第四次高频电子技术实验报告锁相环调频.doc

实 验 报 告 课 程: 高频电子技术 实 验: 锁相环调频 班 级: 电信142班 组 员:辛杰 李聪 黄盟 宋明春 罗流菊 日 期: 二零一五 年 十一月 二十七日 锁相环调频一. 实验目的1 加深对锁相环基本工作原理的理解。2 掌握锁相环同步带、捕捉带的测试方法，增加对锁相环捕捉、跟踪和锁定等 概念的理解。3 掌握集成锁相环芯片NE564的使用方法和典型外部电路设计。二、实验使用仪器1NE564锁相和调频实验板2200MHz泰克双踪示波器3. FLUKE万用表4. 射频信号发生器5. 低频信号源三、实验原理工作原理本实验采用的是锁相环来实现调频的功能，锁相环是由鉴相器( PD)、环路滤波器( LF)和电压控制振荡器( VCO)三个基本部件组成。它它它是一个相位误差控制系统，它将参考信号与输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整输出信号的相位，以达到与参考信号同频的目的 。 锁相环的构成框图鉴相器是相位比较器，用来比较输入信号与压控振荡器输出信号的相位，输出电压对应于这两个信号相位差的函数。环路滤波器是滤除高频分量及噪声，以保证环路所要求的性能。 压控振荡器受环路滤波器输出电压的控制，使振荡频率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频率相同，使得VCO输出信号的相位和输入信号的相位保持某种特定的关系，达到相位锁定的目的。*判断环路是否锁定的方法在有双踪示波器的情况下，开始时环路处于失锁状态，加大输入信号频率，用双踪示波器观察压控振荡器的输出信号和环路的输入信号，当两个信号由不同步变成同步，且时，表示环路已经进入锁定状态。锁相调频电路在普通的直接调频电路中，振荡器的中心频率稳定度较差，而采用晶体振荡器的调频电路，其调频范围又太窄。采用锁相环的调频器可以解决这个矛盾。锁相调频原理框图如下图所示 锁相调频原理图正如上面锁相调频原理图所示，实现锁相调频的条件是调制信号的频谱要处于低通滤波器通带之外。使压控振荡器的中心频率锁定在稳定度很高的晶振频率上，而随着输入调制信号的变化，振荡频率可以发生很大偏移。这种锁相环路称载波跟踪型PLL，本实验中使用的锁相环是NE564。 NE564内部压控振荡器的最高工作频率是50MHz，从图10-5的逻辑框图中可以看到，NE564的内部包含一个限幅放大器，对外部的输入信号进行限幅放大，抑制寄生调幅，内部还包含压控振荡器和相位比较器。环路低通滤波器外接，内部有一个放大器对鉴相器的输出电压进行放大，然后经过直流恢复器后得到模拟信号的输出。内部还有一个斯密特触发器，可以得到TTL电平的数字信号输出。锁相环闭环的拉氏模型方程可以表示为：锁相环传递函数锁相环误差传递函数四、仿真锁相环调频实验其输出调频波的波形如下：仿真的时候输出的波形是完好的调频波（是正弦波的形式），而实验输出的却不是这么好看的调频波，可见仿真与实验还是不能等同的，这也告诫我们在做后续的设计电路的时候，万不能太相信仿真，仿真出了结果可是实际焊的电路未出结果是很正常的。五、实验内容： 锁相环调频实验原理图电路原理图电路原理：电容C12和C13是5V的直流电源的去耦电容，NE564的1脚和10脚外接5V正电源，8脚接地。12脚和13脚之间有一个可变电容，可以微调压控振荡器的中心频率，跳线开关S8可以切换固定电容，决定了载波中心频率的范围。调制信号从J2输入，滑动变阻器W2分压控制输入调制信号的幅度，电容C1是隔直电容，调制信号从6脚输入鉴相器，电阻R1和电容C2是7脚外接的滤波电路。9脚是压控振荡器的输出端，电阻R7是上拉电阻。3脚是鉴相器的另外一个输入端，当跳线S1接到锁相环路时，构成锁相环路。当跳线S1接到调频回路时，构成调频电路。调频信号直接从9脚输出，在FM OUT端可以通过示波器观察调频信号。芯片的4，5脚分别外接低通滤波器的滤波电容，跳线S3，S4的断开时，滤波电容是300pF，闭合时滤波电容是1300pF。TP4是环路低通滤波器的输出端。滑动变阻器W3可以调节低通滤波器的截止频率。滑动变阻器W1可以调节芯片2脚的基准电流，从而调整NE564的频率锁定范围。16脚是FSK解调的输出端，电阻R4是上拉电阻。TP3处可以外接示波器观察FSK解调出的TTL电平的数字基带信号。14脚是普通调频信号的解调输出端，电容C14是外接的积分电容。15脚是NE564内部斯密特触发器的迟滞电压控制端，当跳线S6闭合时，可以通过滑动变阻器W4调节迟滞电压，来获得FSK解调出的正确的数字基带信号。实验过程：本实验主要包括如下三个内容1. 压控振荡器的测试；2 . 同步带和捕捉带的测量；3. 调频信号的产生和测量。Step 1. 压控振荡器的测试（1） 在实验箱主板上插上锁相环调频与测试电路实验模块。接通实验箱上电源开关，电源指标灯点亮。 （2） 把跳线S1，S2，S5，S6，S7断开，S3，S4合上。在这种状态下，单独测试压控振荡器的自由振荡频率：将双排开关S8的5端合上，此时8200pF的固定电容接入12，13脚之间，用示波器观察TP2处的波形（压控振荡器的输出端），并测量此时的振荡频率。调节滑动变阻器W1的值，观察振荡频率是否有变化，并思考原因。然后调节可变电容CW，观察振荡频率的变化范围，并记录。当合上S8的5端时，此时振荡器输出频率f=50.91kHz的方波，Vpp=5.24V其波形如下图图1图2图 1W1减小上图显示的是W1减小过程的波形变化，在实验过程中，我不断地交线W1的值，发现输出波的频率在不断改变，从起初的50.91kHz变到了71.02kHz，而幅度基本不变。W1能改变输出波频率的原因：滑动变阻器W1可以调节芯片2脚的基准电流，从而调整NE564的频率锁定范围（查书）另外通过调节微变电容CW（此时使得W1保持不变），测得输出信号频率的变化范围为50.73550.909kHz将双排开关S8的6端合上，此时820pF的固定电容接入12，13脚之间，用示波器观察TP2处的波形（压控振荡器的输出端），并测量此时的振荡频率。调节滑动变阻器W1的值以及CW，观察及记录振荡频率的变化。当合上S8的6端时，此时振荡器输出频率f=342.91kHz的方波，其波形如下图图3。与S8接到5端时的情况比较，输出频率普遍增大，这是因为S8所接的电容直接接入压控振荡器的12、13脚，它决定了振荡器的载波中心频率，接入的C越小，振荡频率越大，这可由公式得到。S8接5的时候，接入了8200pF的电容，而S8接6端时，只接入了820pF的电容，所以接6端时振荡频率要普遍比它大。W1减小图4图3上面两图显示的是W1减小过程的波形变化，同样我们发现输出波的频率随着W1的减小而增大，从起初的342.91kHz变到了704.20kHz， 其原因在S8接5端的时候已经叙述。另外调节微变电容CW（此时使得W1保持不变），测得输出信号频率的变化范围为487.281505.7601kHz将双排开关S8的7端合上，此时82pF的固定电容接入12，13脚之间，用示波器观察TP2处的波形（压控振荡器的输出端），并测量此时的振荡频率。调节滑动变阻器W1的值以及CW，观察及记录振荡频率的变化。当合上S8的7端时，此时振荡器输出频率f=2.82MHz的方波，其波形如下图图5。因为此种情况，接入压控振荡器的是82pF的电容，所以频率更进一步的增大时理所当然（前面已经说明理由）。W1减小图6图5上面两图显示的是W1减小过程的波形变化，同样我们发现输出波的频率随着W1的减小而增大，从起初的2.82MHz变到了3.46MHz， 其原因在S8接5端的时候已经叙述。另外调节微变电容CW（此时使得W1保持不变），测得输出信号频率的变化范围为2.673.6MHz锁相环此时输出的已不是方波，上下已明显不对称？试解释其原因。原因解释：这是由频率牵引造成的。在锁相环中，压控振荡器是一个电压频率变换装置，在环中作为被控振荡器，它的振荡频率随输入控制电压线性的变化（实际上，只是在一定范围内线性变化），即，定义 ，在稍大于K时，由于在一周内瞬时相差平均增长率不一样，使得鉴相器输出误差电压称为一个上下不对称的非正弦差拍波形，其频率为输入频率与振荡频率之差，属于有直流分量的情况。这一非正弦差拍电压作用于VCO上，使其振荡频率随之作相应规律的周期性变化，最终平均振荡频率偏离VCO中心频率而向输入频率靠拢，此即为频率牵引现象。下图即为频率牵引现象造成的输出波形：所以我们的输出波形才会出项前面的不对称波形将双排开关S8的8端合上，此时22pF的固定电容接入12，13脚之间，用示波器观察TP2处的波形（压控振荡器的输出端），并测量此时的振荡频率。调节滑动变阻器W1的值，观察振荡频率是否有变化，并思考原因。然后调节可变电容CW，观察振荡频率的变化范围，并记录。当合上S8的7端，即接入22pF电容时，此时振荡器输出频率f=7.8MHz的方波，其波形如下图图7。图7图8上面两图显示的是W1减小过程的波形变化，同样我们发现输出波的频率随着W1的减小而增大，从起初的7.69MHz变到了11.87MHz，其原因在S8接5端的时候已经叙述。另外调节微变电容CW（此时使得W1保持不变），测得输出信号频率的变化范围为5.229.54MHzStep 2. 同步带和捕捉带的测量把跳线S1接到锁相位置，把跳线S2， S6，S7断开，S3，S4，S5，S8的7端合（即接入82pF的电容）上。若没有失锁，可降低输入频率fi（1）调节可变电容CW和滑动变阻器W1的值，用示波器观察TP2处的波形，使其振荡频率达到4MHz（作为参考值），用高频信号源产生频率为3.8MHz，Vpp=4V的正弦信号，从TP1处输入。（2）同步带和捕捉带的测量测量方法：基准频率，一般情况下环路都会处于失锁状态，然后缓缓增加输入信号频率，用双踪示波器仔细观察TP1和TP2处两信号之间(即和）之间的关系。当发现两信号由不同步变为同步，表示环路进入刚进入到锁定状态，记下此时的频率，这就是捕捉带的下限频率，继续增加，此时压控振荡器频率将随而变。但当增加到时，不再随而变，记下此时的，即为环路同步带的上限频率，然后再逐步降低。当降低到时，两信号又开始同步，此频率即捕捉带的上限频率。然后不断降低，两信号开始是一直同步的，直到输入信号频率降低到时，两信号不再同步，此频率即同步带的下限频率。捕捉带 同步带4.485MHz记录测量的同步带和捕捉带范围。根据如上的测量顺序，我所得到的测量数据为：同步带下限频率F2捕捉带下限频率f1捕捉带上限频率f25.573MHz3.933MHz捕捉带：同步带：2.113MHz捕捉带下限频率F1（3）观察锁定后的典型波形实验中，观察TP1、TP2、芯片4，5脚处的典型波形。Step 3 利用NE564产生调频信号把跳线S1接到调频位置，把跳线S2，S3，S4，S5 ，S6，S7断开，S8的8端合上。调节滑动变阻器W1的值，调节可变电容CW，使TP2处测量到的振荡频率为10.7MHz，以此频率作为调频信号的中心频率，用低频信号源产生频率为1KHz，幅度为500mV的调制信号从TP1处输入。在TP2处用示波器观察输出的调频信号，并接入频谱分析仪观察频偏大小。输出调频波的频谱输出调频波逐步增加调制信号的幅度，用示波器和频谱分析仪观察频偏的变化情况。调制信号幅度逐渐增加我们可以看到，随着调制幅度的增加，调制深度越来越大，表现在频谱上就是频偏越来越大，频率峰点之间区分的越明显，正如前面的变容二极管调频实验中所讲，输入调制信号的幅度越大，调制指数越大，从而使的调频波的频偏越大，在频谱图上就表现为频率峰点之间的距离越大。逐渐增加调制信号的频率，其频谱图变化规律如下：频率逐渐增大随着制信号频率的增加，输出调频波的频率的周期性变化越来越快。这是由调频波的特性决定的，调频波的瞬时频率表达式为，所以大，频率变化越快，表现在频谱上就是同一时刻显示的峰值越多。六、结束语 本实验以及下面的实验十一是基于单片集成锁相环NE564的调频与鉴频系统。此系统具有调制性能好，载频稳定度高的优点。并且该调频系统不需要更改电路结构就可以实现自由振荡、压控振荡、直接调频和锁相调频和调相的功能，实现方法简单。其内部结构：频率锁相环技术一般使用相位反馈，此技术可以用固定的相位差实现频率的跟踪。并且锁相环中比较相位的部件都是数字电路，本身对元件误差不敏感。即使振荡部分的器件参数发生一些变化，也仍可按所设定的频率稳定工作，从而提高了系统的整体功能和稳定性。基于本次实验，后面我们做收发电路的可以考虑使用锁相环实现之。