实验4.8 模拟锁相环电路的应用

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1、第4章高频电子线路实验实验4.8模拟锁相环电路应用一、实验目的1、掌握模拟锁相环的组成及工作原理。2、熟悉用集成锁相环构成锁相解调电路。3、熟悉用集成锁相环构成锁相倍频电路。二、实验仪器及材料高频电子实验箱及实验箱配置的高频信号源和低频信号源、双踪示波器、频率特性扫频仪（选项）、数字万用表、常用工具。三、锁相环路的基本原理1、锁相环路的基本组成图4.8.1锁相环组成方框图锁相环是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路。它的基本原理是利用相位误差电压去消除频率误差，当电路达到平衡状态之后，虽然有剩余相位误差存在，但频率误差可以降低

2、到零，实现了无频差的频率跟踪和相位跟踪。锁相环由三部分组成，如图4.8.1所示。锁相环有控振荡器（VCO）、鉴相器（PD）和环路滤波器（LF）三个基本部件，三者组成一个闭合环路，输入信号为Vi（t），输出信号为Vo（t），由输出反馈至输入端。三个基本部件的功能为（1）压控振荡器（VCO）VCO是控制系统的控制对象。被控参数通常是振荡频率，控制信号是加在VCO上的电压，称为压控振荡器，就是电压-频率变换器。实际上还有电流-频率变换器，习惯上称为压控振荡器。（2）鉴相器（PD）PD是相位比较装置，用来检测输出信号VO（t）与输入信号

3、Vi（t）之间的相位差θe（t），并把θe（t）转化为电压Vd（t）输出，Vd（t）称为误差电压。通常Vd（t）为直流量或低频交流量。（3）环路滤波器（LF）环路滤波器LF为低通滤波电路，其作用是滤除PD的非线性在Vd（t）211第4章高频电子线路实验中产生的无用的组合频率分量及干扰，产生一个只反映θe（t）大小的控制信号VC（t）。按照反馈控制原理，如果由于某种原因使VCO的频率发生变化使得与输入频率不相等，这必将使VO（t）与Vi（t）的相位差θe（t）发生变化。该相位差经过PD转换成误差电压Vd（t），误差电压经过LF滤波

4、后得到VC（t），由VC（t）去改变VCO的振荡频率趋于输入信号的频率，使之达到相等。环路达到相等时的状态称为锁定状态，当然由于控制信号正比于相位差，即　　　　　　　　Vd（t）∝θe（t）　　　　　　　　　　（4-8-1）因此，在锁定状态θe（t）不可能为零。换言之，在锁定状态VO（t）与Vi（t）仍存在相位差。2、锁相环路的两种调节过程锁相环路有两种不同的自动调节过程：一是跟踪过程，二是捕捉过程。（1）环路的跟踪过程在环路锁定之后，若输入信号频率发生变化，产生了瞬时频差，使瞬时相位差发生变化，环路将及时调节误差电压去控制VC

5、O，使VCO输出信号频率随之变化，即产生新的控制频差，VCO输出频率及时跟踪输入信号频率。当控制频差等于固有频差时，瞬时频差再次为零，继续维持锁定，这一过程为跟踪过程。在锁定之后能够继续维持锁定所允许的最大固有角频差△ω1m的两倍称为跟踪带或同步带。（2）环路的捕捉过程环路由失锁状态进入锁定状态的过程称为捕捉过程。设t=0时环路开始闭合，之前输入信号角频率ωi不等于VCO输出振荡角频率ωyo（控制电压Vc=0），环路处于失锁状态。假定ωi是一定值，二者瞬时角频差△ω1=ωi–ωyo，瞬时相位差△ω1随时间线性增大。鉴相器输出误差

6、电压Ue（t）=kbsinω1t是一个周期为2π/△ω1的正弦函数，称为正弦差拍电压。差拍电压是指其角频率（△ω1）为两个角频率（ωi与ωyo）的差值，角频差△ω1的数值大小不同，环路的工作情况也不同。若△ω1较小，处于环路滤波器的通频带内，差拍误差电压Ue（t）能顺利通过环路滤波器加到VCO上，来控制VCO的振荡频率，使其随着差拍电压的变化。所以，VCO输出是一个调频波，即ωy（t）将在ωyo上下摆动。由于△ω1较小，VCO输出振荡角频率ωy（t）很容易摆动到ωi，环路进入锁定状态。鉴相器是输出相对稳定直流电压的相位差，维持环

7、路动态平衡。若瞬时角频差△ω1数值较大，差拍电压Ue（t）的频率就较高。它的幅度在经过环路滤波器时受到衰减。这样，VCO的输出振荡角频率ωy（t）上下摆动的范围将减小，所以需要多次摆动才能接近输入角频率ωi（t）211第4章高频电子线路实验，即捕捉过程需要许多个差拍周期才能完成。因此，捕捉时间较长，若△ω1太大，将无法捕捉到，环路一直处于失锁状态。由失锁进入锁定所允许的最大固有角频差△ω1m′的两倍称为环路的捕捉带。3、集成锁相环NE564介绍及应用（1）实验所用的锁相环为NE564（国产型号为L564），是一种工作频率高达50

8、MHz的超高频集成锁相环。NE564锁相环内部框图和引脚功能如图4.8.2所示。　　　　　　　(a)　内部方框图(b)　芯片管脚功能①　如图4.8.2（a）所示，A1（LIMITER）为限幅放大器。它主要由原理图中的Q1~Q5，Q7及Q8组成。Q1~Q5组成PN