鎖相實(shí)驗(yàn)（基礎(chǔ)部分）
一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>
1．加深對(duì)鎖相環(huán)基本工作原理的理解。
2．掌握鎖相環(huán)同步帶、捕捉帶的測(cè)試方法，增加對(duì)鎖相環(huán)捕捉、跟蹤和鎖定等概念的理解。
3．掌握集成鎖相環(huán)CD4046的使用方法。
二、實(shí)驗(yàn)原理
鎖相環(huán)由鑒相器( PD)、環(huán)路濾波器( LF)和電壓控制振蕩器( VCO)三個(gè)基本部件組成。
鎖相環(huán)路是一個(gè)相位誤差控制系統(tǒng)，它將參考信號(hào)與輸出信號(hào)之間的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生相位誤差電壓來(lái)調(diào)整輸出信號(hào)的相位，以達(dá)到與參考信號(hào)同頻的目的。鎖相環(huán)路由于具有良好的跟蹤特性、窄帶濾波特性和良好的門(mén)限特性等一些特殊的性能，而廣泛應(yīng)用于電子技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域。
鑒相器是相位比較器，用來(lái)比較輸入信號(hào)ui(t)與壓控振蕩器輸出信號(hào)uo(t)的相位，輸出電壓對(duì)應(yīng)于這兩個(gè)信號(hào)相位差的函數(shù)。環(huán)路濾波器是濾除ud(t)高頻分量及噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能。 壓控振蕩器受環(huán)路濾波器輸出電壓uc(t)的控制,使振蕩頻率向輸入信號(hào)的頻率靠攏，直至兩者的頻率相同，使得VCO輸出信號(hào)的相位和輸入信號(hào)的相位保持某種特定的關(guān)系，達(dá)到相位鎖定的目的。
設(shè)輸入信號(hào)和本振信號(hào)（壓控振輸出信號(hào)）分別是正弦和余弦信號(hào)，它們?cè)阼b相器內(nèi)進(jìn)行比較，鑒相器的輸出是一個(gè)與兩者的相位差成比例的的電壓，一般把它稱(chēng)為誤差電壓。環(huán)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(hào)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(chǎn)生低頻變化分量并通過(guò)低通濾波器使VCO的頻率發(fā)生變化。最后如果本振信號(hào)的頻率和輸入信號(hào)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(gè)恒定直流電壓，環(huán)路低通濾波器的輸出也是一個(gè)直流電壓，這時(shí)，環(huán)路 處于“鎖定狀態(tài)”。
與鎖相環(huán)有關(guān)的幾個(gè)基本概念：
環(huán)路鎖定： 如果環(huán)路有一個(gè)輸入信號(hào) u(t) ，開(kāi)始時(shí)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(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，鑒相器輸出一誤差電壓，經(jīng)環(huán)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(hào)的相位差為常數(shù) ，這種狀態(tài)稱(chēng)為環(huán)路鎖定。
設(shè)壓控振蕩器的自由振蕩頻率fo與輸入基準(zhǔn)信號(hào)頻率 fi 相差較遠(yuǎn) 。隨著基準(zhǔn)頻率fi向壓控振蕩頻率fo 靠攏，達(dá)到某一頻率 ，這時(shí)環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)，該過(guò)程稱(chēng)為環(huán)路捕獲。一旦入鎖以后，壓控頻率就等于基準(zhǔn)頻率，且fo 隨 fi 而變化，這就稱(chēng)為跟蹤。*判斷環(huán)路是否鎖定的方法
1）在有雙蹤示波器的情況下
開(kāi)始，環(huán)路處于失鎖狀態(tài)，加大輸入信號(hào)頻率，用雙蹤示波器觀察壓控振蕩器的輸出信號(hào)和環(huán)路的輸入信號(hào)，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)由不同步變成同步，且fi=fo時(shí)，表示環(huán)路已經(jīng)進(jìn)入鎖定狀態(tài)。
2）單蹤──普通示波器
在沒(méi)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(lái)判定環(huán)路是否處于鎖定狀態(tài)。把鑒相器的輸入信號(hào)ui(t)加到示波器的垂直偏轉(zhuǎn)板上，把uo(t)加到水平偏轉(zhuǎn)板（或者相反），并使兩信號(hào)幅度相等。如果環(huán)路已鎖定，且在理想情況下，即李沙育圖形應(yīng)是一個(gè)圓。
圖10-3 未鎖定時(shí)波形及李沙育圖形
圖10-4 鎖定時(shí)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(shí)需外接低通濾波器（阻、容元件）形成完整的鎖相環(huán)。 內(nèi)部 6.2V的齊納穩(wěn)壓管 在需要用的時(shí)候作為輔助電源。
CD4046有16個(gè)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(diào)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(shí)驗(yàn)電路
本實(shí)驗(yàn)用電路模塊為：鎖相環(huán)調(diào)頻與測(cè)試模塊。見(jiàn)圖10-7
圖10-7鎖相環(huán)調(diào)頻與測(cè)試電路
三、實(shí)驗(yàn)儀器
1．鎖相環(huán)調(diào)頻與測(cè)試電路實(shí)驗(yàn)板
2．20MH雙蹤示波器
3. 萬(wàn)用表
四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。
1.壓控振蕩器的測(cè)試。
2.同步帶和捕捉帶的測(cè)量。
五、實(shí)驗(yàn)步驟
1.壓控振蕩器的測(cè)試
（1） 在實(shí)驗(yàn)箱主板上插上鎖相環(huán)調(diào)頻與測(cè)試電路實(shí)驗(yàn)?zāi)K。接通實(shí)驗(yàn)箱上電源開(kāi)關(guān)，電源指標(biāo)燈點(diǎn)亮。
（2） 斷開(kāi)J1，連接J2左，J3左，J4形成壓控振蕩器的測(cè)試電路。
（3） 用示波器觀察VCO波形（TP1點(diǎn)），調(diào)整電位器RW1，使其自由振蕩頻率為500KHz（參考值）。
（4） 調(diào)節(jié)電位器RW2，改變壓控振蕩器的控制電壓（TP3點(diǎn)），記錄VCO頻率在表10-1中。
（5） 畫(huà)出控制電壓¾¾頻率關(guān)系曲線(xiàn)。
表10-1 壓控振蕩器測(cè)試數(shù)據(jù) 自由強(qiáng)振蕩頻率 f KHz
| 控制電壓（V） | ||||||||||||||
| 振蕩頻率（KHz） |
連接J1、J2右，J3左，J4，輸入500KHz、5V方波信號(hào)由低頻源提供，從IN1入。
（1）用示波器觀察VCO波形，調(diào)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(cè)量
可按定義來(lái)測(cè)量，方法如下：調(diào)基準(zhǔn)頻率fi ，使fi < fvco ，環(huán)路處于失鎖狀態(tài)，然后緩緩增加輸入信號(hào)頻率fi ，用雙蹤示波器仔細(xì)觀察相位比較器兩輸入信號(hào)之間的關(guān)系。當(dāng)發(fā)現(xiàn)兩輸入信號(hào)由不同步變?yōu)橥剑襢i= fvco，表示環(huán)路已進(jìn)入到鎖定狀態(tài)，用頻率計(jì)記下此時(shí)的頻率為f1，這就是捕捉帶的下限頻率，繼續(xù)增加fi，此時(shí)壓控振蕩器頻率fvco將隨fi而變。但當(dāng)fi增加到f2’時(shí)，f0不再隨fi而變，這個(gè)f2’就是環(huán)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(cè)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(shí)驗(yàn)中，是使用CD4046鎖相環(huán)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(shí)驗(yàn)報(bào)告要求
1．測(cè)量并計(jì)算鎖相環(huán)同步帶和捕捉帶；
2．觀察并畫(huà)出鎖相環(huán)鎖定后的典型波形；
3．畫(huà)出控制電壓¾¾頻率關(guān)系曲線(xiàn)。
4．總結(jié)由本實(shí)驗(yàn)所獲得的體會(huì)。