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        2023-04-16

        鎖相實驗

        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fi=fo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ui(t)加到示波器的垂直偏轉板上,把uo(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(VCOO)  5 ¾¾禁止端(INH)  6 ¾¾VCO外接電容端(C1)7 ¾¾C2     8¾地(VSS) 9 ¾¾壓控振蕩器輸入端(VCOI )   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(VDD
        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,使f< fvco ,環路處于失鎖狀態,然后緩緩增加輸入信號頻率f,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fi= fvco,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fi,此時壓控振蕩器頻率fvco將隨fi而變。但當fi增加到f2時,f0不再隨fi而變,這個f2就是環路同步帶的上限頻率,然后再逐步降低fi。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fvco 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。
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