鎖相環(huán)的初步研究及應(yīng)用

電子實驗二、鎖相環(huán)的初步研究及應(yīng)用實驗?zāi)康恼J(rèn)識并正確應(yīng)用鎖相環(huán)MCI4046B。初步掌握鎖相式數(shù)字頻率合成技術(shù)。掌握派沖吞食技術(shù)頻率合成器的工作原理。實驗原理鎖相環(huán)：基本鎖相環(huán)電路由相位比較器、壓控振蕩器與低通濾波器聯(lián)成的閉環(huán)頻率反饋系統(tǒng)。MCI4046B包含前二個單元，使用時應(yīng)外接低通濾波器（阻、容元件），從而形成完整的鎖相環(huán)。其原理圖如下：施加于相位比較器有二個信號：加于PHⅠ端的輸入信號V1(t)，經(jīng)壓控振蕩器輸出信號V0(t)。相位比較器輸出信號為Ve(t)，正比于V1(t)和V0(t)的相位差，Ve(t)經(jīng)低通濾波器后得到一個平均電壓Vd(t)，這個電壓控制壓控振蕩器(VCO)的頻率變化，使輸入與輸出信號的頻率之差不斷減小，直到這個差值為０，這時稱之為鎖定。當(dāng)鎖相環(huán)鎖定時，能使輸出信號頻率跟隨輸入信號頻率變化。鎖定范圍以fL表示,而鎖相環(huán)能“捕捉”的輸入信號頻率稱為捕捉范圍，以fc表示。鎖相環(huán)在相位鎖定的狀況下，輸入信號頻率f1變化時，VCO輸出頻率fco也跟著變化，并且嚴(yán)格保持一致，即fco＝f1，這就是鎖相環(huán)的環(huán)路跟蹤。壓控振蕩器的壓控特性如圖所示。壓控振蕩器的控制電壓從０向VDD變化時，振蕩頻率由fmin向fmax變化，電源電壓VDD高，中心頻率f0與最高振蕩頻率fmax高。電源電壓一定時，中心頻率f0、最高振蕩頻率fmax、最低振蕩頻率fmin的高低與振蕩器外接振蕩元件R1、R2、C1取值大小有關(guān)。三、實驗儀器MCI4046B鎖相環(huán)、MCI4526B、MC14522B、MC14027B４位二進(jìn)制１/N計數(shù)器 。四、實驗內(nèi)容對MCI4046進(jìn)行VOC壓控特性的測量。測量方法：按圖１連接電阻電容調(diào)節(jié)電位器Ｒ，使VOC輸入電壓從０～VCC由小到大變化，測量輸出頻率f。VCC最大值為5V。作出f～VCIN曲線并分析之。測量數(shù)據(jù)電壓（Ｖ）00.511.62周期（us）4.34.34.24.23.9頻率（kHz）232.56232.56232.56238.10256.412.423.23.644.453.43.12.92.62.42.22.1294.12322.58344.83384.62416.67454.55476.20作出其圖形：分析在上圖中，可以看出瑣相環(huán)的壓控特性曲線，隨著電壓的增大瑣相環(huán)的頻率也隨之增大。由瑣相環(huán)的特性可知其中心頻率的大小，其中心頻率為f0=1/2*(VDD)，故而可得瑣相環(huán)的中心頻率在Ｖ＝2.5V時為f0=300KHZ。分別用PCI和PCⅡ鑒鄉(xiāng)器組成單級鎖相環(huán)路，測量環(huán)路特性，測出同步帶和捕捉帶。如圖3組成PCⅠ（異或門鑒相器）的鎖相環(huán)路，測量同步帶△fH和捕捉帶△fP。圖３捕捉帶：236.2KHZ~450KHZ同步帶：213.1KHZ~430.7KHZ其頻率高端略低但仍屬于正常范圍內(nèi)，在實驗中有一個參考范圍，不致出錯。如圖４組成PCⅡ（旁沿觸發(fā)數(shù)字比較器）鎖相環(huán)路，測量同步帶△fH和捕捉帶△fP。圖４捕捉帶：231.13KHZ~463.0KHZ同步帶：243KHZ~467.0KHZ由此可大致上了解瑣相環(huán)的追蹤帶寬，并對它的性能有了一個大概的了解。如上圖，測量輸入、輸出相位差?？芍湎辔幌嗖詈苄〗咏冢?，可以不計。3．用MC14060和4.096MHZ晶振產(chǎn)生1KHZ信號。如圖５聯(lián)結(jié)，因１ＫHZ信號為4.096MHZ信號經(jīng)12分頻產(chǎn)生，故MC14060Pin1輸出為１ＫHZ。圖５這一步驟未單獨(dú)完成，包涵在下一步的實驗中，直接作為電路板的頻率發(fā)生器，在完成電路板的插件后，使用示波器對１端口檢測，其輸出頻率為：。符合實驗的要求。此步驟完成。４．用MC14526B、MC14522B、MC14046B、MC14027B，組成ＮT派沖吞食分頻器，與上述MC14060（PCⅡ）組成頻率綜合器，要求fr=1ＫHZ。派沖吞食技術(shù)頻率合成器工作原理。圖６為“吞食派沖”合成器原理。參考信號fr由晶振經(jīng)Ｎ1分頻而得，VCO產(chǎn)生的f0信號經(jīng)預(yù)置分頻器ＮH/ＮL，分頻產(chǎn)生f３信號，通常ＮH=ＮL+1。（例如ＮH＝11，ＮL＝10）ＮH/ＮL取值受吞食派沖器控制。開始工作時，f0經(jīng)ＮH分頻得f３，吞食計數(shù)器對f３計數(shù)到ＮS時送出S1信號使預(yù)置分頻器變?yōu)椋蜭，此狀態(tài)繼續(xù)到程序分頻器Ｍ計滿Ｍ值時并送出一個派沖S２去控制預(yù)置分頻器ＮH，另外送出派沖形成f２至采樣鑒相器。系統(tǒng)又恢復(fù)到起始狀態(tài)，此后又重復(fù)上述過程。則環(huán)路輸出頻率f0應(yīng)為：f0=(M*ＮL+ＮS)fr按線路圖連接電路，在該電路圖中，由于U2A(MCI4027)的作用，使得環(huán)露輸出頻率為：f0=2*(M*ＮL+ＮS)*fr實驗過程１．其理論值。當(dāng)Ｍ＝１４時，Ｃ為110Ｐ，其理論值為；f0=2*(M*ＮL+ＮS)*fr其中ＮL為１０，ＮS從０到９。ＮSf0(KHZ)去二分頻f0(KHZ)P5P11P14P2028214100001282141000132841420011428614301005288144010162901450110729214601118294147100092961481001當(dāng)Ｍ＝１5時，Ｃ為220Ｐ，其理論值為；f0=2*(M*ＮL+ＮS)*fr其中ＮL為１０，ＮS從０到９。ＮSf0(KHZ)去二分頻f0(KHZ)P5P11P14P2030215100001302151000133041520011430615301005308154010163101550110731215601118314157100093161581001２．在實驗中，連接好電路后，即可用頻率追蹤器測得輸出頻率，為上表的第二列。第二步，去除二分頻，即直接將MC14027B的第3管腳和MC14046B第3管腳相連，這時無分頻作用。所測得的頻率為上表的第三列，MC14522B中P5、P11、P14、P2的接法如上表所示。由于電路在ＮS為０或多或１時頻率數(shù)值不變，是MC14522B無法分辨之故，因而需在MC14522B和MC14027B之間加一個MC4002芯片，利用其與非門的功能將其分辨出來，電路如副圖修改所示。最終，電路所分辨的輸出頻率為ＮS為０時為140為１時是141?？芍嵪喹h(huán)不僅可以穩(wěn)定系統(tǒng)頻率，還可以起到線路的分頻作用和數(shù)字頻率的合成，在一個系統(tǒng)中，提取所須的實際頻率。對實際工作有很重要的幫助。五、實驗小結(jié)在本次實驗中，開始部分進(jìn)行的比較順利，對瑣相環(huán)的VOC壓控特性的測量，作出其曲線。將瑣相環(huán)分別組成單級瑣相環(huán)路PCⅠ和PCⅡ并測量了同步帶和捕捉帶。并沒有遇到什么障礙。但在進(jìn)行最后一個也是最難的一個步驟時，遇到了麻煩。由于電路比較復(fù)雜，在連線時出現(xiàn)了一些小錯誤，后經(jīng)檢查解決。最主要的一個問題是在連第一個MCI4526B時，其第六腳做為輸出腳，與MCI4046B的第四腳相連，由于MCI4046B的第四腳是頻率輸出，則MCI4526B的第六腳應(yīng)為輸入。而副圖上標(biāo)的為輸出，視為有誤?？稍摰?。連接4002時應(yīng)注意連接的順序，在實驗中有一奇怪現(xiàn)象。即4002應(yīng)先使用9、10、