一、 实验目的

　　1.加深对锁相环基本工作原理的理解。

　　2.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。

　　3.掌握集成锁相环CD4046的使用方法。

　　二、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。

　　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。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。

　　鉴相器是相位比较器，用来比较输入信号ui(t)与压控振荡器输出信号uo(t)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ud(t)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uc(t)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。

　　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。环路低通滤波器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，VCO送出的本振信号频率随着输入电压的变化而变化。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。最后如果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，这时，环路
处于“锁定状态”。

　　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 u(t) ，开始时输入频率总是不等于VCO的自由振荡频率，即ωi ≠ ωo 。如果ωi 与ωo
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ωi ，ωi=ωo ，而且两信号的相位差为常数
，这种状态称为环路锁定。

　　设压控振荡器的自由振荡频率fo与输入基准信号频率 fi 相差较远 。随着基准频率fi向压控振荡频率fo 靠拢，达到某一频率
，这时环路进入锁定状态，该过程称为环路捕获。一旦入锁以后，压控频率就等于基准频率，且fo 随 fi 而变化，这就称为跟踪。

　　*判断环路是否锁定的方法

　　1)在有双踪示波器的情况下

　　开始，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fi=fo时，表示环路已经进入锁定状态。

　　2)单踪──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。把鉴相器的输入信号ui(t)加到示波器的垂直偏转板上，把uo(t)加到水平偏转板(或者相反)，并使两信号幅度相等。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。

　　图10-3 未锁定时波形及李沙育图形

　　图10-4 锁定时波形及李沙育图形

　　CD4046包含相位比较器、压控振荡器两部分，使用时需外接低通滤波器(阻、容元件)形成完整的锁相环。 内部 6.2V的齐纳稳压管
在需要用的时候作为辅助电源。

　　CD4046有16个管脚，工作频率为1MHz。 1 ¾¾相位脉冲 2 ¾¾比较器I输出 3 ¾¾比较器II输入 4¾¾压控振荡器输出端(VCOO) 5
¾¾禁止端(INH) 6 ¾¾VCO外接电容端(C1)7 ¾¾C2 8¾地(VSS) 9 ¾¾压控振荡器输入端(VCOI ) 10 ¾¾解调器输出 11 ¾¾
VCO外接电阻端(R1) 12 ¾¾ VCO外接电阻端(R2) 13 ¾¾比较器II输出 14 ¾¾比较器I输入 15 ¾¾齐纳管 16
¾¾电源(VDD)

　　2. 实验电路

　　本实验用电路模块为：锁相环调频与测试模块。

　　图10-7锁相环调频与测试电路

　　三、实验仪器

　　1.锁相环调频与测试电路实验板

　　2.20MH双踪示波器

　　3. 万用表

　　四、实验内容。

　　1.压控振荡器的测试。

　　2.同步带和捕捉带的测量。

　　五、实验步骤

　　1.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) 断开J1，连接J2左，J3左，J4形成压控振荡器的测试电路。

　　(3) 用示波器观察VCO波形(TP1点)，调整电位器RW1，使其自由振荡频率为500KHz(参考值)。

　　(4) 调节电位器RW2，改变压控振荡器的控制电压(TP3点)，记录VCO频率在表10-1中。

　　(5) 画出控制电压¾¾频率关系曲线。

　　表10-1 压控振荡器测试数据 自由强振荡频率 f KHz

　　连接J1、J2右，J3左，J4，输入500KHz、5V方波信号由低频源提供，从IN1入。

　　(1)用示波器观察VCO波形，调整电位器RW1，使其自由振荡频率为500KHz(参考值)[此步可省略]。

　　(2) 同步带和捕捉带的测量

　　可按定义来测量，方法如下：调基准频率fi ，使fi < fvco ，环路处于失锁状态，然后缓缓增加输入信号频率fi
，用双踪示波器仔细观察相位比较器两输入信号之间的关系。当发现两输入信号由不同步变为同步，且fi=
fvco，表示环路已进入到锁定状态，用频率计记下此时的频率为f1，这就是捕捉带的下限频率，继续增加fi，此时压控振荡器频率fvco将随fi而变。但当fi增加到f2’时，f0不再随fi而变，这个f2’就是环路同步带的上限频率，然后再逐步降低fi。由上述判别方法，即可测出捕捉带的上限频率f2及同步带的下限频率f1’，从而可求出：

　　捕捉带

　　同步带

　　(6)观察锁定后的典型波形

　　实验中，是使用CD4046锁相环的相位比较器I，其频率锁定在fvco 0情况下的典型波形如图10-8 所示：

　　六、实验报告要求

　　1.测量并计算锁相环同步带和捕捉带;

　　2.观察并画出锁相环锁定后的典型波形;

　　3.画出控制电压¾¾频率关系曲线。

　　4.总结由本实验所获得的体会。

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