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 新闻资讯     |      2019-12-08 13:07
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  锁相环闭环的拉氏模型方程可以表示为 VisKFsHsssKFs VeessHsssKFs 以上两个都是锁相环的基本方程 是分析锁相环功能和应用的理论基础。然后调节可变电容CW 观察振荡频率的变化范围 并记录。把跳线合上。与锁相环有关的几个基本概念 环路锁定 如果环路有一个输入信号 开始时输入频率总是不等于VCO的自由振荡频率即0i 。图10 1是锁相环的构成框图。芯片的4 5脚分别外接低通滤波器的滤波电容 跳线pF 闭合时滤波电容是1300pF。记录在频谱分析仪上观察到的鉴频器的S形曲线画出实际测量的鉴频器的S形曲线。然后逐渐增加高频载波的频率 每次增加10KHZ 鉴频器输出的直流电压的幅度会逐渐增加 记录此时的输出直流电压幅度V 按照此方法记录20个点 然后逐渐降低高频载波的频率 每次减少10KHZ 鉴频器输出的直流电压的幅度会逐渐减小 记录此时的输出直流电压幅度V 按照此方法记录20个点。环路低通滤波器的拉氏变换数学模型可以表示如下 cdVsFsVs 其中 Fs表示低通滤波器的传递函数 cVs是低通滤波器的输出信号 dVs是低通滤波器的输入信号 即鉴相器的输出信号。判断环路是否锁定的方法 在有双踪示波器的情况下21 ff fff1f2 f1’ f2’ 捕捉带 同步带 图10 2锁相环的同步带与捕捉带 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0iff 普通示波器在没有双踪示波器的情况下 在单踪示波器上可以用李沙育图形来判定环路是否处于锁定状态。锁相调频原理框图如图10 7所示 图10 7锁相调频原理框图 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。本实验所用电路模块为 锁相环调频与测试模块。随着基准频率if向压控振荡频率0f靠拢 达到某一频率2f 这时环路进入锁定状态 该过程称为环路捕获。

  9脚是压控振荡器的TTL电平输出端 通常接鉴相器的输入端。分析当调频信号模块的调制信号幅度和频率变化时对鉴频器输出信号的影响。单独测试压控振荡器的自由振荡频率。压控振荡器的归一化振荡频率也与芯片2脚的控制电流有关 见下图10 压控振荡器的频率与2脚的控制电流图10 输入信号频率锁定范围与2脚的控制电流可以看到输入2脚的控制电流越大 环路的频率锁定范围也越大。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。环路滤波器是滤除d ut高频分量及噪声 以保证环路所要求的性能。图10 11压控振荡器的输出频率和输入控制电压之间的关系 图10 10 鉴相器的输出电压和输入相位差的关系 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!

  Vs 是压控振荡器的输出相位信号。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。将双排开关S8的4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。二、实验使用仪器 低频信号源三、实验原理 锁相环由鉴相器 PD 、环路滤波器 LF 和电压控制振荡器 VCO 三个基本部件组成。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。NE564的输入信号锁定范围与芯片2脚的控制电流有关 见下图10 8。然后逐渐增加高频载波的频率 每次增加10KHZ 鉴频器输出的直流电压的幅度会逐渐增加 记录此时的输出直流电压幅度V 按照此方法记录20个点 然后逐渐降低高频载波的频率 每次减少10K用高频信号源产生一个高频载波频率为10 7M 并微调其频率使得鉴频器输出直流电压幅度为0 此时确定了S形曲线的中心点。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。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。把鉴相器的输入信号ui 加到示波器的垂直偏转板上把uo 加到水平偏转板或者相反 并使两信号幅度相等。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。压控振荡器受环路滤波器输出电压c ut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。4脚和5脚外接环路滤波电容 6脚是外部参考信号输入端 7脚通常外接去耦电容到地。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。锁相环路由于具有良好的跟踪特性、窄带滤波特性和良好的门限特性等一些特殊的性能 而广泛应用于电子技术的各个领域。

  鉴相器的输出电压通常具有正弦鉴相的特点 鉴相器的拉氏变换数学模型可以表示如下 sin ddeVsKs 其中dK表示鉴相器的灵敏度 dVs表示鉴相器的输出信号。TP4是环路低通滤波器的输出端。设输入信号和本振信号 压控振输出信号 分别是正弦和余弦信号 它们在鉴相器内进行比较 鉴相器的输出是一个与两者的相位差成比例的的电压 一般把它称为误差电压。然后调节可变电容CW 观察振荡频率的变化范围 并记录。若再继续增加if 2f0f不再随if的变化而变化。将双排开关S8的3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。图10 1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 iut与压控振荡器输出信号0 ut的相位 输出电压对应于这两个信号相位差的函数。用高频信号源产生一个高频载波频率为10 7M 并微调其频率使得鉴频器输出直流电压幅度为0 此时确定了S形曲线的中心点。实验原理图如下图10 12 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。芯片的外围引脚功能 1脚和10脚是正电源端 1脚可以支持的最高电压是14V 6脚可以支持的最高电压是6V 8脚接地。同样 当2脚的基准电流较大时 相同的输入相位差得到的鉴相器输出电压也越大 即鉴相器的控制灵敏度越高。VCO的拉氏变换数学模型可以表示如下 VVcKsVss VK表示压控振荡器的灵敏度 cVs是低通滤波器的输出信号 也就是压控振荡器的输入信号。15脚是NE564内部斯密特触发器的迟滞电压控制端 当跳线闭合时 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。NE564的功耗较大 一般在200 300mW。一旦入锁以后 压控振荡器的输出频率就等于基准信号的频率 且0f 随if而变化 这就称为跟踪。调频信号的产生和测量。最后如果环内本振信号的频率和输入信号的频率保持一致 两者的相位差保持某一恒定值 则鉴相器的输出将是一个恒定直流电压 环路低通滤波器的输出也是一个直流电压 控制VCO输出一个固定频率的振荡信号 这时环路处于“锁定状态”。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 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。VCO送出的本振信号的频率随着输入电压的变化而变化!

  NE564解调的输出电压幅度较小 其有效值通常在20 30mV。如果二者频率不一致 则鉴相器的输出将产生低频变化分量并通过低通滤波器使VCO的频率发生变化。设压控振荡器的自由振荡频率0f与输入基准信号频率if相差较远。六、实验报告要求 将变容二极管调频模块的输入信号波形与鉴频输出信号OUT 波形画在实验报告纸上并作比较。11脚是压控振荡器的另外一个输出端 ECL电平输出端 12和13脚之间外接一个电容 决定内部压控振荡器的振荡中心频率 14脚是模拟信号输出端 通常是调频信号解调后的模拟信号输出端 16脚是TTL电平的数字信号输出端 通常是FSK解调的输出 15脚控制斯密特触发器的滞回电压。掌握NE564构成调频电路的原理和调试测试方法。低通滤波器的传递函数可以写成 31 1FssRC 其中1 3RK 在芯片内部 电容3C是引脚4 5外接的电容。3脚是鉴相器的另外一个输入端 当跳线接到锁相环路时 构成锁相环路 同时也构成调频电路。从以上两图中可以看出 当2脚的基准电流较大时 相同的输入控制电压引起的振荡频率偏移也越大 即VCO的控制灵敏度越高。这种锁相环路称载波跟踪型PLL。锁相环路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。压控振荡器的自由振荡频率 即中心频率 由下式决定 01122 CsfRCC 其中100CR 在芯片内部 电容1C外接在12 13脚之间 电容SC是内部的旁路电路。之间的范围称为环路的捕捉带 之间的范围则称为同步带。

  总结由本实验所获得的体会。16脚是FSK解调的输出端 电阻R4是上拉电阻。图10 12 锁相环调频实验原理图 四、实验内容。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 跳线可以切换固定电容 决定了载波中心频率的范围。2脚外接电流源 可以控制内部环路的增益和频率锁定范围。如果i 相差不大在适当的范围内 鉴相器输出一误差电压 经环路滤波器变换后控制VCO的频率 使其输出频率变化接近到i 并且两信号的相位差为常数时这种状态称为环路锁定。实验十 锁相环调频 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。误差信号的相位 es 满足 eiVsss 环路低通滤波器的作用是滤除鉴相器中的高频分量 然后把输出电压加到VCO的输入端。鉴相器的输出电压和输入相位差的关系曲线 压控振荡器的输出频率和输入控制电压之间的关系曲线。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。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。五、实验步骤 在实验箱主板上插上锁相环调频与测试电路实验模块。图10 未锁定时波形及李沙育图形图10 锁定时波形及李沙育图形图10 5是锁相环集成芯片NE564的逻辑框图 图10 是NE564的外引线的外引线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。如果环路已锁定 且在理想情况下 即李沙育图形应是一个圆。然后绘制S形曲线。采用锁相环的调频器可以解决这个矛盾。此时若降低if 则当它回到 2f时 环路并不入锁 只有当if降低到一个更低的频率2f的时候 环路才重新入锁。9脚是压控振荡器的输出端 电阻R7是上拉电阻。3脚是鉴相器的一个输入端 通常接VCO的输出。接通实验箱上电源开关电源指标灯点亮。