实验五锁相环测试及应用实验报告

：锁相环测试及应用实验

试验目的：1．了解锁相环的组成、基本原理及性能特点。

2．掌握集成锁相环4046芯片的使用方法。

3．掌握锁相环路及各部件性能（鉴相特性、压控特性、同步带和捕捉带）的测试方法。 4．掌握锁相调频、锁相鉴频电路的构成、基本原理及参数测试测试方法。 5．掌握简单锁相频率合成器的基本原理及性能指标的测试方法

实验设备：1．调幅与调频发射模块。

2．直流稳压电压GPD-3303D

3．F20A 型数字合成函数发生器/计数器 4．DSO-X 2014A 数字存储示波器

实验原理：

1. 锁相环的组成及基本原理

锁相环路（PLL ）亦称自动相位控制（APC ）电路，它是一种利用相位误差消除频率误差的反馈控制系统。如图1所示，由鉴相器（相位比较器）、环路滤波器（低通滤波器）和压控振荡器三个基本部件组成。

若o i f f ≠，瞬时相位差??将随时间而变化；若i o f f ??=

保持固定值。锁相环就是利用两个信号之间相位

差的变化，控制压控振荡器的输出信号频率，最终使两个信号相位差保持为常数，达到频率相等。

锁相环的工作过程：如图1所示，若o i f f ≠，必将引起??的变化，鉴相器输出正比于??的误差电压()d u t 。经环路滤波器滤除()d u t 中的高频分量和噪声，产生缓慢变动的直流电压()c u t 。VCO 受控于()c u t ，使得振荡频率o f 与输入参考频率i f 的频差逐渐减小，直到o i f f =，电路达到稳定平衡状态，即锁定状态。此时，??保持一个不变的稳态相差?∞，以维持电路的平衡状态。需要指出，环路能达到锁定状态，是在o f 与i f 相差不大的范围内。

2. 几个重要概念 ⑴ 失锁与锁定

开始工作时， o i f f ≠，??不固定，环路处于不稳定状态，称为失锁。当o i f f =时，??保持常数，电路进入稳定状态，称为锁定。

⑵ 跟踪过程与捕捉过程

在环路锁定状态下，如果输入信号频率i f 发生变化，环路通过自身的调节作用，使输出信号频率o f 以同样的规律跟随着变化，并且始终保持o i f f =，这个过程称为跟踪过程或同步过程。刚加入信号时，并非立即进入锁定状态，而要经历一个过渡过程，这个环路由失锁进入锁定的过程称为捕捉过程。

⑶ 同步带与捕捉带

在锁定状态下，环路维持锁定所允许的最大输入信号频率变化范围称为同步带或跟踪带，用H f ?表示。

图1 锁相环组成框图

加入输入信号后环路能够由失锁自行进入锁定状态的最大允许固有频差称为捕捉带，用p f ?表示，一般H

p f f ??>。

⑷ 锁相环路的主要特点 ① 跟踪特性

在锁定状态下，当输入频率发生变化时，VCO 的频率可以精确地跟踪输入频率的变化，最终使o i f f =。

② 窄带滤波特性

就频率特性而言，PLL 相当于一个带通滤波器，其带宽可以做的很窄。窄带滤波特性能够滤除混入输入信号中的噪声和杂散干扰。

③ 锁定状态下无剩余频差 3. 锁相环应用

PLL 具有许多优越的性能，如无频差工作特性、环路带宽或滤波器带宽的可调性等，因而应用广泛。如锁相调频、锁相调相、锁相鉴频、锁相混频、锁相倍频、锁相分频、同步解调、锁相频率合成等。

集成锁相环CD4046简介及应用：

1. CD4046简介

图2是单片集成锁相环CD4046的内部结构框图及外围典型接线图。CD4046采用CMOS 工艺，特点是电源电压范围宽（V DD －V SS =5～15 V ，V SS 端一般接地），输入阻抗高（约100 MΩ），动态功耗小。在V DD =15 V 时最高频率可达1.2 MHz ，通常用在中、低频段。CD4046内部集成了一个低功耗、高线性的VCO ，两个工作方式不同的鉴相器PD Ⅰ、PD Ⅱ，以及源级跟随器（专门用于FM 解调输出，要求外接负载电阻大于10K Ω），放大、整形电路和5V 稳压管，若与TTL 电路匹配时，可用作辅助电源。

PD Ⅰ采用异或门结构，使用时要求输入信号占空比为50％。无输入信号时，PD Ⅰ输出电压为V DD /2，用于确定VCO 的固有振荡频率。PD Ⅰ的捕捉能力和滤波器有关，选择合适的滤波器可以得到较宽的捕捉范围。当d ??在0°～180°范围内变化时，输出脉冲电压()d u t 占空比随之改变。

图3是V SS 接地，环路锁定在VCO 的固有振荡频率时，PD Ⅰ的输入、输出波形及VCO 输入控制电压波形。

34 2

图2 集成锁相环CD4046内部组成及外围典型接线框图

PD Ⅱ是一个由信号上升沿控制的数字存储网络。它对输入信号的占空比要求不高，允许输入非对称波形，具有很宽的捕捉范围，而且不会锁定在输入信号的谐波。它提供两种输出信号，数字误差信号和锁定信号（相位脉冲），当达到锁定时，PD Ⅱ的两个输入信号相位差为0。

PD Ⅱ的工作波形如图4所示，当输入信号超前于比较信号时，PD Ⅱ输出正脉冲，当输入信号滞后于比较信号时，PD Ⅱ输出为负脉冲，这两种情况都会在1脚产生负脉冲。当两个输入脉冲的频率和相位均相同时，PD Ⅱ的输出为高阻态，1脚输出高电平。因此，PD Ⅱ可实现两个输入信号频率严格同步，此时同步带等于捕捉带，与环路滤波器无关。

VCO 需要外接电阻R 1，R 2和电容C 1

。R 1，C 1是充放电元件，电阻R 2起到频率补偿作用。R 1确定VCO 的最高振荡频率，R 2确定VCO 的最低振荡频率。VCO 的振荡频率不仅和R 1，R 2及C 1的取值有关，还和电源电压有关，电源电压越高振荡频率越高。5脚为高电平VCO 禁止工作。 2．锁相调频

图5所示为锁相调频电路框图，图中u i (t)由标准信号源或晶体振荡器提供稳定的标准频率，锁相环路使压控振荡器的中心频率稳定在标准频率上。当调制信号u Ω(t)加到压控振荡器的输入端，VCO 的振荡频率将随u Ω(t)的变化而改变，从而输出调频信号。

图5 锁相调频电路框图

图3 PD Ⅰ输入、输出波形、VCO 输入波形及鉴相特性 图4 PD Ⅱ输入、输出波形及VCO 输入波形

锁相环路用于调频信号的解调时，调频信号从相位比较器输入，环路入锁后，VCO 的振荡频率将跟踪调频信号的频率的变化。其鉴相器输出的控制电压经低通滤波器滤除载波信号后，输出调制信号。锁相环路鉴频器方框图如图6所示。

图6锁相环路鉴频器方框图

4．锁相频率合成器

锁相频率合成是利用锁相环路的窄带跟踪特性，在基准频率源作用下，产生一系列离散的频率。具有系统结构简单，输出信号的频谱纯度高，易于实现等优点。锁相频率合成器框图如图7所示。

图7 频率合成器框图

图中输入信号为标准源i f ，经可预置M 分频器后得到参考频率REF f ，REF f 的信号输入相位比较器的一端，压控振荡器的输出信号经可预置N 分频器后输入相位比较器的另一端，这两个信号进行比相，当环路锁定，有：

N f M f i 0= 即 i f M

N f =0 当改变预置数M 、N 时，可得到不同的输出频率0f 。

实验电路简介：

图5为锁相环性能测试、锁相调频及锁相式频率合成器实验电路。图中1K 1~1K 4拨向上，构成锁相环性能测试

及锁相调频电路，1W 7用于调节VCO 的固有振荡频率。1K 1~1K 4拨向下，构成锁相式频率合成器电路。数码开关1SW3、1SW4和1SW5可设置不同的分频比，其中1、2、3、4拨向上“on ”，输入逻辑电平“1”， 拨向下输入逻辑“0”，分别对应8421BCD 码的权值8、4、2、1。

图5 锁相环性能测试、锁相调频及锁相式频率合成器实验原理电路图6为锁相解调实验电路，1W8用于调节VCO的固有振荡频率。

图6 锁相解调实验电路

实验内容：

1. 锁相环性能测试

⑴电路连接及设置

将《调幅与调频发射模块》接+12V电源电压，打开“锁相环、锁相调频、频率合成”电路电源开关，将开关1K1~1K4拨向上，构成锁相环性能测试和锁相调频电路。方框图如图7所示。

⑵测量VCO 的固有振荡频率

输入端不接信号，示波器连接输出电压o u ，万用表（直流电压档）连接c u 。然后，调节1W7，使VCO 的固有振荡频率0max

min ()2o o o f f

f =+，记录0o f 及此时c u 的大小。

由实验得：min 204.96=o f kHz

max 729.7=o f kHz

0max

min ()2467.33=+=o o o f f f kHz

试验中，记录的0467.7=o f kHz ,此时 4.369=c u V

⑶ 测量同步带、捕捉带、鉴相特性及压控特性，测量过程中注意观察跟踪特性及频率牵引过程

① 测量同步带

保持以上电路状态不变，输入端接入频率0o i f f =，6V PP 的方波信号。用示波器连接i u 和o u 及d u ，观测i u 和o u 的波形、频率、相位差d ??及d u 的平均幅值（类型：平均 全屏），同时用万用表测量直流电压c u 的大小。

现象：以i u 通道做触发源，在锁定状态下，输入、输出波形清晰稳定；失锁时，波形模糊不稳定。

减小或增加输入信号频率i f ，分别记录环路由锁定到失锁的分界频率1f 和2f ，则同步带为：12H f f f ?=-。 测量过程：在0035150d ?≤?≤范围内，改变输入信号频率的十位数；当035d ??<或0150d ??>时，改变输入频率的个位数；当015d ??≤或0175d ??≥后，改变输入频率的十分位，此时输出频率仍在跟踪输入频率变化，但开始出现频率牵引。

i u 和o u 的波形如图8所示，图中，CH1为i u ，CH2为o u ，CH3为d u

u u u u

图7 锁相环测试电路框图

图8 i u 、o u 和d u 的波形

由图8和实验所得数据，可知：467.7=i f kHz ，0467.7=o f kHz ，94.1??= d ， 5.393=d u ， 4.576=c u V 在试验中，测得失锁频率分别为141.701=f kHz ，2790.7=f kHz 所以同步带12||749.0?=-=H f f f kHz ② 测量捕捉带，注意观察捕捉特性

使环路处于失锁状态，即1i f f <或2i f f >。逐渐增加或减小输入信号频率，分别记录环路由失锁到锁定的分界频率3f 和4f ，则捕捉带为：43p f f f ?=-。

实验测得：3365.7=f kHz ，4589.7=f kHz 所以捕捉带43||224.0?=-=p f f f kHz

③ 在环路锁定状态下，改变输入信号频率i f ，使d ??=100、300、600、900、1200、1500、1750。测量并绘制鉴 相特性曲线d u ~d ??及压控特性曲线o f ~c u 。

由于d ??最小值不能到达10o ，最大值不能到达175o ，所以均是从能到达的最小最大的d ??开始测量的。

由上数据用Origin 绘制鉴相特性曲线d u ~d ??及压控特性曲线o f ~c u ，如图9、图10所示

02

4

6

8

10

12

B

A

图9 相特性曲线d u ~d ??

B

A

图10 压控特性曲线o f ~c u

由图可知，在环路锁定的状态下，d u 随d

??线性变化，o f 也随c u 线性变化。

2. 锁相调频及参数测试

锁相调频电路方框图如图11所示，此电路称为载波跟踪型锁相调频。采用锁相环路调频，能够得到中心频率高 度稳定的调频信号。实现锁相调频的条件是：调制信号的频谱处于低通滤波器的通带之外，并且，调制指数不能太大。

⑴ 1TP11接入高频等幅载波信号（0o i f f =，6V PP 方波），观察并记录输入、输出波形及频率。 示波器记录的输入输出波形如下图所示，其中CH1为输入波形，CH2为输出波形。测得

0467.7=f kHz ，

962=d f kHz

图12 1TP11接入高频等幅载波信号的输入输出波形

⑵ 1TP12接入调制信号u Ω（1KHz ，1V PP 正弦波），观察并记录输入载波、输出调频波及调制信号波形。

示波器记录的波形如图13所示，其中CH1为输入波形，CH3为输出波形，CH4为调制信号波形。

图11锁相调频框图

图13 1TP12接入调制信号u Ω时的输出输出波形

3. 锁相鉴频及参数测试

实验电路如图6所示，锁相鉴频电路方框图如图14所示，这种电路称为调制跟踪型锁相鉴频。为了实现不失真的解调，环路的捕捉带必须大于输入调频信号的最大频偏，环路的带宽必须大于输入调频信号中调制信号的频谱宽度。

⑴ 鉴频器的主要指标：

① 鉴频线性范围（或称鉴频带宽）：鉴频特性曲线中近似直线段的频率范围，用m f ?表示。表明鉴频器不失真解 调时所允许的频率变化范围。要求m f ?＞max f ?。

② 鉴频灵敏度（单位为V/Hz 或V/KHz ）：在中心频率附近单位频偏引起的解调输出电压的大小，即鉴频特性曲线在中心频率附近的斜率O

o

d f f u S f

=?≈

?。

⑵ 测量内容

⑴ 打开“锁相鉴频”电路电源开关，输入端不接信号，调节1W8，使VCO 的固有振荡频率为500KHz 。 ⑵ 输入端1TP18接入中心频率500KHz ，调制频率1KHz 、最大偏移100KHz 的调频波，观察并记录FM u 、o u 的波形，测量o u 的频率和幅度。

用示波器记录的FM u 、

o u 的波形如图15所示，其中CH1为FM u ，CH2为o u 。试验中测得 4.0=o u V ，

1.0073=o f kHz 。

图14 锁相鉴频框图

图15 FM u 、o u 的波形

⑶ 调制频率为100Hz ，观察并记录FM u 、o u 的波形，测量o u 的频率和幅度。

FM u 、o u 的波形如下图所示，其中CH1为FM u ，CH2为o u 实验测得 3.7=o u V ，99.62=o f kHz

图16 FM u 、o u 的波形

⑷ 在10 KHz ~ 250 KHz 范围，以20 KHz 为步进单位改变频偏f ?，观测鉴频输出o u 的变化，绘制鉴频特性

o u ~f ?曲线，计算灵敏度d S 。

记录的数据如下表格所示

由表格数据用Origin 绘制鉴频特性o u ~f ?曲线，如图17所示。

B

A

图17 鉴频特性o u ~f ?曲线

鉴频灵敏度鉴频特性0.03404/=?≈

=?O

o d f f u S V kHz f

4. 锁相频率合成器：是利用锁相环的窄带滤波特性，将基准频率i f 产生一系列所需的离散频率o f 。 ⑴ 频率合成器的主要指标：

① 频率范围：频率合成器能够输出的最高频率max o f 和最低频率min o f ，max

min

o o f k f =

称为频率覆盖系数。 实验测得，最高频率max 780.0=o f kHz ，最低频率m i n 1.014=o f k H z

，计算可得频率覆盖系数max

min

769.23=

=o o f k f 。 ② 分辨率（或称频率间隔）：两个相邻频率之间的频率差或称相邻频率点的最小间隔， ⑵ 参数测量

① 将开关1K 1~1K 4拨向下，构成锁相频率合成器，方框图如图18所示。设置1SW3为“0001”、1SW4为“0000”、

1SW 为“0001”，即分频比为 M=1，N=01。1TP11输入6Vpp 的方波信号，改变输入频率找到max o f 和min o f ，计算

max

min

o o f k f =

。② 自选输入频率及分频比M 、N 值，分别测量i f M 、o f N 、o f 。

实验测得图形如图19所示，其中CH1为i f ，CH2为o f ，CH3为

i f M ，CH4为o f

N

。我们选取的M=2,N=2.

图19 锁相频率合成器示波器图形

由图可知，380.0=i f kHz ，387.5=o f kHz ，

190.0=i f kHz M ，190.0=o f

kHz N

继续选取600.2=i f kHz ，M=3，N=2，得到如下波形：

图18 简单锁相频率合成器

图20 锁相频率合成器示波器图形

由图可知，600.2=i f kHz ，400.0=o f kHz ，200.00=i f kHz M ，200.0=o f

kHz N

实验心得：

在测量同步带时，找失锁频率只能将频率一直减小或者一直增大，直到刚好出现失锁，而且在调节频率时不能过快，尤其在d ??小于35o 时。在实验中浪费了比较多的时间反复重新调节找失锁频率。

在锁相频率合成器的内容中，频率范围的最低频率难以定性判断，所以可能会出现较大误差。

本次实验需要记录的内容较多，两个人合作才能有更高的效率。