鎖相實驗

鎖相實驗（基礎部分）

一、 實驗目的
1．深入對鎖相環基礎作業原理的理解。
2．掌控把握鎖相環同步帶、捕捉帶的測量試驗方法，多加對鎖相環捕捉、跟蹤和鎖定等概念的理解。
3．掌控把握包括鎖相環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（V）控制振蕩器( VCO)三個基礎部位件構成。

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實行對比，產生相位誤差電壓（V）來調節輸出信號的相位，以達到與參考信號同頻的目的。鎖相環路由于設定有良好的跟蹤特性、窄帶濾波特性和良好的門限特性等一些特殊的功能，而廣泛應用來電子技術的各個領域。


鑒相器是相位對比器，用來對比寫入信號ui(t)與壓控振蕩器輸出信號uo(t)的相位，輸出電壓（V）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功能。 壓控振蕩器受環路濾波器輸出電壓（V）uc(t)的控制,使振蕩頻率向寫入信號的頻率靠攏，直至兩者的頻率相同，使得VCO輸出信號的相位和寫入信號的相位保持某種特定的關系，達到相位鎖定的目的。
設寫入信號和本振信號（壓控振輸出信號）分別是正弦和余弦信號，它們在鑒相器內實行對比，鑒相器的輸出是一個與兩者的相位差成比例的的電壓（V），一般把它稱為誤差電壓（V）。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（V）加到VCO的寫入端，VCO送出的本振信號頻率隨著寫入電壓（V）的改變而改變。如果二者頻率不一致，則鑒相器的輸出將產生低頻改變分量并經過低通濾波器使VCO的頻率發生改變。最后如果本振信號的頻率和寫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線DC電壓（V），環路低通濾波器的輸出也是一個直線DC電壓（V），這時，環路 處于"鎖定狀態"。
與鎖相環有關的幾個基礎概念：
環路鎖定： 如果環路有一個寫入信號 u(t) ，開始時寫入頻率總是不等于VCO的自由振蕩頻率，即ωi ≠ ωo 。如果ωi 與ωo 相差不大，在適當的界限內，鑒相器輸出一誤差電壓（V），經環路濾波器變換后控制VCO的頻率，使其輸出頻率改變接近到ωi ，ωi=ωo ，而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與寫入基準信號頻率 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，而且fo 隨 fi 而改變，這就稱為跟蹤。
*判別環路是否鎖定的方法
1）在有雙蹤示波器的現象下
開始，環路處于失鎖狀態，加大寫入信號頻率，用雙蹤示波器查看壓控振蕩器的輸出信號和環路的寫入信號，當兩個信號由不一樣步變成同步，而且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現象下，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。把鑒相器的寫入信號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，而且在理想現象下，即李沙育圖形應是一個圓。

圖10-3 未鎖定時波動線及李沙育圖形


圖10-4 鎖定時波動線及李沙育圖形


CD4046含有相位對比器、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，作業頻率為1MHz。 1 ¾¾相位脈沖 2 ¾¾對比器I輸出 3 ¾¾對比器II寫入 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壓控振蕩器寫入端（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對比器II輸出 14 ¾¾對比器I寫入 15 ¾¾齊納管 16 ¾¾電源（V_DD）
2. 實驗電子回路
本實驗用電子回路模型塊為：鎖相環調頻與測量試驗模型塊。見圖10-7


圖10-7鎖相環調頻與測量試驗電子回路
三、實驗儀表器具
1．鎖相環調頻與測量試驗電子回路實驗板
2．20MH雙蹤示波器
3. 萬用表
四、實驗內容。
1.壓控振蕩器的測量試驗。
2.同步帶和捕捉帶的測量。
五、實驗步驟
1.壓控振蕩器的測量試驗
（1） 在實驗箱主板上插上鎖相環調頻與測量試驗電子回路實驗模型塊。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量試驗電子回路。
（3） 用示波器查看VCO波動線（TP1點），調節電位器RW1，使其自由振蕩頻率為500KHz（參考值）。
（4） 調動電位器RW2，改變壓控振蕩器的控制電壓（V）（TP3點），記錄VCO頻率在表10-1中。
（5） 畫出控制電壓（V）¾¾頻率關系彎彎曲線。
表10-1 壓控振蕩器測量試驗數值 自由強振蕩頻率 f KHz

控制電壓（V）（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，寫入500KHz、5V方波信號由低頻源提供，從IN1入。
（1）用示波器查看VCO波動線，調節電位器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，然后緩緩多加寫入信號頻率f_i ，用雙蹤示波器仔細查看相位對比器兩寫入信號之間的關系。當發現兩寫入信號由不一樣步變為同步，而且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，繼續多加f_i，此時壓控振蕩器頻率f_vco將隨f_i而變。但當f_i多加到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）查看鎖定后的經經典型波動線
實驗中，是使用CD4046鎖相環的相位對比器I，其頻率鎖定在f_{vco 0}現象下的經經典型波動線如圖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．查看并畫出鎖相環鎖定后的經經典型波動線；
3．畫出控制電壓（V）¾¾頻率關系彎彎曲線。
4．總結由本實驗所獲取的體會。