锁相环调频和解调实验频率合成器实验

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实验11锁相调频与鉴频实验
一、实验目的
1. 掌握锁相环的基本概念。

2. 了解集成电路CD4046的内部结构和工作原理。

3. 掌握由集成锁相环电路组成的频率调制电路/解调电路的工作原理。

1. 2. 1. 2. 3. 4. 5. （1图11-1LF ）和图11-1锁相环的基本组成 ① 压控振荡器（VCO ）
VCO 是本控制系统的控制对象，被控参数通常是其振荡频率，控制信号为加在VCO 上的电压。

所谓压控振荡器就是振荡频率受输入电压控制的振荡器。

② 鉴相器（PD ）
PD 是一个相位比较器，用来检测输出信号0V （t ）与输入信号i V （t ）之间的相位差θ(t)，并把θ(t)转化为电压)(t V d 输出，)(t V d 称为误差电压，通常)(t V d 作为一直流分量或一低频交流量。

③环路滤波器（LF）
LF作为一低通滤波电路，其作用是滤除因PD的非线性而在)(t
V
d 中产生的无用组
合频率分量及干扰，产生一个只反映θ(t)大小的控制信号)(t
V
C 。

4046锁相环芯片包含鉴相器（相位比较器）和压控振荡器两部分，而环路滤波器由外接阻容元件构成。

（2）锁相环锁相原理
锁相环是一种以消除频率误差为目的反馈控制电路，它的基本原理是利用相位误差电压去消除频率误差。

按照反馈控制原理，如果由于某种原因使VCO的频率发生
变化使得与输入频率不相等，这必将使)(t
V
O 与)(t
V
i
的相位差θ(t)发生变化，该相位
差经过PD转换成误差电压)(t
V
d 。

此误差电压经过LF滤波后得到)(t
V
c
，由)(t
V
c
去改变
VCO的振荡频率，使其趋近于输入信号的频率，最后达到相等。

环路达到最后的这种
），因此
（3
化）
锁相环（4046）的结构框图及引出端功能图如下图所示。

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
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。

当载波频率与压控振荡频率相近时，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
继而
2.
（1）
（2）
⒁脚（
（3）
⒁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。

➢改变⒁脚输入信号频率，使频率逐渐降低，直至⑷脚（或⑵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”。

➢改变⒁脚输入信号频率，由f1开始频率逐渐增加，直至⑷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”。

➢改变⒁脚输入信号频率，由f2开始频率逐渐增加，直至⑷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”。

➢改变⒁脚输入信号频率，由f4开始频率逐渐降低，直至⑷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”。

将
、R13、R14
1.
（1）
将IN1
率、幅度，填入下表。

观察相位比较器（鉴相器）B端的波形，将测量结果填入下表。

观察鉴相器输出C端的预积分波形，将测量结果填入下表。

（2
（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）
➢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）。

➢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）。

➢调节载波信号频率，由f2开始逐渐缓慢增加，直至（VCOout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-f1
➢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-f2
2.
（1）
E端的
（2）．锁定的判断
将信号发生器输出的方波信号（幅度3.5V P-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）
➢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（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
➢（即：
➢
➢（即：
3.。

P-P。

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。

七、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，通常是用低频信号作为触发信号，这样更容易观测到波形。

八、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.
3.
4.
1.
2.
1.
2.频率计
四、实验电路说明
锁相式数字频率合成电路结构框图见下图。

图12-1频率合成器结构框图
1.锁相式数字频率合成电路的组成及工作原理
频率合成技术是现代通信对频率源的频率稳定与准确度，频率纯度及频带利用率
提出越来越高的要求的产物。

它能够利用一个高稳标准频率源（如晶体振荡器）合成出大量具有同样性能的离散频率。

直接式锁相频率合成器构成如图12-1所示。

图中R f 为高稳定的参考脉冲信号（如晶体振荡器输出的信号）。

压控振荡器（VCO ）输出经N 次分频后得到频率为N f 的脉冲信号。

R f 和N f 在鉴相器（PD ）进行比较，当环路处于锁定状态时，则：
R f =N f
因为：N f f v N /= 所以：R n V Nf Nf f ==
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+5V 的方法”以8421码的形式对技术器进
2. 为50%f 频率差f i f =f i 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，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）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）分频数的设置：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
（3）．
、12脚R2和6CD4046
R1，出R、C
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（自己选择数据测量）。

用双踪示波器同时检测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
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不一定同相的波形，记录测量结果。

3.
（1）．N，同时（2）．1的
（3）．R、C和N
1.
2.
1.根据测量结果，绘出锁相环的跟踪波形。

2.当分频比（N）分别为3、8、12时，计算压控振荡器（VCO）输出的频率。

简述可编程二进制4位1/N技术器CD4522各引脚的功能及逻辑功能。