一、实验目的
1.掌握VCO压控振荡器的基本工作原理, 加深对基本锁相环工作原理的理解。
2.熟悉锁相式数字频率合成器的电路组成与工作原理。
二、实验电路工作原理
本单元可做基本锁相环和锁相式数字频率合成器两个实验。总体框图如图8-1,电路原理图如图8-2所示。
图8-1 基本锁相环与锁相式数字频率合成器电原理框图
图8-2 VCO电路电原理图
1.4046锁相环芯片介绍（略）
详见所附光盘4046芯片
2.VCO压控振荡器
所谓压控振荡器就是振荡频率受输入电压控制的振荡器。
4046锁相环的VCO是一个线性度很高的多谐振荡器，它能产生很好的对称方波输出。电源电压可工作在3V～18V之间。本电路取+5V电源。它利用由门电路组成的RS触发器控制一对开关管轮番地向定时电容C1 正向充电和反向充电，从而形成自激振荡，振荡频率与充电电流成正比。与C1的容量成反比，振荡频率不仅与定时电容C1、外加控制电压Ui有关而且还与电源电压有关，与外接电阻R1、R2的比值也有关。
3.锁相式数字频率合成器工作原理
从图8-2可见，UB02(MC14522)、UB03(MC14522)为二级可预置分频器，全部采用可预置BCD码同步1/N计数器MC14522，可由4位小型拨动开关选择。UB02、UB03分别对应着总频比N的十位、个位分频器，UB02、UB03的输入端一方面SWB02、SWB03分别置入分频比的十位数、个位数以8421 BCD码形式输入（但1010～1111数值还是起作用的，有兴趣的同学可用一些与门、非门设计一个简单的约束电路，使这些范围取值一略为0000）。
使用时按所需分频比N预置好SWB02、SWB03的输入数据，f0 = N•fR，3位程序分频器MC14522的数据输入端P0～P3分别接有510KΩ的下拉电阻，当SWB02、SWB03没有对该系统单元数据输入时，即开路状态时，此时下拉电阻把数据输入端置“0”电平；当SWB02、SWB03工作时，则有相应的“1”电平输入到数据输入端，使之置于“1”电平状态，以便程序分频器进行处理。?
在图8-2电路图中，当程序分频器的分频比N置成1，也就是把SWB02均断开，SWB03置成“0001”状态。这时，该电路就是一个基本锁相环电路。
当二级程序分频器的N值可由外部输入进行编程控制时，该电路就是一个锁相式数字频率合成器电路。输入频率由薄膜键盘进行选择，1KHZ或2KHZ方波信号，则把来自实验一的时钟信号发生器1KHz或2KHZ方波信号输入到该14引脚。
当锁相环锁定后，可得到： fR＝fV
其中 fV＝f0/N ,
代入得： fR=f0/N
移项得： f0=N•fR
由此可知，当fR固定不变时，改变二级程序分频器的分频比N，VCO的振荡输出频率(也就是频率合成器的输出频率)f0也得到相应的改变。
这样，只要输入一个固定信号频率fR，即可得到一系列所需要的频率，其频率间隔等于fR，这里为1KHz。选择不同的fR，可以获得不同fR的频率间隔。在用实验一信号发生器产生的时钟信号频率时，其准确频率为1.024KHz，而不是1KHz。因而经过二级程序分频器与锁相实验后，VCO压控振荡器的输出频率也应当是1.024KHz的N倍数。
三、实验内容
(一)基本锁相环实验
1.观察锁相环路的同步过程；
2.观察锁相环路的跟踪过程；
3.观察锁相环路的捕捉过程；
4.测试环路的同步带与捕捉带，并计算它们的带宽。
(二)锁相式数字频率合成器实验
1.在程序分频器的分频比N＝1、10、100三种情况下：
（1）测量输入参考信号的波形；
（2）测量频率合成器输出信号的波形。
2.测量并观察最小分频比与最大分频比。
四、实验步骤及注意事项
（一）基本锁相环实验
1.观察环路的同步过程
锁相环在锁定状态下，如果输入信号参考频率fR保持不变，而VCO的振荡频率f0发生飘移导致fV ≠ fR时，则在环路的反馈控制作用下，使f0恢复仍然保持fv = fR的状态，这种过程叫做同步过程。
实验方法：将图8-2电路图中SWB03设置为001状态，此时分频比为N＝1。即将程序分频器的分频比设置为1(预置为001状态)。实验电路的锁相环即成为基本锁相环。其
fV ＝ f0/N ＝ f0/1 ＝ f0
2.观察环路的跟踪过程
锁相环进入锁定状态后，如果fV(现等于VCO的振荡频率f0)不变，输入参考频率发生飘移，则在环路的反馈控制作用下，使f0跟随着fR的变化而变化，以保持fV=fR的环路锁定状态。这种过程叫做跟踪过程。
实验方法：在上面实验的基础上将外加信号源的频率(参考频率fR)逐次改变(模拟fR产生的飘移)，每改变一次fR，观察一次fV的数值，可以看到，fV跟踪fR的变化fV=fR的状态。
3.观察环路的捕捉过程
锁相环在初始失锁状态下，通过环路反馈控制作用，使VCO的振荡频率f0调整fV=fR的锁定状态，这个过程称为捕捉过程。
实验方法：电路连接同前项，TPB02处接频率计，测量fV的数值，实验开始时将信号源频率(fR)远离VCO的中心振荡频率(如令fR高于1.5MHz或远低于1KH)使环路处于失锁状
态，即fV≠fR，然后将fR从高端缓慢地降低(或从低端缓慢地升高)，当降低(或升高)到一定数值，频率计显示fV等于fR时即fR捕捉到了fV环路进入锁定状态。
4.测试环路的同步带与捕捉带
实验方法：电路连接同前项，令信号源频率(fR)等于50KHz。这时环路应处于锁定状态(fV = fR)。?
(1)慢慢增加信号源的频率，直至环路失锁(fV≠fR)。此时信号源的输出频率就是同步带的最高频率。
(2)慢慢减小信号源的频率，直至环路锁定，此时信号源的输出频率就是捕捉带的最高频率。
(3)继续慢慢减小信号源的频率，直至环路失锁，此时信号源的输出频率就是同步带的最低频率。
(4)慢慢增加信号源的频率，直至环路锁定，此时信号源的输出频率就是捕捉带的最低频率。
(二)锁相式数字频率合成器实验
将SWB03都置于0位，SWB02从置入十进制数9开始，逐渐减置数值，当输出频率不符合f0=NfR的关系时，表示fR已不能锁定VCO的频率。频率合成器已不能正常工作。则能满足f0=N•fR关系式的最小的分频比值，即为该合成器的最小分频比。
同理，增大N的数值能够满足f=N•fR关系式的最大的分频比值，即为该合成器的最大分频比。本合成器分频比的标准范围1～99。
五、测量点说明
TPB01：VCO输入参考信号，即相位比较器输入信号，它由薄膜键盘进行选择：
1KHZ或2KHZ或外加数字信号（外加信号接S01“外加数字信号”）。
TPB02：相位比较器输入信号，通常PD为来自VCO的参考信号。
TPB03：VCO压控振荡器的输出信号。
六、实验报告要求
画出电路框图及电原理图,根据实验内容，画出相应的波形，并作分析。
图8-3 倍频
N=3时VCO波形示意图
