实验三：模拟锁相环与载波同步
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实验三：模拟锁相环与载波同步
一、实验目的
1.模拟锁相环工作原理以及环路锁定状态、失锁状态、同步带、捕捉带等基本概念。
2.掌握用平方法从2DPSK信号中提取相干载波的原理及模拟锁相环的设计方法。
3.了解相干载波相位模糊现象产生的原因。
二、实验内容
1. 观察模拟锁相环的锁定状态、失锁状态及捕捉过程。
2. 观察环路的捕捉带和同步带。
3. 用平方环法从2DPSK信号中提取载波同步信号，观察相位模糊现象。
三、实验步骤
本实验使用数字信源单元、数字调制单元和载波同步单元。
1.熟悉载波同步单元的工作原理。接好电源线，打开实验箱电源开关。
2.检查要用到的数字信源单元和数字调制单元是否工作正常（用示波器观察信源NRZ-OUT(AK)和调制2DPSK信号有无，两者逻辑关系正确与否）。
3. 用示波器观察载波同步模块锁相环的锁定状态、失锁状态，测量环路的同步带、捕捉带。
环路锁定时u
d
为直流、环路输入信号频率等于反馈信号频率（此锁相环中
即等于VCO信号频率）。环路失锁时u
d
为差拍电压，环路输入信号频率与反馈信号频率不相等。本环路输入信号频率等于2DPSK载频的两倍，即等于调制单元CAR信号频率的两倍。环路锁定时VCO信号频率等于CAR-OUT信号频率的两倍。所以环路锁定时调制单元的CAR和载波同步单元的CAR-OUT频率完全相等。
根据上述特点可判断环路的工作状态，具体实验步骤如下：
（1）观察锁定状态与失锁状态
打开电源后用示波器观察u
d ，若u
d
为直流，则调节载波同步模块上的可变电
容C
34，u
d
随C
34
减小而减小，随C
34
增大而增大（为什么？请思考），这说明环路
处于锁定状态。用示波器同时观察调制单元的CAR和载波同步单元的CAR-OUT，可以看到两个信号频率相等。若有频率计则可分别测量CAR和CAR-OUT频率。在
锁定状态下，向某一方向变化C
34，可使u
d
由直流变为交流，CAR和CAR-OUT频
率不再相等，环路由锁定状态变为失锁。
环路锁定，Ud随C34增大而增大：
频率相等：
直流变交流，环路由锁定状态变为失锁：
接通电源后u
d 也可能是差拍信号，表示环路已处于失锁状态。失锁时u
d
的最
大值和最小值就是锁定状态下u
d
的变化范围（对应于环路的同步范围）。环路处
于失锁状态时，CAR和CAR-OUT频率不相等。调节C
34使u
d
的差拍频率降低，当
频率降低到某一程度时u
d
会突然变成直流，环路由失锁状态变为锁定状态。
（2）测量同步带与捕捉带
环路处于锁定状态后，慢慢增大C
34，使u
d
增大到锁定状态下的最大值u
d1
（此
值不大于+12V）；继续增大C
34，u
d
变为交流（上宽下窄的周期信号），环路失锁。
再反向调节减小C
34，u
d
的频率逐渐变低，不对称程度越来越大，直至变为直流。
记环路刚刚由失锁状态进入锁定状态时鉴相器输出电压为u
d2；继续减小C
34
，使
u d 减小到锁定状态下的最小值u
d3
；再继续减小C
34
，u
d
变为交流（下宽上窄的周
期信号），环路再次失锁。然后反向增大C
34
，记环路刚刚由失锁状态进入锁定状
态时鉴相器输出电压为u
d4
。
令ΔV
1=u
d1
- u
d3
，ΔV
2
=u
d2
- u
d4
，它们分别为同步范围内及捕捉范围内环路控
制电压的变化范围，可以发现ΔV
1＞ΔV
2
。设VCO的灵敏度为K
(HZ/V)，则环路
同步带Δf
H 及捕捉带Δf
P
分别为：Δf
H
=K
ΔV
1
/2 ，Δf
P
=K
ΔV
2
/2 。
应说明的是，由于VCO是晶体压控振荡器，它的频率变化范围比较小，调节
C 34时环路可能只能从一个方向由锁定状态变化到失锁状态，此时可用Δf
H
=K
0(u
d1
-6）或Δf
H
=K
(6-u
d3
）、Δf
P
=K
(u
d2
-6）或Δf
P
=K
(6-u
d4
）来计算同步带和捕
捉带，式中6为u
d
变化范围的中值（单位：V）。
作上述观察时应注意：
• u d差拍频率低但幅度大，而CAR和CAR-OUT的频率高但幅度很小，用示波器观察这些信号时应注意幅度旋钮和频率旋钮的调整。
•失锁时，CAR和CAR-OUT频率不相等，但当频差较大时，在鉴相器输出端
电容的作用下，u
d 幅度较小。此时向某一方向改变C
34
，可使u
d
幅度逐步变大、
频率逐步减小、最后变为直流，环路进入锁定状态。
•环路锁定时，u d不是一个纯净的直流信号，在直流电平上叠加有一个很小的交流信号。这种现象是由于环路输入信号不是一个纯净的正弦信号所造成的。
环路失锁：