集成鎖相環(huán)應用

1、集成鎖相環(huán)應用第1頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四試驗任務與要求實驗目的了解鎖相環(huán)路的工作原理，電路組成及性能特點；掌握鎖相環(huán)路及其部件性能指標的測試方法； 掌握集成鎖相環(huán)的基本應用。 第2頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四實驗儀器高頻信號發(fā)生器 QF1055A 一臺;超高頻毫伏表 DA22A 一臺;頻率特性測試儀 BT3C 一臺;直流穩(wěn)壓電源 HY17112 一臺;數(shù)字示波器 TDS210 一臺.第3頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四實驗任務與要求1.實驗電路介紹 用CD4046構成的10倍頻電路，見圖1。CD4046為鎖相

2、環(huán)，74LS90及外圍電路組成十分頻電路。來自CD4046的4腳壓控振蕩器輸出信號經T210十分頻從11腳反饋至鑒相器的引出端3腳，反饋信號與鑒相器的14腳輸入信號(標準參考信號)作比較，在環(huán)路的同步范圍內(鎖定狀態(tài))，實現(xiàn)倍頻作用，即4腳頻率是14腳頻率的10倍(3腳頻率與14腳頻率相等)。第4頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四實驗說明及思路提示鎖相環(huán)的組成原理 鎖相環(huán)（PLL）基本組成框圖如圖6所示。AGC自動增益控制AFC自動頻率控制APC自動相位控制鎖定時無剩余頻差良好的窄帶濾波特性第5頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四圖16.頻率合成原理圖

3、如下： 第6頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四圖7. CD4046原理圖如下：第7頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四圖1.用CD4046構成的十分頻電路 第8頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四2.基本命題VCO特性的測量 測試電路見圖2，測VCO的foUc關系，UC從0V5V變化，間隔1V，對應測量VCO的輸出頻率，列表記錄并繪成曲線。a：R210K的情況。 電源電壓為5V，控制電壓用另外一路電源產生，用頻率計測出相應的頻率即可。b：若此時給控制端輸入50KHz的方波，觀測輸出波形。第9頁，共49頁，2022年，5月20日，1點

4、45分，星期四圖2. foVC測試線路圖如下： 第10頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四測量CD4046鎖相環(huán)的同步帶 測量電路如圖1，去掉分頻電路，CD4046的3.4腳短接。VCO的上、下限頻率測量。a.把9腳接地，用示波器觀察4腳波形，并用頻率計測出VCO下限頻率。b.把9腳接+5V電源，用示波器觀察波形，并測出VCO上限頻率。Ui輸入正弦信號，其頻率fi=100KHz，Vip.p3p-p，用示波器觀察4腳波形，并記錄其頻率。測量環(huán)路的同步帶第11頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四用頻率計觀察VCO的輸出頻率f0，調節(jié)輸入信號頻率fi，當f0跟

5、著增加，直至增加到f0不變，測出剛好f0不變時的fi1。然后fi減小，使環(huán)路鎖定。在繼續(xù)減小fi，則f0也跟著減小，直至f0不跟隨fi變化測出剛好失鎖時的fi2，則環(huán)路的同步帶fH為： fH=(fi2-fi1)/2第12頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四用CD4046鎖相環(huán)構成10倍頻電路 測量電路見圖1，加上分頻器（10分頻）。調整參考信號頻率，使其環(huán)路處于鎖定狀態(tài) 測量參考信號頻率fA、VCO的振蕩頻率fc，分頻器輸出fB，觀察三點的波形并記錄。測量10倍頻時的同步帶，與鎖相環(huán)路的同步 帶作比較。測出5分鐘內，環(huán)路鎖定時的VCO頻率穩(wěn)定度，并與參考信號作比較。 第13

6、頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四圖3.CD4046鑒頻電路圖如下：第14頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四3.擴展命題若選用NE562（國產型號L562）器件作實驗，可作以下實驗內容（實驗電路如圖4）。 該電路利用L562完成鑒頻，環(huán)路設計時，使環(huán)路處于調制跟蹤狀態(tài)，壓控振蕩器的振蕩頻率跟蹤輸入信號頻率而變化，由環(huán)路濾波器輸出端取出調制信號。由于要求環(huán)路工作在調制跟蹤狀態(tài)，因此必須設計環(huán)路濾波器的帶寬，以保證調制信號成分通過。此實驗電路在9端經15K電阻接地后取出調制信號，技術指標是：調頻信號中心頻率 fo10MHz調制頻率 F3004000Hz峰

7、值調制指數(shù) mf4第15頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四輸入的單邊相加噪聲譜密度：Wi4nW/Hz提示：在解調電路中，根據(jù)調頻信號的中心頻率fo計算定時電容CT，根據(jù)調頻信號的最大頻偏計算環(huán)路參數(shù)。調整VCO的振蕩頻率f0=10MHz。觀察鎖相環(huán)路的工作過程，將輸入信號fi調在5MHz左右，使鎖相環(huán)處于鎖定和失鎖狀態(tài)，用示波器9端觀察波形的變化。測量鎖相環(huán)路的同步帶fH。測量鎖相環(huán)路的撲捉帶fP。 輸入調頻波，用示波器觀察解調輸出。 第16頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四圖4.調頻信號解調電路圖如下：第17頁，共49頁，2022年，5月20日，1

8、點45分，星期四用L562鎖相環(huán)構成十倍頻電路 實驗電路如圖5，實驗內容參考基本命題所述。如何判斷環(huán)路處于鎖定狀態(tài)？你能想出一個簡便的指示鎖定的方法嗎？自行設計一個頻率合成器 技術指標要求：頻率范圍： 10KHz99KHz頻率穩(wěn)定度：f/f0 10.5輸出幅度： Vp.p3V器材清單：CD4046、74LS00、74LS90、74LS161、晶體1MHz。 第18頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四圖5.鎖相倍頻電路如下圖：第19頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四實驗報告要求整理實驗數(shù)據(jù)，做出必要的曲線。 對實驗結果進行討論。第20頁，共49頁，202

9、2年，5月20日，1點45分，星期四鑒相器：是相位比較器。它把輸入信號Ui(t)和壓控振蕩器的輸出信號Uo(t)進行比較，產生誤差電壓Ud(t)。鑒相器完成相位差.電壓變換的作用，其輸出誤差電壓是瞬時相位差的函數(shù).環(huán)路濾波器：環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差電壓Ud(t)中的高頻成分和噪聲，以保證所要求的性能、增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。環(huán)路濾波器的特性為：壓控振蕩器：壓控振蕩器受控制電壓Uc(t)的控制，使壓控振蕩器的頻率向輸入信號的頻率靠攏，也就是使差拍頻率越來越小，直至清除頻差而鎖定。壓控振蕩器的特性為： 或第21頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四 根據(jù)環(huán)路的三個基本部件的特性可得

10、到環(huán)路的 基本方程為：常用單片集成鎖相環(huán)介紹1.COMS低頻數(shù)字鎖相環(huán)的介紹 COMS、CD4046鎖相環(huán)是低頻通用單片數(shù)字鎖相 環(huán)，最高工作頻率為1MHz左右，電源電壓為5 15MHz。當f10KHz時，功耗約0.159mW。 CD4046電路在FM調制解調、頻率合成、數(shù)據(jù)同 步、FSK調制及電機速度控制方面獲得了廣泛 的應用。第22頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四CD4046的工作原理及組成圖7是CD4046的原理圖。集成單片由兩個鑒相器(PDI和PDII）、壓控振蕩器、源極跟隨器和一個5V左右的齊納二極管等幾部分組成。PDI為異或門鑒相器，PDII為數(shù)字鑒頻鑒相器

11、，它們有公共的信號輸入端14端和反饋輸入端3端。環(huán)路濾波器接在2端或13端，9端是VCO的控制端，定時電容CT接在6、7端。接在11、12端的電阻R1、R2同樣可以起到改變振蕩頻率的作用。12腳外接電阻R2，它用作確定控制電壓為0時的最低振蕩頻率f0max；5腳為VCO的第23頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四禁止端1NH，當1NH“1”時，VCO停止振蕩，當1NH“0”時，VCO振蕩；4腳為VCO的輸出，15腳內接齊納二極管可提供與TTL兼容的電源。鎖相環(huán)4046外部元件的選擇由原理圖可知，VCO的特性由外接元件R1、R和C確定。兩個比較器可接不同的輸入狀態(tài)選擇使用。圖

12、8(a).(b).(c)為CD4046中 VCO在不同外部 參數(shù)下的特性曲線，這些曲線可與圖9的表配合使用，可用作應用時的設計依據(jù)。第24頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四圖8.VCO在不同外部參數(shù)下的特性曲線如下：第25頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四 第26頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四圖9.PC和VCO外部特性表第27頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四續(xù)表第28頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四2.模擬集成鎖相環(huán)模擬 集成鎖相環(huán)電路典型的有高頻NE560、NE561、NE5

13、62（L562）、NE564(L564)及超高頻PC1477C等。其中NE564最高工作頻率可達50MHz，廣泛應用于FM調制解調、載波提取數(shù)據(jù)同步、倍頻、移頻等。這里僅以L562為例作簡要說明。 L562的組成框圖見圖10，其引腳功能列于圖11所給的表中。 第29頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四圖10.L562方框圖如下：第30頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四圖11.L562管腳功能圖如下：第31頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四鑒相器：采用雙平衡模擬乘法器，壓控振蕩器以3、4端輸出的方波電壓，經外電路接通，加在2、15端

14、上。輸入信號電壓ui(t)加到11、12端上（可雙端輸入，也可單端輸入，單端輸入時一端必須經過電容接地），產生的差電壓從13、14端輸出。PD的鑒相特性為：式中: Io為恒流源的電流 RL為鑒相器負載電阻 Ui為輸入信號振幅環(huán)路濾波器：根據(jù)環(huán)路用途的不同，可以從13、14端接入各種形式的濾波器，若環(huán)路用于對調頻信號的解調，則可分別在13和14端到地串接R1C1網絡。構成無源比例積分濾波器。常用濾波器如圖12所示，圖下面是它們的傳遞函數(shù)。第32頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四圖12.LF的結構形式圖如下：第33頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四第34

15、頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四 式中R為13和14端之間的內阻，取值為12K。 若VCO工作頻率在5MHz以下，一般用a、b兩 種型式；當工作頻率高于5MHz時，可用c、d兩 種型式。 壓控振蕩器： VCO電路采用的是射極定時多諧振蕩器，產生的方波經過射隨器由3、4端輸出，定時電容CT接在5、6端之間。振蕩器的固有振蕩頻率可由下式計算： 式中CT為外接電容，單位為PF VCO微調頻率的方法： a.在CT兩端并接一個微調電容，改變其容量即 第35頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四 可調整fo，但因其變化范圍小，只適用于工作 頻率高的調整。 b.在C

16、T兩端并聯(lián)上電阻R和電源電壓EA組成微 調電路，連接方法如圖13所示。第36頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四圖13.微調fo電路圖如下： 第37頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四鎖相環(huán)應用1. 利用鎖相環(huán)實現(xiàn)鑒頻： 對調頻信號的解調，可采用普通鑒頻器和鎖相 鑒頻器。若用鎖相鑒頻器，可得到一些鑒頻門限上的改善，因此它很適用于對微弱調頻信號的解調。兩種鑒頻器性能比較見圖14，鑒頻原理框圖見圖15。第38頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四圖14.鑒頻性能比較圖如下：第39頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四圖15

17、.鎖相環(huán)鑒頻原理框圖如下： 第40頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四2.利用鎖相環(huán)路實現(xiàn)頻率合成： PLL最重要的應用就是頻率合成。所謂頻率合成是指用任一指定的基準頻率（例如用晶體振蕩產生的高頻穩(wěn)定頻率基準）經過一些功能電路的作用，產生一系列我們所需要的穩(wěn)定度與基準頻率相當?shù)钠渌l率信號。 利用鎖相環(huán)實現(xiàn)頻率合成的原理框圖如圖16所示.由圖可知，環(huán)路鎖定后，有frf0。 而fr=fs/M，f0=f0/N ，故有f0=(N/M) fs 。 式中M若固定，N程控可變，改變N就可得到不同的輸出頻率，當N也固定時，則電路就實現(xiàn)了倍頻。鎖相環(huán)的鎖相環(huán)的應用很多，配合試驗測試，以上僅

18、介紹了其中兩種典型應用。另 第41頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四 外現(xiàn)在的頻率合成也有專用的集成芯片，例如 MC145106、MC145152等，這些讀者可查詢相關資料。鎖相環(huán)路的測試 PLL的測量：鎖相環(huán)路的測量包括部件和環(huán)路整體的測量。由于組成環(huán)路部件電路不同，測量方法也就不同。下面以L562為例，簡述測量方法。1.環(huán)路部件的測量對于具有正弦鑒相特性的鑒相器，其鑒相靈敏度測量框圖如圖17所示。第42頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四圖17.鑒相靈敏度測量框圖如下：第43頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四 將輸入信號fi調

19、在fof，f一般小于鑒相 器自身低通濾波器的截止頻率，這樣兩個信號的相位差t，鑒相器輸出電壓Ud(t)近似正弦波，示波器y軸代表Ud,X軸代表時間，即代表相位差e，測出Ud(t)的振幅值，則鑒相靈敏度Kd=Udm。VCO控制特性的測量VCO是一個振蕩頻率受控制電壓控制的振蕩器，所以用改變控制電壓的方法，測出不同控制電壓時相應的頻率，描繪成曲線，可得到控制特性。由于L562的VCO控制端無引出腳，不便直測，可加一個移相器來間接測量，如18所示。第44頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四圖18.壓控特性測量框圖如下：第45頁，共49頁，2022年，5月20日，1點45分，星期四 信號源輸出一路直接加到鑒相器，它的輸出又經移相器送到鑒相器的另一輸入端，改變移相器的相位，測出環(huán)路濾波器輸出電壓Uc，再測出對應點的頻率，描繪成foUc曲線，即為VCO