝10）ＮH/ＮL取值受吞食派冲器控制。开始工作时，f0经ＮH分频得f３，吞食计数器对f３计数到ＮS时送出S1信号使预置分频器变为ＮL，此状态继续到程序分频器Ｍ计满Ｍ值时并送出一个派冲S２去控制预置分频器ＮH，另外送出派冲形成f２至采样鉴相器。系统又恢复到起始状态，此后又重复上述过程。则环路输出频率f0应为：f0=(M*ＮL+ＮS)fr按线路图连接电路，在该电路图中，由于U2A(MCI4027)的作用，使得环露输出频率为：f0=2*(M*ＮL+ＮS)*fr实验过程１．其理论值。当Ｍ＝１４时，Ｃ为110Ｐ，其理论值为；f0=2*(M*ＮL+ＮS)*fr其中ＮL为１０，ＮS从０到９。ＮSf0(KHZ)去二分频f0(KHZ)P5P11P14P2028214100001282141000132841420011428614301005288144010162901450110729214601118294147100092961481001当Ｍ＝１5时，Ｃ为220Ｐ，其理论值为；f0=2*(M*ＮL+ＮS)*fr其中ＮL为１０，ＮS从０到９。ＮSf0(KHZ)去二分频f0(KHZ)P5P11P14P2030215100001302151000133041520011430615301005308154010163101550110731215601118314157100093161581001２．在实验中，连接好电路后，即可用频率追踪器测得输出频率，为上表的第二列。第二步，去除二分频，即直接将MC14027B的第3管脚和MC14046B第3管脚相连，这时无分频作用。所测得的频率为上表的第三列，MC14522B中P5、P11、P14、P2的接法如上表所示。由于电路在ＮS为０或多或１时频率数值不变，是MC14522B无法分辨之故，因而需在MC14522B和MC14027B之间加一个MC4002芯片，利用其与非门的功能将其分辨出来，电路如副图修改所示。最终，电路所分辨的输出频率为ＮS为０时为140为１时是141。可知琐相环不仅可以稳定系统频率，还可以起到线路的分频作用和数字频率的合成，在一个系统中，提取所须的实际频率。对实际工作有很重要的帮助。五、实验小结在本次实验中，开始部分进行的比较顺利，对琐相环的VOC压控特性的测量，作出其曲线。将琐相环分别组成单级琐相环路PCⅠ和PCⅡ并测量了同步带和捕捉带。并没有遇到什么障碍。但在进行最后一个也是最难的一个步骤时，遇到了麻烦。由于电路比较复杂，在连线时出现了一些小错误，后经检查解决。最主要的一个问题是在连第一个MCI4526B时，其第六脚做为输出脚，与MCI4046B的第四脚相连，由于MCI4046B的第四脚是频率输出，则MCI4526B的第六脚应为输入。而副图上标的为输出，视为有误。可该掉。连接4002时应注意连接的顺序，在实验中有一奇怪现象。即4002应先使用9、10、