锁相环调频和解调实验频率合成器实验

锁相环调频和解调实验频率合成器实验

SANY标准化小组 #QS8QHH-HHGX8Q8-GNHHJ8-HHMHGN#

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。

二、预习要求

1.复习反馈控制电路的相关知识。

2.锁相环路的工作原理。

三、实验仪器

1.高频信号发生器

2.频率计

3.双踪示波器

4.万用表

5.实验板GPMK8

四、锁相环的构成和基本原理

（1）锁相环的基本组成

图11-1是锁相环的基本组成方框图，它主要由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）组成。

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状态就称为锁定状态。当然由于控制信号正比于相位差，即)(t V d 正比于θ（t ），因此在锁定状态，θ（t ）不可能为零，换言之，在锁定状态)(t V O 与)(t V i 仍存在相位差。虽然有剩余相位误差存大，但频率误差可以降低到零，因此环路锁定时，压控振荡器输出频率O F 与外加基准频率（输入信号频率）i F 相等，即压控振荡器的频率被锁定在外来参考频率上。

（3）同频带与捕捉带

同步带是指从环路锁定开始，改变输入信号的频率i f （向高或向低两个方向变化），直到环路失锁（ 由锁定到失锁），这段频率范围称为同步带。

捕捉带是指锁相环处于一个固有的自由振荡频率V f ，即处于失锁状态，当从高端慢慢减小外加输入信号频率i f （初始频率设置较高），直到环路锁定，此时外加输入信号频率max i f 就是同步带的最高频率。当从低端慢慢增加外加输入信号频率（初始频率设置较低），直到环路锁定，此时外加输入信号频率min i f 就是捕捉带的最低频率。捕捉带为max i f -min i f 。

五、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。

锁相环（4046）的结构框图及引出端功能图如下图所示。

CD4046

12345678

9

10111213141516PCPout PC1out

COMPin VCOout INH C1A

C1B Vss

VCOin

SFout R1R2PC2out

SINGin ZENER V DD

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

鉴相器PID 压控振荡器

VCO 高频信号放大器

LM318

低通滤波器R5C2加法器uA741

载波

调制信号

调频波输出

CD4046

(3)(4)(14)

(2)(9)锁相环调频电路原理框图

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）f 0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

f 0f 12

34f f f 同步带捕捉带鉴相器PID 压控振荡器

VCO

高频信号放大器

LM318

低通滤波器R15C6载波

解调输出

CD4046

(3)(4)(14)

(2)(9)

锁相环解调电路原理框图

跟随器

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f 0、同步带与捕捉带的测量方法。 （1）．自振频率f 0的测量

用示波器观测⑷脚的输出波形（方波），用频率计测量自振频率f 0。 （2）．锁定的判断

⒁脚（SIGNin ）输入方波信号，用示波器观察⑵脚（PC1out ）的波形，如锁

定，可得到一个稳定的矩形脉冲；若⒁脚输入信号频率与压控振荡器的振荡频率相等，则⑵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

⒁脚输入一个方波信号（最好用频率计检测），其频率与f 0（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“f 1”。

改变⒁脚输入信号频率，由f 1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“f 2”。

改变⒁脚输入信号频率，由f 2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“f 4”。

改变⒁脚输入信号频率，由f 4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“f 3”。

由以上可计算出： 同步带宽为：f 4-f 1 捕捉带宽为：f 3-f 2

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