1、1实验三 VCO 锁相环电路一、 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、熟悉锁相环数字频率合成器的电路组成与工作原理。3、掌握锁相环的基本原理4、掌握锁相式数字频率合成器的设计二、 实验电路工作原理：锁相环是无线电发射中使用频率较为稳定的一种方法，主要有 VCO（压控振荡器）和 PLL 集成电路，压控振荡器给出一个信号，一部分作为输出，另一部分通过分频与 PLL 集成电路所产生的本振信号作相位比较，为了保持频率不变，就要求相位差不发生改变，如果有相位差的变化，则 PLL 集成电路的电压输出端的电压发生变化去控制 VCO，直到相位差恢复， 图
2、3-1 VCO 电路原理图达到锁频的目的，能使受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定关系的闭环电子电路。VCO 电路原理图如图 3-1 所示。1、4046 锁相环芯片介绍4046 锁相环的功能框图如图 2 所示，外线排列管脚功能简要介绍：第 1 引脚（PD03）：相位比较器 2 输出的相位差信号，为上升沿控制逻辑。第 2 引脚（PD01）：相位比较器 1 输出的相位差信号，它采用异或门结构，即鉴相特性，为 PD01=PD11 PD12第 3 引脚（PD12）：相位比较器输入信号，通常 PD 为来自 VCO 参考信号。第 4 引脚（VCO0）：压控振荡器的输出信号。第 5 引脚（INH）：控
3、制信号输入，若 INH 为低电平，则允许 VCO 工作和源极跟随器输出：若 INH 为高电平，则相反，电路将处于功耗状态。第 6 引脚（CI）：与第 7 引脚之间接一电容，以控制 VCO 的振荡频率。2第 7 引脚（CI）：与第 6 引脚之间接一电容，以控制 VCO 的振荡频率。第 8 引脚（GND）：接地。第 9 引脚（VCO1）：压控振荡器的输入信号。第 10 引脚（SF0）：源极跟随器输出。第 11 引脚（R1）：外接电阻至地，分别控制 VCO 的最高和最低振荡频率。第 12 引脚（R2）：外接电阻至地，分别控制 VCO 的最高和最低振荡频率。第 13 引脚（PD02）：相位比较器输出的
4、三态相位差，它采用 PD11、PD12 上升沿控制逻辑。第 14 引脚（PD11）：相位比较器输入信号，PD11 输入允许将 0.1V 左右的小信号或方波信号在内部放大并再经过整形电路后，输出至相位比较器。第 15 引脚（V1）：内部独立的齐纳稳压二极管负极，其稳压值 V 58V，若与 TTL 电路匹配时，可以用来作为辅助电源用。第 16 引脚（VDD）：正电源，通常选+5V，或+10V，+15V。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。如图 3-2 所示。图 3-2 CD4046 锁相环逻辑框图4046 锁相环的 VCO 是一个线性度很高的多谐振荡器，它能产生
5、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3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 C 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 C、外加控制电压 U 有关而且还与电源电压有关，与外接电阻 R1 和 R2 的比值有关。3、锁相式数字频率合成器工作原理从图 3-1 可见，CD4522 为三级可预置分频器，全部采用可预置的 BCD 码同步 1/N 计数器 CD4522，可由 4 位小型拨动开关选择。三块 CD4522 分别对应着总频比 N 的百位、十位、个位数以 8
6、421BCD 码形式输入。使用时按所需分频比 N 预置好 SW1、SW2、SW3 的输入数据， =N* 。3 位程序分频器ofRCD4522 的数据输入端 P0-P3 分别接有 510K 的下拉电阻，当 SW1、SW2、SW3 没有对该系统单元数据输入时，即开路状态，此时下拉电阻把数据输入置为“0”电平；当 SW1、SW2、SW3 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 3-1 电路图中，当程序把分频器的分频比 N 置成 1，也就是 SW1、SW2 均断开，SW3 置成“0001”状态。这时，该电路就是一个基本锁相环电路。当三级程序分
7、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。我们可以使用实验箱自身产生 1KHz(利用数字与模拟信号源 EPM240IO_43 引脚)。当锁相环锁定后，可得到： = ,其中 = /N,带入得： = /N，移项得： =N 。由此可知，当 固定VfRVfoRfoofRRf不变时，改变三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） 也得到相应的改变。这样，只要输入一个固定信号频率 ，即可得到一系列所需要的频率，其频率间隔等于 ，这里为 1KHz。选择不同的 ，可以获得不同 的频率间隔。Rf Rf RfRf三、 测量点说明：TP1
8、：VCO 输入参考信号，即相位比较器输入信号。TP2：相位比较器输入信号，通常 PD 为来自 VCO 的参考信号。TP3：VCO 压控振荡器的输出信号。四、实验步骤（一）基本锁相环实验41、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 保持不变，而 VCO 的振荡频率 发生飘移导致 ，则在环路的反馈控制作用下，使 恢Rf ofVfR of复仍然保持 = ，这种过程叫做同步过程。ofR 打开实验箱电源、信号源开关、VCO 模块开关。 将拨码开关拨到 SW1 0000，SW2 0000,SW3 0001，SW4 11110010 状态，观察此时 TP2 测量点波形频率是否为 32KH
9、z（如图 3-3） 。图 3-3 TP2 测量点波形 调节模拟信号源方波频率为 50KHz，幅度约为 6.0V，将此信号接到 J1 点。短接 J2 的 1 和 2 点，观察输出信号是否为 50KHz。2、观察环路的跟踪过程锁相环进入锁定状态后，如果 （现等于 VCO 的振荡频率 ） ，输入参考频率发生飘移，则在环路的反馈控制作用下，使 跟随着 的变化而Vf of ofRf变化，以保持 = 的环路锁定状态，叫做跟踪过程。Rfo5示波器接双通道（分别接 TP1，TP2） ，改变参考信号频率 ,观察两信号波形是否同时变化（如图 3-4） 。Rf图 3-4 跟踪示意图3、观察环路的捕捉过程慢慢调小参考
10、频率 ，观察两通道信号不等时记录此时的参考信号频率 （应远离 32KHz） （如图 3-5） 。Rf Rf6图 3-5 捕捉示意图（二）频率合成实验将参考信号频率 调到约为 10 KHz,幅度约为 6.20V（利用模拟信号源，部分实验因为信号源原因可在此基础上适当增大幅度） ，观察此时 TP3Rf波形。将拨码开关拨到 SW1 0000，SW2 0110，SW3 0000 状态，慢慢增加分频比 N，当加至 N* 时，记录此时的 N，即为最大倍频比（如图 3-6） 。VfRf7图 3-6 最大倍频比将拨码开关拨到 SW1 0000，SW2 0001，SW3 0000 状态，慢慢减小分频比 N，减至不满足 N* 时，记录此时的比值，即为最小分频比VfRf（如图 3-7） 。图 3-7 最小分频比本合成器分频比的范围满足 1-999。
