实验地的题目锁相环地应用的

实验题目锁相环的应用

一．实验目的

1．通过实验掌握锁相环的基本原理

2．应用锁相环构成一个频率合成器的实验，熟悉锁相环的实际应用，并了解锁相环部分参数的测试

二．基本原理

1．锁相环电路基本原理：

锁相技术是近代电子技术中一种基本技术，它利用闭环反锁系统，使输出信号的相位与输入信号（或基准信号）的相位维持一定的关系。

锁相环电路的基本结构如图一所示，它由鉴相器，低通滤波器和压控振荡器等部件所组成的闭环反锁系统。

当V d(t)=0时压控振荡器进行自由振荡，当信号输入后（通常f i≠f o），鉴相器对V i(t)的f i，θi与V o(t)的f o，θo进行比相，并输出两信号相位差(θi-θo)成正比的误差电位V e(t)，经过低通滤波器除V e(t)的高频成分，输出控制电压V d(t)，并对压控振荡器进行调节控制，改变其输出频率与相位。驱使VCO的输出频率

向输入信号频率靠拢，最后VCO输入被锁定在输入频率上，而保持一定的相位差。

一般而言，输出信号V o(t)具有与V i(t)相同数量级的频率稳定度。可见，利用锁相环电路可提高VCO输出信号的频率稳定度。若输入信号V i(t)的频率（相位）在一定范围内变化，则输出V o(t)也将随之而变化，即锁相环具有跟踪特性。由于锁相环具有上述两个特点，因此在广播，电视，雷达遥控，遥测等技术中获得广泛的应用。

锁相环是一个闭环负反馈系统，因此可用一般自动控制系统的分析方法（拉普拉斯变换法）来进行分析。这里仅将其中一些主要公式作一介绍与分析，具体请参看有关书籍。

a)鉴相器：鉴相器输出误差电压为V e(S)

V e(S)=K p(θi(S)- θo(S)) (1) 其中K p为鉴相器增益，即单位相位差所产生的误差电压。量纲为伏/弧度。

可见，鉴相器是一个对相位差敏感的器件。它种类很多，有二极管构成正弦鉴相器；有由双差分放大器构成的乘法鉴相器，近年来还广泛采用由数字逻辑门电路构成的数字式鉴相器等等。

b)低通滤波器：

低通滤波器是锁相环路的一个重要部件，当然。若环路中没有低通滤波器，似乎也能构成锁相环。如图二

这种环路称为一阶锁相环。

然而若输入信号V i(t)中附有高频干扰，则输出V o(t)也随干扰变化，造成频率不稳定，甚至发生失锁现象。

低通滤波器作用是1）衰减高频部分，提高抗干扰能力。2）若用瞬变因素而发生瞬时失锁，则低通滤波器可为环路提供短期存贮，并保证环路能迅速再锁定。

低通滤波器有滞后型，滞后——超前型和有源比例积分滤波器等。

假设低通滤波器的传递函数为F(S)。

V d(S)=F(S) ·V e(S) (2)

c)压控振荡器

该振荡器的频率受外加电压所控制，振荡频率变化Δωo与外加电压V d(t)成正比。

Δωo =K o V d(t) (3) 其中K o为压控振荡器的增益，表示单位控制电压所引起的振荡频率的变化量，量纲为弧度/秒·伏。

（3）式也可写成

)(

0t

V

K

t d

O

=

∆

∆θ其拉氏变换为

S

S

V

K

S d

o

o

)

(

)

(=

θ(4) d)可得闭环回路的开环传递函数G(S)

S

K

S

F

K

S

G o

p

)

(

)

(=(5) 现在我们来讨论反馈电路的稳定性。

如低通滤波器用简单RC滤波器时

则

RC

S

RC

S

F

1

1

)

(

+

=代入（5）式

)

1

(

1

)

(

RC

S

S

RC

K

K

S

G

p

o

+

=

图四

它的对数幅频特性曲线如上图

因为20lg(R C K o K p)＞＞

所以系统是不稳定的。为了使系统稳定还必须加上超步纠正。

2．锁相环的主要应用：

锁相环可广泛用与通讯技术，频率合成，自动频率锁定，马达稳速等，下面简单介绍锁相环应用。

a)调频波解调

图五是利用锁相环实现调频波解调的框图。

o

o d K f t V ∆=)(Θ 又i o f f ∆=∆Θ o i d K f t V ∆=

∴)( 即我们所需要的能调输出。 目前由于有集成化锁相环路，利用它可方便地实现调频波的解调。 b) 频率合成

这是本实验的主要电路。利用某一基准频率经过适当的电路，得到另一些频率，它具有基准频率相同的稳定性。

图六是利用锁相环实现频率合成的框图。

显然，当环路入锁后应满足

N f M K o i =，即输出信号频率i o f M

N f =

即可得到一系列输出频率（只要改变分频率N）

三．实验仪器

1．示波器

2．数字万用表

3．通用频率/计数器

4．信号源

5．电源

四．实验内容

1．利用集成锁相环CD4046组成频率合成，f i=10KHz,N得到100，这样输出频率以0.1KHz间隔变化，N由1—1000可变，输出频率f o变化范围为0.1KHz—99.9KHz。

2．要求在0.1KHz—99.9KHz范围内，相位抖动不超过整个周期的5%。

3．测出压控振荡器的特性曲线，并求出K o。

4．测出鉴相器Ⅱ的特性曲线，并求出K p（包括低通滤波器）。