1、实验题目 锁相环的应用一实验目的1通过实验掌握锁相环的基本原理2应用锁相环构成一个频率合成器的实验，熟悉锁相环的实际应用，并了解锁相环部分参数的测试二基本原理1锁相环电路基本原理：锁相技术是近代电子技术中一种基本技术，它利用闭环反锁系统，使输出信号的相位与输入信号（或基准信号）的相位维持一定的关系。锁相环电路的基本结构如图一所示，它由鉴相器，低通滤波器和压控振荡器等部件所组成的闭环反锁系统。当 Vd(t)=0 时压控振荡器进行自由振荡，当信号输入后（通常 fif o） ，鉴相器对 Vi(t)的 fi， i 与 Vo(t)的 fo， o 进行比相，并输出两信号相位差 ( i- o)成正比的误差电
2、位 Ve(t)，经过低通滤波器除 Ve(t)的高频成分，输出控制电压 Vd(t)，并对压控振荡器进行调节控制，改变其输出频率与相位。驱使 VCO 的输出频率向输入信号频率靠拢，最后 VCO 输入被锁定在输入频率上，而保持一定的相位差。一般而言，输出信号 Vo(t)具有与 Vi(t)相同数量级的频率稳定度。可见，利用锁相环电路可提高 VCO 输出信号的频率稳定度。若输入信号 Vi(t)的频率（相位）在一定范围内变化，则输出 Vo(t)也将随之而变化，即锁相环具有跟踪特性。由于锁相环具有上述两个特点，因此在广播，电视，雷达遥控，遥测等技术中获得广泛的应用。锁相环是一个闭环负反馈系统，因此可用一般自
3、动控制系统的分析方法（拉普拉斯变换法）来进行分析。这里仅将其中一些主要公式作一介绍与分析，具体请参看有关书籍。a) 鉴相器：鉴相器输出误差电压为 Ve(S)Ve(S)=Kp( i(S)- o(S) (1)其中 Kp 为鉴相器增益，即单位相位差所产生的误差电压。量纲为伏 /弧度。可见，鉴相器是一个对相位差敏感的器件。它种类很多，有二极管构成正弦鉴相器；有由双差分放大器构成的乘法鉴相器，近年来还广泛采用由数字逻辑门电路构成的数字式鉴相器等等。b) 低通滤波器：低通滤波器是锁相环路的一个重要部件，当然。若环路中没有低通滤波器，似乎也能构成锁相环。如图二这种环路称为一阶锁相环。然而若输入信号 Vi(t
4、)中附有高频干扰，则输出 Vo(t)也随干扰变化，造成频率不稳定，甚至发生失锁现象。低通滤波器作用是 1）衰减高频部分，提高抗干扰能力。2）若用瞬变因素而发生瞬时失锁，则低通滤波器可为环路提供短期存贮，并保证环路能迅速再锁定。低通滤波器有滞后型，滞后超前型和有源比例积分滤波器等。假设低通滤波器的传递函数为 F(S)。Vd(S)=F(S) ·Ve(S) (2)c) 压控振荡器该振荡器的频率受外加电压所控制，振荡频率变化 o 与外加电压 Vd(t)成正比。 o =Ko Vd(t) (3)其中 Ko 为压控振荡器的增益，表示单位控制电压所引起的振荡频率的变化量，量纲为弧度/秒·伏
5、。（3）式也可写成其拉氏变换为)(0tVtdO(4)SKdoo)()(d) 可得闭环回路的开环传递函数 G(S)(5)SKFSGop)()(现在我们来讨论反馈电路的稳定性。如低通滤波器用简单 RC 滤波器时则 代入（5）式RCSF1)()()KGpo图四它的对数幅频特性曲线如上图因为 20lg(RC Ko Kp)所以系统是不稳定的。为了使系统稳定还必须加上超步纠正。2锁相环的主要应用：锁相环可广泛用与通讯技术，频率合成，自动频率锁定，马达稳速等，下面简单介绍锁相环应用。a) 调频波解调图五是利用锁相环实现调频波解调的框图。又odKftV)(iof即我们所需要的能调输出。oidft)(目前由于有
6、集成化锁相环路，利用它可方便地实现调频波的解调。b) 频率合成这是本实验的主要电路。利用某一基准频率经过适当的电路，得到另一些频率，它具有基准频率相同的稳定性。图六是利用锁相环实现频率合成的框图。显然，当环路入锁后应满足，即输出信号频率NfMKoiiofMNf即可得到一系列输出频率（只要改变分频率 N）三实验仪器1示波器2数字万用表3通用频率/计数器4信号源5电源四实验内容1利用集成锁相环 CD4046 组成频率合成，f i=10KHz,N 得到 100，这样输出频率以 0.1KHz 间隔变化， N 由 11000 可变，输出频率 fo 变化范围为 0.1KHz99.9KHz。2要求在 0.1KHz99.9KHz 范围内，相位抖动不超过整个周期的 5%。3测出压控振荡器的特性曲线，并求出 Ko。4测出鉴相器的特性曲线，并求出 Kp（包括低通滤波器） 。
