锁相实验

锁相实验（基础部分）

一、 实验目的
1．深入对锁相环基础作业原理的理解。
2．掌控把握锁相环同步带、捕捉带的测量试验方法，多加对锁相环捕捉、跟踪和锁定等概念的理解。
3．掌控把握包括锁相环CD4046的使用方法。

二、实验原理
锁相环由鉴相器( PD)、环路滤波器( LF)和电压（V）控制振荡器( VCO)三个基础部位件构成。

锁相环路是一个相位误差控制系统，它将参考信号与输出信号之间的相位实行对比，产生相位误差电压（V）来调节输出信号的相位，以达到与参考信号同频的目的。锁相环路由于设定有良好的跟踪特性、窄带滤波特性和良好的门限特性等一些特殊的功能，而广泛应用来电子技术的各个领域。


鉴相器是相位对比器，用来对比写入信号ui(t)与压控振荡器输出信号uo(t)的相位，输出电压（V）对应于这两个信号相位差的函数。环路滤波器是滤除ud(t)高频分量及噪声，以保证环路所要求的功能。 压控振荡器受环路滤波器输出电压（V）uc(t)的控制,使振荡频率向写入信号的频率靠拢，直至两者的频率相同，使得VCO输出信号的相位和写入信号的相位保持某种特定的关系，达到相位锁定的目的。
设写入信号和本振信号（压控振输出信号）分别是正弦和余弦信号，它们在鉴相器内实行对比，鉴相器的输出是一个与两者的相位差成比例的的电压（V），一般把它称为误差电压（V）。环路低通滤波器滤除鉴相器中的高频分量，然后把输出电压（V）加到VCO的写入端，VCO送出的本振信号频率随着写入电压（V）的改变而改变。如果二者频率不一致，则鉴相器的输出将产生低频改变分量并经过低通滤波器使VCO的频率发生改变。最后如果本振信号的频率和写入信号的频率保持一致，两者的相位差保持某一恒定值，则鉴相器的输出将是一个恒定直线DC电压（V），环路低通滤波器的输出也是一个直线DC电压（V），这时，环路 处于"锁定状态"。
与锁相环有关的几个基础概念：
环路锁定： 如果环路有一个写入信号 u(t) ，开始时写入频率总是不等于VCO的自由振荡频率，即ωi ≠ ωo 。如果ωi 与ωo 相差不大，在适当的界限内，鉴相器输出一误差电压（V），经环路滤波器变换后控制VCO的频率，使其输出频率改变接近到ωi ，ωi=ωo ，而而且两信号的相位差为常数 ，这种状态称为环路锁定。
设压控振荡器的自由振荡频率fo与写入基准信号频率 fi 相差较远 。随着基准频率fi向压控振荡频率fo 靠拢，达到某一频率 ，这时环路进入锁定状态，该过程称为环路捕获。一旦入锁以后，压控频率就等于基准频率，而且fo 随 fi 而改变，这就称为跟踪。
*判别环路是否锁定的方法
1）在有双踪示波器的现象下
开始，环路处于失锁状态，加大写入信号频率，用双踪示波器查看压控振荡器的输出信号和环路的写入信号，当两个信号由不一样步变成同步，而且f_i=f_o时，表示环路已经进入锁定状态。
2）单踪──普通示波器
在没有双踪示波器的现象下，在单踪示波器上可以用李沙育图形来判定环路是否处于锁定状态。把鉴相器的写入信号u_i(t)加到示波器的垂直偏转板上，把u_o(t)加到水平偏转板（或者相反），并使两信号幅度相等。如果环路已锁定，而且在理想现象下，即李沙育图形应是一个圆。

图10-3 未锁定时波动线及李沙育图形


图10-4 锁定时波动线及李沙育图形


CD4046含有相位对比器、压控振荡器两部分，使用时需外接低通滤波器（阻、容元件）形成完整的锁相环。 内部 6.2V的齐纳稳压管 在需要用的时候作为辅助电源。

CD4046有16个管脚，作业频率为1MHz。 1 ¾¾相位脉冲 2 ¾¾对比器I输出 3 ¾¾对比器II写入 4¾¾压控振荡器输出端（VCO_O） 5 ¾¾禁止端（INH） 6 ¾¾VCO外接电容端（C₁）7 ¾¾C₂ 8¾地（V_SS） 9 ¾¾压控振荡器写入端（VCO_I ） 10 ¾¾解调器输出 11 ¾¾ VCO外接电阻端（R₁） 12 ¾¾ VCO外接电阻端（R₂） 13 ¾¾对比器II输出 14 ¾¾对比器I写入 15 ¾¾齐纳管 16 ¾¾电源（V_DD）
2. 实验电子回路
本实验用电子回路模型块为：锁相环调频与测量试验模型块。见图10-7


图10-7锁相环调频与测量试验电子回路
三、实验仪表器具
1．锁相环调频与测量试验电子回路实验板
2．20MH双踪示波器
3. 万用表
四、实验内容。
1.压控振荡器的测量试验。
2.同步带和捕捉带的测量。
五、实验步骤
1.压控振荡器的测量试验
（1） 在实验箱主板上插上锁相环调频与测量试验电子回路实验模型块。接通实验箱上电源开关，电源指标灯点亮。
（2） 断开J1，连接J2左，J3左，J4形成压控振荡器的测量试验电子回路。
（3） 用示波器查看VCO波动线（TP1点），调节电位器RW1，使其自由振荡频率为500KHz（参考值）。
（4） 调动电位器RW2，改变压控振荡器的控制电压（V）（TP3点），记录VCO频率在表10-1中。
（5） 画出控制电压（V）¾¾频率关系弯弯曲线。
表10-1 压控振荡器测量试验数值 自由强振荡频率 f KHz

控制电压（V）（V）

振荡频率（KHz）

2。同步带和捕捉带的测量
连接J1、J2右，J3左，J4，写入500KHz、5V方波信号由低频源提供，从IN1入。
（1）用示波器查看VCO波动线，调节电位器RW1，使其自由振荡频率为500KHz（参考值）[此步可省略]。
（2） 同步带和捕捉带的测量
可按定义来测量，方法如下：调基准频率f_i ，使f_i < f_vco ，环路处于失锁状态，然后缓缓多加写入信号频率f_i ，用双踪示波器仔细查看相位对比器两写入信号之间的关系。当发现两写入信号由不一样步变为同步，而且f_i= f_vco，表示环路已进入到锁定状态，用频率计记下此时的频率为f₁，这就是捕捉带的下限频率，继续多加f_i，此时压控振荡器频率f_vco将随f_i而变。但当f_i多加到f₂^’时，f₀不再随f_i而变，这个f₂^’就是环路同步带的上限频率，然后再逐步降低f_i。由上述判别方法，即可测出捕捉带的上限频率f₂及同步带的下限频率f₁^’，从而可求出：
捕捉带
同步带
（6）查看锁定后的经经典型波动线
实验中，是使用CD4046锁相环的相位对比器I，其频率锁定在f_{vco 0}现象下的经经典型波动线如图10-8 所示：

六、实验报告要求
1．测量并计算锁相环同步带和捕捉带；
2．查看并画出锁相环锁定后的经经典型波动线；
3．画出控制电压（V）¾¾频率关系弯弯曲线。
4．总结由本实验所获取的体会。