锁相技术试验报告

锁相实验实验报告集成压控振荡器构成的频率调制器图15.6.1图15.6.1NE566VCO原理电路图566(VCO的单片集成电路)的电路组成及工作原理566采用的是积分施密特触发器型的压控振荡器，其原理电路如图15.6.1所示，电路由恒流源控制电路(IO)、积分器(T1、T2、T3、D1、D2、CT)和施密特触发器三部分组成。施密特触发器的输入输出信号关系如图15.6.2所示。图15.6.2施密特触发器电压响应图15.6.3VCO的波形施密特触发器的正向触发电平定义为USP，反向触发电平定义为USM，当电容CT充电使其电压上升至USP，此时施密特触发器翻转，输出为高电平，从而使内部的控制电压形成电路的输出电压，该电压u0为高电平；当电容CT放电时，其电压下降，降至USM时施密特触发器再次翻转，输出为低电平从而使u0也变为低电平。用u0的高、低电平控制三极管T3的通断，也控制了二极管D1、D2即S1和S2两开关的）闭合与断开。u0为低电平时T3截止，T1、T2也截止，二极管D1截止，D2加正端高电位，负极低电位导通，这时I0全部给电容CT充电，使电容上的电位上升，由于I0为恒流源，电容电位线性斜升，升至USP时u0跳变为高电平，u0高电平时控制T3、T1、T2导通，T1的集电极为低电位，T2的集电极也是充放电电容电位为高电位，此时D1导通，D2截止，恒流源I0全部流经D1、T1到T3入地，因T2与T1同时导通，当两管参数对称时，IB1=IB2，IC1=IC2=I0，T2的电流由CT放电电流提供，因此电容电位线性斜降，降至USM时u0跳变为低电平，如此周而复始循环下去。积分电容CT以恒流充放电，故uC为对称的三角波电压，uO输出占空比为50％的方波。uC及u0波形如图15.6.3。图15.6.2施密特触发器电压响应图15.6.3VCO的波形控制电压uC控制恒流源IO，可以调节充放电电流I0的大小，也就控制了电容的充放电速度，从而改变了振荡信号的频率，达到电压控制频率的目的。图15.6.4566(VCO)的框图及管脚排列VCO的输出频率与控制电压之间的关系可用最典型的调频表达式表示，其中ω0为载波频率，由一直流电压u图15.6.4566(VCO)的框图及管脚排列566芯片566芯片的框图及引脚排列如图15.6.4，框图中幅度鉴别器功能由施密特触发器完成。控制电压uC从5端输入。566输出的方波及三角波的载波频率(或称中心频率)可用外加电阻R和外加电容C来确定。其中：R为时基电阻，R连在正电源到6端之间，调节其大小可以改变在相同的控制电压u5情况下恒流源电流的大小。C为时基电容u8是566管脚⑧至地的电压，它是电压的工作电源电压。u5是566管脚⑤至地的电压。566芯片的内部实际电路如图15.6.5所示图15.6.5图15.6.5566(VCO)的内部实际电路图15.6.5图15.6.5566(VCO)的内部实际电路实验电路见图15.6.6，第7脚对负电源接振荡定时电容C1，第6脚接一可调电阻（R3＋RW1）到正电源，它与第5脚的控制电压一起确定恒流源I0的大小。三者共同决定输出信号的频率f0图15.6.6566构成的调频器图15.6.6566构成的调频器（1）观察R、C1对频率的影响(其中R=R3+RW1)。按图15.6.6接线，将C1接入566管脚⑦，RW2及C2接至566管脚⑤；接通电源(±5V)。调RW2使U5=3.5V，将频率计接至566管脚③，改变RW1观察方波输出信号频率，记录当R为最大和最小值时的输出频率。当R分别为Rmax和Rmin及C1=2200pF时，计算这二种情况下的频率，并与实际测量值进行比较。用双踪示波器观察并记录R=Rmin时方波及三角波的输出波形。当R最大时，理论值测量值当R最小时，理论值测量值R=Rmax时方波及三角波的输出波形：方波输出波形三角波的输出波形（2）观察输入电压对输出频率的影响，并计算VCO的调制灵敏度。直流电压控制：先调RW1至最大，然后改变RW2调整输入电压，测当U5在2.2V～4.2V变化时输出频率f的变化，U5按0.2V递增。将测得的结果填入表15.6.1。并计算K0的平均值。Ko为比例常数。称为VCO的压控灵敏度，单位为Hz/V或。kO越大,控制灵敏度越高表15.6.1566构成的调频器实验记录表（）U5(V)2.22.42.62.833.23.43.63.844.2f(kHz)57.955.452.148.340.034.027.924.218.19.53.1K0（计算）26.323.12017.313.310.68.26.74.82.40.7图15.6.7输入电路图15.6.7输入电路仍将R设置为最大，断开⑤脚所接C2，RW2，将图15.6.7(即：输入信号电路)的输出OUT接至图15.6.6中566的⑤脚。（a）将函数发生器的正弦波调制信号uΩ(输入的调制信号)置为f=5kHz、UP-P=1V，然后接至图15.6.7电路的IN端。用双踪示波器同时观察输入信号uΩ和566管脚③的调频(FM)方波输出信号，观察并记录输入信号的电压变化时，输出信号波形的频率变化。注意：输入信号uΩ的UP-P不要大于1.3V。调制前和调制后波形(b)调制信号改用方波信号uΩ，使其频率fm=5kHz，UP-P=1V，用双踪示波器观察并记录uΩ和566管脚③的调频(FM)方波输出信号。调制前和调制后波形3实验总结结论：1.随着R的值增大，频率f会减小。f的测量值理论值之间存在较大的偏差。 2.输入电压U5越大，输出频率f越小。调频波和输入波之间具有同样的频率，不同的频率。实验心得：通过对566这款单片集成压控振荡器的每一步操作，理解了其基本的工作原理，对其特性及性能有了较深的理解。在调频实验中，通过对输入波形和调频后波形的观察，理解了调频波的组成及其特点，从而为下一步实验打下基础。集成电路锁相环(PLL)构成的频率解调器一、实验原理1、锁相环工作的基本原理图图15.7.1锁相环的组成框图锁相环的一个相位负反馈控制系统，其组成框图如图15.7.1，由鉴相器，环路滤波器和压控振荡器组成，鉴相器将输入输出信号的相位进行比较，产生一差拍波，经环路滤波器滤除高频分量后，去控制压控振荡器的输出频率和相位。锁相环路的输入输出相位关系可以用动态方程描述，动态方程如下，其中为环路的瞬时相差，为输入信号以VCO的载波相位为参考时的相位。在环路锁定时，输入输出信号的频率相等，瞬时相位差在一个有限值的范围内变化，如果是输入固定频率信号，则相位差为一常量，即这时输出信号相位跟踪输入信号的相位。PLL的闭环频率特性定义为，它呈现低通特性，截止频率为，如果瞬时相位较小时，PLL可近似为一线性系统。2、锁相环的鉴频原理PLL的鉴频原理可以用图15.7.2表示。首先，设有一角频率为Ω、初相位为θi的正弦调制信号uΩ(t)，uΩ(t)=UΩcos(Ωt+θi)，用它来调制一个角频率等于ω0的载波，那么可以得到瞬时角频率为ωi(t)=ω0+KtUΩcos(Ωt+θi)=ω0+△ωcos(Ωt+θi)的已调波。式中Kt[rad/s·V]为调制器的灵敏度；△ω=Kt·UΩ为峰值频偏。已调波的瞬时相位，调频波的完整表达式为。图15.7.2565(PLL)构成的频率解调器图15.7.2565(PLL)构成的频率解调器其次，当此信号加到PLL时，如果环路工作在调制跟踪状态，即调制信号频率Ω小于锁相环的截止频率ωn，处于PLL闭环低通特性的通带之内时，锁相环的输出相位θ2(t)将跟踪输入相位θ1(t)的瞬时变化，即输出相位。对应的输出电压为uo(t)，这时锁相环路的输出信号是环内压控振荡器的输出电压uo(t)，根据压控振荡器的控制特性，控制电压可写为。现在我们比较一下PLL的VCO的控制信号与FM波调制信号uΩ(t)，可以发现调制两者幅值成比例，相位差了一个相移量ArgH(jΩ)，故可作为uΩ(t)解调输出。图15.7.3565(PLL)的框图及管脚排列3、PLL单片集成电路565图15.7.3565(PLL)的框图及管脚排列图15.7.3为565(PLL单片集成电路)的框图及管脚排列，锁相环内部电路由相位鉴别器、压控振荡器、放大器三部分构成，相位鉴别器由模拟乘法器构成，它有二组输入信号，一组为外部管脚②、③输入信号e1，其频率为f1；另一组为内部压控振荡器产生信号e2，经④脚输出，接至⑤脚送到相位鉴别器，其频率为f2，当f1和f2差别很小时，可用频率差代表两信号之间的相位差，即f1-f2的值使相位鉴别器输出一直流电压，该电压经⑦脚送至VCO的输入端，控制VCO，使其输出信号频率f2发生变化，这一过程不断进行，直至f2=f1为止，这时称为锁相环锁定。图15.7.4565组成的解调器实验电路二、实验内容图15.7.4565组成的解调器实验电路实验电路见图15.7.4。1、测量PLL的固有振荡频率环路输入端IN端不接任何信号，用示波器观察VCO输出端信号的波形，并测量输出频率。调RW使其中VCO的输出频率f0(A点：即④⑤脚)为50kHz。2、测量PLL的同步带和捕获带在IN端输入一取自信号源来的VPP=1V，频率为5kHz的方波信号，用示波器同时观察输入和输出（A点）的波形，并同时观察两信号的频率。若两信号频率相等，环路锁定，若频率不相等则环路失锁。缓慢加大输入信号频率，密切注视两信号的频率值，当频率从不相等到突然地相等，波形上观察也完全同频（但不一定同相），说明环路已经捕获住了输入信号，记下此频率值f1，再进一步增加输入信号频率，输出频率也同步增加，一直到突然两信号频率不相等，此时环路失锁，记下此频率值f2。同样的方法让输入信号频率从大到小慢慢改变，找到环路的捕获频率点f3和失锁频率点f4。如图15.7.5PLL的同步带与捕获带。ff3fff3f0f1f2f4图15.7.5PLL的同步带与捕获带捕获带为。3.正弦波解调器先按15.4节的实验内容3(1)的要求获得调频方波输出信号(③脚)，要求输入的正弦调制信号uΩ为：UP-P=0.8V，f=1kHz，然后将其接至565锁相环的IN输入端。用双踪示波器观察并记录566的输入调制信号uΩ和565“B”点的解调输出信号。解调后失真波形：解调后经过锁相调节后的波形：4.方波的解调在3步基础上，将调制信号uΩ改为：UP-P=0.5V，f=1kHz的方波，用双踪示波器观察并记录566的输入调制信号uΩ和565“B”点的解调输出信号。注意B点方波上升沿与下降沿的波形形状与幅度。再观察并记录565“OUT”点的解调输出信号，比较“B”点与“OUT”点信号的波形。解调后失真波形：解调后经过锁相调节后的波形：实验总结结论：锁相环在没有输入的时候有一定的固有震荡频率。锁相环只有频率在其一定的范围内才能捕获。只有调制信号在锁相环的同步带并且调制信号的幅度值不太大时，解调波才不会失真。实验心得：通过对集成电路锁相环进行操作，理解了锁相环路的工作特点。结合前一次的实验，通过对调制信号的解调波形分析，理解了锁相环路工作特征和其优良的频率同步性能。在测量PL