锁相实验

锁相实验（基础部分）

 
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f_i=f_o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u_i(t)加到示波器的垂直偏转板上，把u_o(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（VCO_O）  5 ¾¾禁止端（INH）  6 ¾¾VCO外接电容端（C₁）7 ¾¾C₂     8¾地（V_SS） 9 ¾¾压控振荡器输入端（VCO_I ）   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（V_DD）
2. 实验电路
  本实验用电路模块为：锁相环调频与测试模块。见图10-7


                     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    

控制电压（V）

振荡频率（KHz）

2。同步带和捕捉带的测量
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f_i ，使f_i < f_vco ，环路处于失锁状态，然后缓缓增加输入信号频率f_i ，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f_i= f_vco，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f_i，此时压控振荡器频率f_vco将随f_i而变。但当f_i增加到f₂^’时，f₀不再随f_i而变，这个f₂^’就是环路同步带的上限频率，然后再逐步降低f_i。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f_vco 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。