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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:
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FMOUT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。
Step1.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
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。
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487.281~505.7601kHz
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。
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)。
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2.67~3.6MHz
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。
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。
Step2.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。
(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
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:
(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。
Step3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。
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。
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:
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。
参考文献:
【1】高贺《Protel99SE仿真实例——典型锁相环回路的仿真》走进仿真世界2007年.01总第532期
【2】宁波大学师院张卫强《高精度锁相环调频电路》维普资讯
【3】张肃文《高频电子线路》北京高等教育出版社
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