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实验题目 锁相环的应用 实验目的 通过实验掌握锁相环的基本原理 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 基本原理 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fi≠fo），鉴相器对Vi t 的fi，θi与Vo t 的fo，θo进行比相，并输出两信号相位差 θi-θo 成正比的误差电位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。 鉴相器：鉴相器输出误差电压为Ve S Ve S Kp θi S - θo 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。 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 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 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Δωo与外加电压Vd t 成正比。 Δωo 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。 （3）式也可写成 其拉氏变换为 4 可得闭环回路的开环传递函数G S 5 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 图四 它的对数幅频特性曲线如上图 因为20lg RC Ko Kp ＞＞ 调频波解调 图五是利用锁相环实现调频波解调的框图。 又 即我们所需要的能调输出。 目前由于有集成化锁相环路，利用它可方便地实现调频波的解调。 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 即可得到一系列输出频率（只要改变分频率N） 实验仪器 示波器 数字万用表 通用频率/计数器 信号源 电源 实验内容 利用集成锁相环CD4046组成频率合成，fi 10KHz,N得到100，这样输出频率以0.1KHz间隔变化，N由1—1000可变，输出频率fo变化范围为0.1KHz—99.9KHz。 要求在0.1KHz—99.9KHz范围内，相位抖动不超过整个周期的5%。 测出压控振荡器的特性曲线，并求出Ko。 测出鉴相器Ⅱ的特性曲线，并求出Kp（包括低通滤波器）。