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鎖相實(shí)驗(yàn)

信息來源：江蘇海川 | 發(fā)布時間：2023-06-30 19:28:29

鎖相實(shí)驗(yàn)（基礎(chǔ)部分）


一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>
1．加深對鎖相環(huán)基本工作原理的理解。
2．掌握鎖相環(huán)同步帶、捕捉帶的測試方法，增加對鎖相環(huán)捕捉、跟蹤和鎖定等概念的理解。
3．掌握集成鎖相環(huán)CD4046的使用方法。

二、實(shí)驗(yàn)原理
鎖相環(huán)由鑒相器 PD、環(huán)路濾波器 LF和電壓控制振蕩器 VCO三個基本部件組成。

鎖相環(huán)路是一個相位誤差控制系統(tǒng)，它將參考信號與輸出信號之間的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生相位誤差電壓來調(diào)整輸出信號的相位，以達(dá)到與參考信號同頻的目的。鎖相環(huán)路由于具有良好的跟蹤特性、窄帶濾波特性和良好的門限特性等一些特殊的性能，而廣泛應(yīng)用于電子技術(shù)的各個領(lǐng)域。


鑒相器是相位比較器，用來比較輸入信號uit與壓控振蕩器輸出信號uot的相位，輸出電壓對應(yīng)于這兩個信號相位差的函數(shù)。環(huán)路濾波器是濾除udt高頻分量及噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能。 壓控振蕩器受環(huán)路濾波器輸出電壓uct的控制,使振蕩頻率向輸入信號的頻率靠攏，直至兩者的頻率相同，使得VCO輸出信號的相位和輸入信號的相位保持某種特定的關(guān)系，達(dá)到相位鎖定的目的。
設(shè)輸入信號和本振信號（壓控振輸出信號）分別是正弦和余弦信號，它們在鑒相器內(nèi)進(jìn)行比較，鑒相器的輸出是一個與兩者的相位差成比例的的電壓，一般把它稱為誤差電壓。環(huán)路低通濾波器濾除鑒相器中的高頻分量，然后把輸出電壓加到VCO的輸入端，VCO送出的本振信號頻率隨著輸入電壓的變化而變化。如果二者頻率不一致，則鑒相器的輸出將產(chǎn)生低頻變化分量并通過低通濾波器使VCO的頻率發(fā)生變化。z后如果本振信號的頻率和輸入信號的頻率保持一致，兩者的相位差保持某一恒定值，則鑒相器的輸出將是一個恒定直流電壓，環(huán)路低通濾波器的輸出也是一個直流電壓，這時，環(huán)路 處于鎖定狀態(tài)。
與鎖相環(huán)有關(guān)的幾個基本概念：
環(huán)路鎖定： 如果環(huán)路有一個輸入信號ut，開始時輸入頻率總是不等于VCO的自由振蕩頻率，即&omegai&ne&omegao。如果&omegai與&omegao相差不大，在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，鑒相器輸出一誤差電壓，經(jīng)環(huán)路濾波器變換后控制VCO的頻率，使其輸出頻率變化接近到&omegai，&omegai=&omegao，而且兩信號的相位差為常數(shù) ，這種狀態(tài)稱為環(huán)路鎖定。
設(shè)壓控振蕩器的自由振蕩頻率fo與輸入基準(zhǔn)信號頻率fi相差較遠(yuǎn) 。隨著基準(zhǔn)頻率fi向壓控振蕩頻率fo靠攏，達(dá)到某一頻率，這時環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)，該過程稱為環(huán)路捕獲。一旦入鎖以后，壓控頻率就等于基準(zhǔn)頻率，且fo隨fi而變化，這就稱為跟蹤。
*判斷環(huán)路是否鎖定的方法
1）在有雙蹤示波器的情況下
開始，環(huán)路處于失鎖狀態(tài)，加大輸入信號頻率，用雙蹤示波器觀察壓控振蕩器的輸出信號和環(huán)路的輸入信號，當(dāng)兩個信號由不同步變成同步，且fi=fo時，表示環(huán)路已經(jīng)進(jìn)入鎖定狀態(tài)。
2）單蹤──普通示波器
在沒有雙蹤示波器的情況下，在單蹤示波器上可以用李沙育圖形來判定環(huán)路是否處于鎖定狀態(tài)。把鑒相器的輸入信號uit加到示波器的垂直偏轉(zhuǎn)板上，把uot加到水平偏轉(zhuǎn)板（或者相反），并使兩信號幅度相等。如果環(huán)路已鎖定，且在理想情況下，即李沙育圖形應(yīng)是一個圓。

圖10-3未鎖定時波形及李沙育圖形


圖10-4鎖定時波形及李沙育圖形


CD4046包含相位比較器、壓控振蕩器兩部分，使用時需外接低通濾波器（阻、容元件）形成完整的鎖相環(huán)。 內(nèi)部6.2V的齊納穩(wěn)壓管 在需要用的時候作為輔助電源。

CD4046有16個管腳，工作頻率為1MHz。1¾¾相位脈沖2¾¾比較器I輸出3¾¾比較器II輸入4¾¾壓控振蕩器輸出端（VCOO）5¾¾禁止端（INH）6¾¾VCO外接電容端（C1）7¾¾C28¾地（VSS）9¾¾壓控振蕩器輸入端（VCOI）10¾¾解調(diào)器輸出11¾¾VCO外接電阻端（R1）12¾¾VCO外接電阻端（R2）13¾¾比較器II輸出14¾¾比較器I輸入15¾¾齊納管16¾¾電源（VDD）
2.實(shí)驗(yàn)電路
本實(shí)驗(yàn)用電路模塊為：鎖相環(huán)調(diào)頻與測試模塊。見圖10-7


圖10-7鎖相環(huán)調(diào)頻與測試電路
三、實(shí)驗(yàn)儀器
1．鎖相環(huán)調(diào)頻與測試電路實(shí)驗(yàn)板
2．20MH雙蹤示波器
3.萬用表
四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。
1.壓控振蕩器的測試。
2.同步帶和捕捉帶的測量。
五、實(shí)驗(yàn)步驟
1.壓控振蕩器的測試
（1）在實(shí)驗(yàn)箱主板上插上鎖相環(huán)調(diào)頻與測試電路實(shí)驗(yàn)?zāi)K。接通實(shí)驗(yàn)箱上電源開關(guān)，電源指標(biāo)燈點(diǎn)亮。
（2）斷開J1，連接J2左，J3左，J4形成壓控振蕩器的測試電路。
（3）用示波器觀察VCO波形（TP1點(diǎn)），調(diào)整電位器RW1，使其自由振蕩頻率為500KHz（參考值）。
（4）調(diào)節(jié)電位器RW2，改變壓控振蕩器的控制電壓（TP3點(diǎn)），記錄VCO頻率在表10-1中。
（5）畫出控制電壓¾¾頻率關(guān)系曲線。
表10-1壓控振蕩器測試數(shù)據(jù)自由強(qiáng)振蕩頻率fKHz
控制電壓（V）振蕩頻率（KHz）2。同步帶和捕捉帶的測量
連接J1、J2右，J3左，J4，輸入500KHz、5V方波信號由低頻源提供，從IN1入。
（1）用示波器觀察VCO波形，調(diào)整電位器RW1，使其自由振蕩頻率為500KHz（參考值）[此步可省略]。
（2） 同步帶和捕捉帶的測量
可按定義來測量，方法如下：調(diào)基準(zhǔn)頻率fi，使fi< fvco，環(huán)路處于失鎖狀態(tài)，然后緩緩增加輸入信號頻率fi，用雙蹤示波器仔細(xì)觀察相位比較器兩輸入信號之間的關(guān)系。當(dāng)發(fā)現(xiàn)兩輸入信號由不同步變?yōu)橥?，且fi= fvco，表示環(huán)路已進(jìn)入到鎖定狀態(tài)，用頻率計(jì)記下此時的頻率為f1，這就是捕捉帶的下限頻率，繼續(xù)增加fi，此時壓控振蕩器頻率fvco將隨fi而變。但當(dāng)fi增加到f2&rsquo時，f0不再隨fi而變，這個f2&rsquo就是環(huán)路同步帶的上限頻率，然后再逐步降低fi。由上述判別方法，即可測出捕捉帶的上限頻率f2及同步帶的下限頻率f1&rsquo，從而可求出：
捕捉帶
同步帶
（6）觀察鎖定后的典型波形
實(shí)驗(yàn)中，是使用CD4046鎖相環(huán)的相位比較器I，其頻率鎖定在fvco0情況下的典型波形如圖10-8所示：

六、實(shí)驗(yàn)報告要求
1．測量并計(jì)算鎖相環(huán)同步帶和捕捉帶；
2．觀察并畫出鎖相環(huán)鎖定后的典型波形；
3．畫出控制電壓¾¾頻率關(guān)系曲線。
4．總結(jié)由本實(shí)驗(yàn)所獲得的體會。

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