1、 现代通信原理教师参考书111实验十一 基本锁相环与锁相式数字频率合成器一、实验目的1、掌握 VCO 压控振荡器的基本工作原理。2、加深对基本锁相环工作原理的理解。3、熟悉锁相式数字频率合成器的电路组成与工作原理。4、熟悉 555 电路的使用方法。二、实验内容1、观察锁相环的同步态。2、在程序分频器的分频比 N=1、10、100 三种情况下： 测量输入参考信号的波形。 测量相位比较器 2 信号的波形。 测量频率合成器输出信号的波形。 检查并观察输出频率（或分频比）的置换功能。 测量并观察最小分频比与最大分频比。三、实验仪器1、信号源模块2、锁相环模块3、20M 双踪示波器 一台4、频率计（可选
2、） 一台5、连接线 若干四、实验原理1、 基本锁相环电路工作原理5电 路（ NE5）频 率 调 节 锁 相 环 电 路（ CD406） VCO振 荡 输 出整 形 电 路（ 74HC）555 电路（NE555）可用于产生不同频率的方波，并可通过调节“频率调节”电位器来改变其输出频率，从 555 电路输出的方波经过整形电路（74HC74）后，得到占空比为 50频率为的方波，然后此方波输入锁相环电路（CD4046） ， CD4046 是基本锁相环电路。f本实验系统中采用 4046 集成电路锁相环，该芯片包含鉴相器（PD） 、压控振荡器电路两部分，而环路滤波器（LF）由外接阻容元件构成。图 11-1
3、 是基本锁相环电原理图。其中相位比较器 2 为四组边沿触发器。压控振荡器有跟随器，输入受到 INH 的控制。图中PD（11-12）为相位比较器输入；PD（01-03）为相位比较器输出；VCO 1为压控振荡器输入；VCO 0为压控振荡器输出；INH 为禁止端，当 INH 为“1”电平时，禁止 VCO0输出；Z 为内部提供的稳压管的负极；C 1为压控振荡器外接振荡电容端；R 1、R 2（第 11、12 端）则为压控振荡器外接电阻端；当 PLL 作解调等使用时，解调信号从 SF0端输出。现代通信原理教师参考书112图 11-1 基本锁相环电原理图2、 锁相式数字频率合成器工作原理 分 频 比 范 围
4、控 制 电 路时 钟 输 入 锁 相 环 电 路（ CD406） VCO振 荡 输 出分 频 器 个 、 十 位 控 制 电 路（ CD452）时钟输入可采用从信号源上的 BS 信号输入（频率为 ） ，经过锁相环电路（ CD4046）及分f频器个、十位控制电路（CD4522）即分频比为 N，则从 VCO 振荡输出口得到合成频率为 N 信f号。CD4522 为可预置可编程的二十进制记数器。N 分频器是锁相式数字频率合成器主要单元电路之一。当程序分频器的分频比 N 置成 1，也就是把 SW01 断开，SW02 置成“0001”状态，或者不接入两级程序分频器，即把压控振荡器 VCO 的输入端用导线直
5、接连接到相位比较器 2 的比较信号输入端第三引脚 PD12，这时，该电路就是一个基本锁相环电路。本电路采用反馈封锁的办法，实现了使用极少的器件控制着众多批频率（即从 1KHz 99KHz 共 99 个频率点、频率间隔为1KHz）的灵活转换功能。分频比范围控制电路，主要通过改变电阻、电容的值来改变频率合成器分频比的范围。现代通信原理教师参考书113五、实验步骤及注意事项1、将信号源模块、锁相环模块小心地固定在主机箱中，确保电源接触良好。2、插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，再分别按下两个模块中的开关 POWER1、POWER2，对应的发光二极管 LED01、LED02 发光，按一下信号源模块
6、的复位键，两个模块均开始工作。（注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先连线，后打开电源做实验。不要带电连线）3、观察锁相环模块上的点“CLK-OUT”的波形，调节标号为“频率调节”的电位器，使该点输出波形的频率为 100KHz。用连接线连接信号输出点“CLK-OUT”和信号输入点“CLK-IN”。4、基本锁相环实验 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 发生漂移从Rf 0f而导致输出信号频率 时，然后在环路的反馈控制作用下，使 恢复保持 的状态，VRf 0fVRf这种过程叫同步过程。（1）实验方法：将 SW03 设置为 11000000，SW01、
7、SW02 分别设置为 0000 0001 状态，即将分频器的分频比设置为 1。实验电路的锁相环即成为基本锁相环，其 000/1VfffN（2）在点“VCO-OUT”处测量 。可以看到，这时 经过环路的反馈控制，将偏离前项测出的V的参考值而趋向于 ，直至 也等于外接信号源的参考频率值 100KHz（如果参考频率设0f RfVf定为 10KHz，经环路调整后则 也等于 10KHz） 。这就是同步状态，基本锁相环被外加信号源Vf锁定在 的频率上。Rf5、数字频率合成器实验（1）测量参考信号 Ur的频率和波形：使信号源模块的信号输出点“BS”输出频率为 1KHz 的信号，连接信号源模块的信号输出点“B
8、S”和锁相环模块的信号输入点“CLK-IN” ，用示波器测量信号输入点“CLK-IN”点的波形，应是频率为 1KHz 的方波。（2）测量频率合成器输出信号的波形：将 SW03 设置为 11110000,用示波器测量信号输出点“VCO-OUT” 。频率合成器的输出即 VCO 的输出，其波形应为 的占空比为 50%的方波。RfNf（3）输出频率（或分频比）的置换功能：通过改变预置开关 SW01、SW02，依次变换分频比的十位数和个位数，观察 N 改变时，输出频率是否满足 的关系。0Rff（4）检查最小分频比与最大分频比：将 SW03 设置为 11000000，SW01、SW02 设置为 0001
9、0000，逐渐减置数值，当输入频率不符合的关系时，表示 已不能锁定 VCO 的频率,那么频率合成器已不能正常工作，此时0RfNf Rf的 N 值即为该频率合成器的最小分频比。同理，将 SW01、SW02 设置为 0000 0001 后，逐渐增大 N 的数值，当输出频率不符合 关系时的 N 值即为该频率合成器的最大分频比。0Rff现代通信原理教师参考书114（5）测试元器件数值变化对频率合成器分频比的影响：改变 SW03 的接入（其电容值有：22pf、220pf、2200pf、22000pf，电阻值有：10K、100K、510K、820 K，分别对应拨码开关 SW03 的 18 位） ，测试元器
10、件数值变化对频率合成器分频比的影响（不同元件数值可以改变频率合成器分频比的范围） 。六、实验结果1、CLKOUT 测试点（555 电路波形 2、VCOOUT 测试点（基本锁相环输出输出点） 输出的方波（频率可调） 点，输入信号为 CLKOUT 输出的方波）输出的波形3、VCOOUT 测试点（基本锁相环 4、VCOOUT 测试点（数字频率合成器输出点，与测试点 CLKIN 的输入 信号输出点，输入为信号源输的 1KHz信号一起双踪观察）输出的波形 的方波，双踪观察）输出的波形现代通信原理教师参考书115七、思考题答案1、本锁相环电路中，若要扩大捕捉带，可采取什么措施？答：接在 R2 上的电阻值可
11、控制 VCO 的最高、最低频率。要想使捕捉带扩大，根据芯片的内部结构，可知通过增大 R2的阻值即可。2、若频率合成器输出范围从 09999，且用 CD4522 作程序分频器，如何连接？八、提问及解答1、当设 =1KHz 的方波，把两级程序器的分频比 N 置成 57 即 N=57,那么输出频率为多少？Rf答： 571KHz57KHz0N2、基本锁相环电路中，其同步带与捕捉带之间的关系如何？答：当 fv=fR时，环路进入了锁定状态，记此时的 fR为 f0 。先增大 fR直到环路刚刚失锁，记此时的输入频率为 fR1 。再减小 fR，直到环路刚刚锁定为止，记此时的输入频率为 fR2。继续减小 fR，直到环路再一次刚刚失锁为止，记此时的 fR为 fR3，再一次增大，直到环路再一次刚刚锁定，记 fR为 fR4。将上述实验反复做若干次。将 fR1 fR2 fR3 fR4做平均处理，然后求出频差f p1/2( ) f H1/2( )4231Rf锁相环能进入锁定状态的条件是 f p0环路能保持锁定的条件是 f Hf可见，f p是环路能进入锁定状态的最大固有频差，f H是环路能保持锁定状态的最大固有频差。即 f p为捕捉带，f H为同步带。模拟锁相环中，f pf H。3、锁相环的主要应用有哪些？本实验是哪种应用？答：锁相环可用于解调和锁相接收中，也可用于频率合成器中。本实验主要用的是锁相倍频特性。
