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锁相环频率合成器工作原理

发布时间:2009-07-03 16:52:40  来源:资料室    作者:   更新20220117 070745



实验原理及步骤
利用CMOS固有的低功耗、宽工作电源、集成度高等特点,可以设计出性能良好、使用方便的锁相环单片电路。其中CD4046是一种能工作在1MHZ以下的通用PLL产品,它广泛应用于通信计算机接口领域。
图8示出CD4046的电路方框功能图。在这个单片集成电路中,内含两个相位比较器,其中PD1是异或门鉴相器;PD2是边沿触发式鉴相器。另外电路中含有一个VCO,一个前置放大器A1,一个低通滤波器输出缓冲放大器A2和一个内部5V基准稳压管。从图8可看出,引脚(16)是正电源引入端;(8)脚是负电源端,在用单电源时接地;(6)脚,(7)脚外接电阻C67;(11)脚外接电阻R11和C67决定了VCO的自由振荡频率;(12)脚外接电阻R12,它用作确定在控制电压为零时的最低振荡频率fomin ;(5)脚为VCO禁止端,当(5)脚加上“1”电平
(即VDD)时,VCO停止工作,当为“0”
电平(即VSS)时,VCO工作;(14)脚是PLL参考基准输入端;(4)脚是VCO输出;(3)是比较输入端;(2)和(13)脚分别是PD1和PD2的输出端;(9)脚是VCO的控制端;(10)是缓冲放大器的输出端;(1)脚和(2)脚配合可做锁定指示;(15)脚是内设5V基准电压输出端


图8 CD4046原理图

实验一、PLL参数测试

一、压控灵敏度KO的测量

如图9,V(9)从0~9V每隔1伏测一点,作出f-V(9)曲线,从曲线求KO。(KO的单位是rad/s.v)同时测出V(9)= 1/2VDD = 4.5V时VCO的频率fo 、示波器(即中心频率)

          图9
二、鉴相灵敏度Kd的测量。
测量方框如图10,其中LPF为附录3中的(b)。由于取值R2=100K >> RW和R2=R3,则运放的同相增益:

反相增益 :

所以运放的输出UA = KA UF + KM UM = 2UF - UW 信号源为—频率连续可调的方波发生器。

                             图10
实验步骤
1. 用另一块4046(记为4046B,图9那块记为4046A)组装一信号源,如图11。
2. 按图10接实验图,注意运放324和RW的工作电压为9V和-5V,4046的电压为9V和OV。由于实验中的稳压电源只能提供两路电源,而实际需要三路,所以应将稳压电源输出分别调节到+12V和-5V。9V电压由+12V 经三端稳压器7809降压后提供。

                图11
3.断开信号源和4046A的PD1的连接,调RW,使4046A 的VCO的频率为中心频率fO,同时调信号源的输出频率也为4046A的中心频率fO。
4.连接信号源和4046A的PD1 ,用双踪示波器观察Ui、UO,可观察到两个锁定的方波信号,其相差约为π / 2。
5.调RW,观察Ud波形的变化,用示波器观察Ud 、Ui、UO,应能观察到它们符合图3所示的相位关系。
6.通过用示波器测Ud的占空比测θe (参考图3)用数字电压表测UF(即U),θe从π/6到5π/6,每π/6测一点,作出UF~ θe曲线 ,并由曲线求出Kd(单位为V / Rad)。可调节示波器X轴扫描速度,让Ud的一个周期在荧屏上显示整六格,则每格就代表π / 6,这样可以提高测量速度。
 

三、环路开环增益的测量(KH)




            图12 环路开环增益测量方块图

开环增益即为环路直流总增益KH = Δω/Δθ= Kd K0 KF(0),式中KF(0)为频率为0时,环路低通滤波器的传递函数,显然当用比例积分滤波器时, KF(0)=1,∴KH = Kd K0
实验方块图如图12,注意不用运放,LPF 为附录3中的(b)。当鉴相器比较两同相信号时,UF = 0,VC0振荡于fmin; 当鉴相器比较两反相信号时,UF = VDD,VCO振荡于fmax 。做这实验时应注意是开环。
在理想情况下

KH =Δω/Δθ =2πΔf/Δθ = 2π (fmax - fmin)/π =2(fmax - fmin)
实验中信号源即为图11信号源,其Out1和Out2为倒相信号。

四、同步带、捕捉带测量
实验方块如图13(LPF 为附录3中的(b))。



  图13同步带、捕捉带测量方块图

1. 同步带的测量:调信号源(图11)频率约为CD4046的中心频率。示波器分别测Ui和Uo,并以Ui作为示波器的触发同步信号,频率计测Ui,这时示波器可显示两个稳定的波形,即Ui和Uo是锁定的。在一定范围内缓慢改变信号源频率,可看到两个波形的频率同时变化,且都保持稳定清晰,这就是跟踪。但当信号源频率远大于(高端)或远小于(低端)CD4046的中心频率时,Ui波形还保持稳定清晰,但Uo不能保持稳定清晰,这就是失锁。记下刚出现失锁时的Ui频率即高端频率fHH和低端频率fHL,则同步带ΔfH = fHH-fHL 。由于我们用的是PD1,是异或门相鉴器,当Ui和Uo为分数倍数关系时,也可能出现两个稳定的波形,这种情况应认为是“失锁”。只有出现两个同频的稳定波形时才认为是“锁定。

2.捕捉带的测量:环路失锁后,缓慢改变信号源频率, 从高端或低端向CD4046的中心频率靠近,当信号源频率分别为fPH和fPL时,环路又锁定。则环路捕捉带ΔfP = fPH-fPL

五、ωn、ξ的测量

实验如图 14。我们知道,当信号源的频率突然改变时(即对应Uj方波的前后沿),UF都产生一次阻尼振荡。从阻尼振荡波形可测出A1、A2、T,其物理意义见图14。并由 A1、A2、T求出PLL的ωn 和ξ:



实验步骤:
断开4046B(4)与4046A(14)
的连线,分别调W2、W1使4046A与4046B都振荡在 4046A 的中心频率上。然后接上连线,这时应可观察到锁定波形。再加入Ui(几百HZ,几百mVp-p的方波)。示波器测UF和Ui,LPF 为附录3中的(a),记录UF的A1、A2,T,并计算出ξ和ωn。
要注意的是,UF是叠加有高频信号的低频阻尼振荡信号。A1、A2,T应是低频信号的振幅和周期。

  图14 Wn、ξ测试图


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