教學設備

鎖相實驗（基礎部分）

 
一、      實驗目的
1．加深對鎖相環基本工作原理的理解。
2．掌握鎖相環同步帶、捕捉帶的測試方法，增加對鎖相環捕捉、跟蹤和鎖定等概念的理解。
3．掌握集成鎖相環CD4046的使用方法。
 
二、實驗原理
鎖相環由鑒相器( PD)、環路濾波器( LF)和電壓控制振蕩器( VCO)三個基本部件組成。
 
鎖相環路是一個相位誤差控制系統，它將參考信號與輸出信號之間的相位進行比較，產生相位誤差電壓來調整輸出信號的相位，以達到與參考信號同頻的目的。鎖相環路由于具有良好的跟蹤特性、窄帶濾波特性和良好的門限特性等一些特殊的性能，而廣泛應用于電子技術的各個領域。

 
鑒相器是相位比較器，用來比較輸入信號ui(t)與壓控振蕩器輸出信號uo(t)的相位，輸出電壓對應于這兩個信號相位差的函數。環路濾波器是濾除ud(t)高頻分量及噪聲，以保證環路所要求的性能。 壓控振蕩器受環路濾波器輸出電壓uc(t)的控制,使振蕩頻率向輸入信號的頻率靠攏，直至兩者的頻率相同，使得VCO輸出信號的相位和輸入信號的相位保持某種特定的關系，達到相位鎖定的目的。
設輸入信號和本振信號（壓控振輸出信號）分別是正弦和余弦信號，它們在鑒相器內進行比較，鑒相器的輸出是一個與兩者的相位差成比例的的電壓，一般把它稱為誤差電壓。環路低通濾波器濾除鑒相器中的高頻分量，然后把輸出電壓加到VCO的輸入端，VCO送出的本振信號頻率隨著輸入電壓的變化而變化。如果二者頻率不一致，則鑒相器的輸出將產生低頻變化分量并通過低通濾波器使VCO的頻率發生變化。最后如果本振信號的頻率和輸入信號的頻率保持一致，兩者的相位差保持某一恒定值，則鑒相器的輸出將是一個恒定直流電壓，環路低通濾波器的輸出也是一個直流電壓，這時，環路 處于“鎖定狀態”。
與鎖相環有關的幾個基本概念：
環路鎖定： 如果環路有一個輸入信號 u(t) ，開始時輸入頻率總是不等于VCO的自由振蕩頻率，即ωi ≠ ωo 。如果ωi 與ωo 相差不大，在適當的范圍內，鑒相器輸出一誤差電壓，經環路濾波器變換后控制VCO的頻率，使其輸出頻率變化接近到ωi ，ωi=ωo ，而且兩信號的相位差為常數 ，這種狀態稱為環路鎖定。
設壓控振蕩器的自由振蕩頻率fo與輸入基準信號頻率 fi 相差較遠 。隨著基準頻率fi向壓控振蕩頻率fo 靠攏，達到某一頻率  ，這時環路進入鎖定狀態，該過程稱為環路捕獲。一旦入鎖以后，壓控頻率就等于基準頻率，且fo 隨 fi 而變化，這就稱為跟蹤。
*判斷環路是否鎖定的方法
1）在有雙蹤示波器的情況下
         開始，環路處于失鎖狀態，加大輸入信號頻率，用雙蹤示波器觀察壓控振蕩器的輸出信號和環路的輸入信號，當兩個信號由不同步變成同步，且f_i=f_o時，表示環路已經進入鎖定狀態。
   2）單蹤──普通示波器
在沒有雙蹤示波器的情況下，在單蹤示波器上可以用李沙育圖形來判定環路是否處于鎖定狀態。把鑒相器的輸入信號u_i(t)加到示波器的垂直偏轉板上，把u_o(t)加到水平偏轉板（或者相反），并使兩信號幅度相等。如果環路已鎖定，且在理想情況下，即李沙育圖形應是一個圓。

           圖10-3   未鎖定時波形及李沙育圖形
 
                    
圖10-4    鎖定時波形及李沙育圖形


CD4046包含相位比較器、壓控振蕩器兩部分，使用時需外接低通濾波器（阻、容元件）形成完整的鎖相環。 內部 6.2V的齊納穩壓管 在需要用的時候作為輔助電源。

CD4046有16個管腳，工作頻率為1MHz。   1 ¾¾相位脈沖   2 ¾¾比較器I輸出    3 ¾¾比較器II輸入 4¾¾壓控振蕩器輸出端（VCO_O）  5 ¾¾禁止端（INH）  6 ¾¾VCO外接電容端（C₁）7 ¾¾C₂     8¾地（V_SS） 9 ¾¾壓控振蕩器輸入端（VCO_I ）   10 ¾¾解調器輸出    11 ¾¾ VCO外接電阻端（R₁） 12 ¾¾ VCO外接電阻端（R₂） 13 ¾¾比較器II輸出   14 ¾¾比較器I輸入    15 ¾¾齊納管       16 ¾¾電源（V_DD）
2. 實驗電路
  本實驗用電路模塊為：鎖相環調頻與測試模塊。見圖10-7


                     圖10-7鎖相環調頻與測試電路
三、實驗儀器
1．鎖相環調頻與測試電路實驗板
2．20MH雙蹤示波器
3. 萬用表
四、實驗內容。
1.壓控振蕩器的測試。
2.同步帶和捕捉帶的測量。
五、實驗步驟
1.壓控振蕩器的測試
（1）  在實驗箱主板上插上鎖相環調頻與測試電路實驗模塊。接通實驗箱上電源開關，電源指標燈點亮。
（2）   斷開J1，連接J2左，J3左，J4形成壓控振蕩器的測試電路。
（3）   用示波器觀察VCO波形（TP1點），調整電位器RW1，使其自由振蕩頻率為500KHz（參考值）。
（4）   調節電位器RW2，改變壓控振蕩器的控制電壓（TP3點），記錄VCO頻率在表10-1中。
（5）   畫出控制電壓¾¾頻率關系曲線。
表10-1 壓控振蕩器測試數據                                自由強振蕩頻率  f         KHz    

控制電壓（V）

振蕩頻率（KHz）

2。同步帶和捕捉帶的測量
連接J1、J2右，J3左，J4，輸入500KHz、5V方波信號由低頻源提供，從IN1入。
（1）用示波器觀察VCO波形，調整電位器RW1，使其自由振蕩頻率為500KHz（參考值）[此步可省略]。
（2） 同步帶和捕捉帶的測量
  可按定義來測量，方法如下：調基準頻率f_i ，使f_i < f_vco ，環路處于失鎖狀態，然后緩緩增加輸入信號頻率f_i ，用雙蹤示波器仔細觀察相位比較器兩輸入信號之間的關系。當發現兩輸入信號由不同步變為同步，且f_i= f_vco，表示環路已進入到鎖定狀態，用頻率計記下此時的頻率為f₁，這就是捕捉帶的下限頻率，繼續增加f_i，此時壓控振蕩器頻率f_vco將隨f_i而變。但當f_i增加到f₂^’時，f₀不再隨f_i而變，這個f₂^’就是環路同步帶的上限頻率，然后再逐步降低f_i。由上述判別方法，即可測出捕捉帶的上限頻率f₂及同步帶的下限頻率f₁^’，從而可求出：
捕捉帶
同步帶
（6）觀察鎖定后的典型波形
實驗中，是使用CD4046鎖相環的相位比較器I，其頻率鎖定在f_vco 0情況下的典型波形如圖10-8 所示：

六、實驗報告要求
1．測量并計算鎖相環同步帶和捕捉帶；
2．觀察并畫出鎖相環鎖定后的典型波形；
3．畫出控制電壓¾¾頻率關系曲線。
4．總結由本實驗所獲得的體會。