1、鎖相環(huán)PLL原理與應用第一部分：鎖相環(huán)基本原理 一、鎖相環(huán)基本組成 二、鑒相器（PD） 三、壓控振蕩器（VCO） 四、環(huán)路濾波器（LPF） 五、固有頻率n和阻尼系數 物 理意義 六、同時帶和捕捉帶第1頁第二部分：鎖相環(huán)試驗試驗一、PLL參數測試一、壓控靈敏度KO測量二、鑒相靈敏度Kd測量三、環(huán)路開環(huán)增益（KH）測量四、同時帶和捕捉帶測量五、 n、測量第2頁試驗二、PLL應用試驗一、PLL頻率合成器試驗二、PLL調頻（FM）解調三、鎖相式雙音多頻信號（DTMF）解碼器四、 PLL 數字調諧試驗五、設計5 / 6分頻器 第3頁實驗目經過上述試驗，使大家對由模擬電路、數字電路組成硬件系統(tǒng)設計、電路搭

2、接、故障分析判斷、故障排除得到一次鍛煉。 第4頁第一部分：鎖相環(huán)基本原理（P1）一、鎖相環(huán)基本組成一個經典鎖相環(huán)（PLL）系統(tǒng)，是由鑒相器（PD），壓控蕩器（VCO）和低通濾波器（LPF）三個基本電路組成 Ud = Kd (io) UF = Ud F（s） 第5頁二鑒相器（PD）Ud = Kd *Kd 為鑒相靈敏度 三壓控振蕩器（VCO） （P2）o（t）= om + K0 UF（t）K0VCO控制特征曲線斜率，常稱為VCO控制靈敏度，或稱壓控靈敏度。第6頁四、環(huán)路濾波器，這里僅討論無源百分比積分濾波器其傳遞函數為：式中：1 = R1 C 2 = R2 C 第7頁當鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)時，鑒相器

3、（PD）兩輸入端一定是兩個頻率完全一樣但有一定相位差信號。假如它們頻率不一樣，則在壓控振蕩器（VCO）輸入端一定會產生一個控制信號使壓控振蕩器振蕩頻率發(fā)生改變，最終使鑒相器（PD）兩輸入信號（一個是鎖相環(huán)輸入信號Vi, 一個是壓控振蕩器輸出信號Vo）頻率完全一樣，則環(huán)路系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。第8頁五、系統(tǒng)固有頻率n和阻尼系數 物理意義 （P3） 一個串聯(lián)電路，當輸入端加一個階躍電壓時，輸出端電壓改變有三種可能第9頁當鎖相環(huán)輸入信號相位有一個階躍跳變時，輸出信號相位改變也有三種情況第10頁n、就是指欠阻尼振蕩時振蕩頻率和和阻尼系數第11頁六、鎖相環(huán)同時和捕捉同時狀態(tài)：鎖相環(huán)輸出頻率（或VCO頻率）o

4、能跟蹤輸入頻率i工作狀態(tài)，稱為同時狀態(tài)（或鎖定狀態(tài)），在同時狀態(tài)下，一直有o = i。這時假如用示波器觀察Vi與Vo,即使單路觸發(fā)，兩個波形都是清楚穩(wěn)定。第12頁同時帶：在鎖相環(huán)境保護持同時條件下，輸入頻率i最大改變范圍，稱為同時帶寬，用H 表示。超出此范圍，環(huán)路則失鎖。第13頁捕捉帶失鎖時，oi，假如從兩個方向設法改變i，使i向o靠攏，進而使o =（io），當o小到某一數值時，環(huán)路則從失鎖進入鎖定狀態(tài)。這個使PLL經過頻率牽引最終造成入鎖頻率范圍稱為捕捉帶p。第14頁同時帶H，捕捉帶p 和VCO 中心頻率o 關系 第15頁試驗原理及步驟 P（4）CD4046原理圖 第16頁試驗一、PLL參數

5、測試（P5）一、壓控靈敏度KO測量第17頁二、鑒相靈敏度Kd測量。第18頁三、環(huán)路開環(huán)增益（KH）測量當鑒相器比較兩同相信號時，UF = 0，VC0振蕩于fmin; 當鑒相器比較兩反相信號時，UF = VDD，VCO振蕩于fmax 在理想情況下 KH = 2(fmax - fmin) 第19頁同時帶測量調信號源（圖11）頻率約為中心頻率。示波器分別測Ui和Uo，并以Ui作為示波器觸發(fā)同時信號，頻率計測Ui，這時示波器可顯示兩個穩(wěn)定波形，即Ui和Uo是鎖定。在一定范圍內遲緩改變信號源頻率，可看到兩個波形頻率同時改變，且都保持穩(wěn)定清楚，這就是跟蹤。第20頁但當信號源頻率遠大于（高端）或遠小于（低端

6、）中心頻率時，Ui波形還保持穩(wěn)定清楚，但Uo不能保持穩(wěn)定清楚，這就是失鎖。記下剛出現(xiàn)失鎖時Ui頻率即高端頻率fHH和低端頻率fHL，則同時帶fHfHHfHL。因為我們用是PD1，是異或門相鑒器，當Ui和Uo為分數倍數關系時，也可能出現(xiàn)兩個穩(wěn)定波形，這種情況應認為是“失鎖”。只有出現(xiàn)兩個同頻穩(wěn)定波形時才認為是“鎖定 第21頁捕捉帶測量 環(huán)路失鎖后，遲緩改變信號源頻率， 從高端或低端向中心頻率靠近，當信號源頻率分別為fH和fL時，環(huán)路又鎖定。則環(huán)路捕捉帶fPfPHfPL。第22頁n、測量 P（8）當信號源頻率突然改變時（即對應Uj方波前后沿），UF都產生一次阻尼振蕩。從阻尼振蕩波形可測出A1、A2

7、、T，并由 A1、A2、T求出PLLn 和第23頁n、實際測量波形第24頁試驗二、PLL應用試驗P（9）當PLL處于鎖定狀態(tài)時，PD兩個輸入信號頻率一定準確相等, 所以可得：f0 = N *fifi為晶振標準信號 經過改變分頻比N，便可取得一樣精度不一樣頻率信號輸出 一、PLL頻率合成器試驗 第25頁1）1KHZ標準信號源用CMOS與非門和4M晶體組成 4MHz振蕩器。圖中Rf 使F1工作于線性放大區(qū)。晶體等效電感，C1、C2組成諧振回路。C1 、C2可利用器件分布電容不另接。F1、F2、F3使用CD4069。 第26頁測量 CD4518時序圖依據講義后面CD4518管腳圖 ,測量并畫出Q1，

8、Q2、Q3、Q4及 CP之間相位關系圖 (時序圖)(BCD碼計數器) 第27頁4000分頻器制作依據上面測出4518波形圖，用二片CD4518（共4個計數器）組成一個4000分頻器，也就是一個四分頻器，三個十分頻器 。 第28頁2）用一片CD4017作分頻器組成2-9KHZ頻率合成器 （P10）4017（十進制計數分配器）功效測試 第29頁29KHZ頻率合成器 第30頁3）撥盤開關式1999KHZ頻率合成器 （P10）單片4522分頻器 第31頁用三片4522組成1999HHZ頻率合成器 （P11）第32頁4）健盤置數式1999KHZ頻率合成器 （P12）就是用數字健盤以及一些數字IC替換撥盤

9、開關組成1999KHZ頻率合成器。最終應做到：當次序按鍵盤任意三個?。ㄈ?.9.2）時，則輸出信號頻率就為592KHz。置數部分框圖如圖 第33頁號碼脈沖發(fā)生器 依據HM9102D資料，請用HM9102D自己設計一個號碼脈沖發(fā)生器，要求：1) VDD = 5V；2) 斷續(xù)比為1.5 ：13) 號碼脈沖輸出幅度為0到9V（注意：DP輸出端是OC電路，上拉電阻取100K。另外，為安全起見，輸出和負載之間應串一個10K電阻 )第34頁開門脈沖和記數脈沖發(fā)生器 為了使后面控制引導電路能正常工作，還需一個開門脈沖。也就是每按一次鍵，即每輸出一列脈沖（不論這一列含有幾個號碼脈沖）就要產生一個開門脈沖。同時

10、為了使后面記數電路能正確記數，還應確?！跋乳_門后送計數脈沖”。也就是要求開門脈沖要比送到計數器號碼脈沖超前一點。所以開門脈沖和號碼脈沖時間關系應如圖 第35頁開門脈沖和號碼脈沖 HM9102D輸出，作單穩(wěn)CP 單穩(wěn)2輸出，開門脈沖 單穩(wěn)1輸出，號碼脈沖第36頁控制引導電路及計數、置數電路 第37頁PLL調頻（FM）解調 （P15）第38頁鎖相式雙音多頻信號（DTMF）解碼器雙音多頻信號（DTMF） P（16） 低頻群L（Hz） 高頻群H(Hz)120913361477697123770456852789941*0#每個按紐各由H和L中一個頻率組成 第39頁鎖相式雙音多頻信號（DTMF）解碼器

11、用5087組成雙音多頻信號（DTMF）發(fā)生器 （P17）第40頁用LM567進行單一頻率檢測電路（P18） 如567中心頻率(由5,6腳外圍R,C決定)為fo , 當Vin中包含有fo成份時，則8腳輸出低電平，不然高電平 。 第41頁1組DTMF信號解碼器（P18） 當輸入信號同時包含兩個頻率(697,1209)時，可輸出或邏輯“0”。 第42頁6組DTMF信號解碼器（P19）（如用7個LM567和12個或非門則可解調12組DTMF信號。） 第43頁PLL 數字調諧試驗（P20） 當代接收機（如電視機、收音機）大多采取超外差接收方式。如要接收信號載波頻率為fC，則接收機要產生一個本振信號，其頻

12、率fL=fC+fI，其中fI為中頻。第44頁在模擬調諧方式中，本振信號普通是由LC振蕩回路產生。調諧（調臺）時，普通是用改變LC振蕩回路中電容容量（如改變變容二極管反向偏壓），來改變本振信號頻率，從而到達選臺目標第45頁在數字調諧(頻率合成)方式中，本振信號則是用鎖相環(huán)方法來產生。即由晶振電路產生頻率高穩(wěn)定標準信號，再用鎖相環(huán)倍頻方法產生本振信號，經過改變鎖相環(huán)反饋回路分頻比方法來改變本振信號頻率，第46頁就象前面試驗中用一片4046和三片4522以及1KHz標準信號就可取得1999KHz信號一樣。要取得某一準確本振頻率，只要在4522置數端置入對應數值（BCD碼）即可。第47頁所以數字調諧關

13、鍵就是處理怎樣置數問題。在這個試驗中我們是用鍵盤經過DTMF編解碼方法來置數。最終應做到：如要接收某一載波信號（如fC=345KHz）,則只要在鍵盤上按該載波數值（即3，4，5三個鍵），就可得到fL=fC+fI=345+455=800 KHz本振信號。（這里中頻fI為455 KHz）。第48頁最終信號發(fā)生器輸出載波信號(345KHz正弦波)和本振信號（40464腳輸出800 KHz方波）經混頻濾波后應得到455 KHz中頻信號（用示波器觀察）。第49頁置數電路方框圖 第50頁鍵盤和5087（或HM9102D）組成DTMF編碼電路。MT8870是DTMF解碼電路。當輸入某個DTMF編碼信號（即按

14、鍵盤某個鍵）時，8870數據輸出端D01-D04就輸出對應二進碼，同時其15腳（CID）輸出高電平。即每按一次鍵，CID就輸出一個正脈沖可作為百、十、個位選擇電路CP信號。第51頁4017為百、十、個位選擇電路，作用是按第一次鍵時，8870D01-D04輸出BCD碼應鎖存到“百”位鎖存器，二、三次則分別為“十”、“個”位。第52頁三片74LS175（或CD40175）分別為“百”、“十”、“個”位鎖存器。每片74LS175含有4個D觸發(fā)器（D1D4），分別對應BCD碼1，2，4，8位。三片D1端應都接到MT 8870D01輸出端，D2、D3、D4也類似。4017“1”、“2”、“3”輸出端（即

15、2、4、7腳）輸出信號分別作為三片74LS175CP信號。這么，當對4017清零后，8870再次序輸出三個數字（如：3，4，5），則對應二進碼（0011，0100，0101）就鎖存在三片74LS175輸出端。第53頁三片74LS175輸出信號（如：3，4，5）輸入到加法器（三片4560）A輸入端，和固定中頻數值455（由B輸入端輸入）相加后和數值（如：8，0，0）就作為4522置數信號。即這時鎖相環(huán)輸出是800KHz方波，作為本振信號。第54頁依據上述工作原理、方框圖以及附錄1，自己設計、搭接詳細電路。要求當信號發(fā)生器輸出123KHz正弦波（即Us）時，如次序按“1”、“2”、“3”三鍵，則用

16、示波器可看到455KHz中頻信號UI，而且要求“上電清零”。第55頁混頻電路（MC1496）（P21） 輸入信號Us幅度為15mV ,本振信號UL為TTL電平。 第56頁混頻電路（MC1496）調試步驟(1)455KHz諧振回路調整Us開路，電位器W旋到任一極端位置，示波器探頭（X10檔）測1496（12）腳，UL為200mVp-p455KHz附近正弦信號，微調UL頻率，觀察LC回路選頻作用，其中心頻率應為455KHz。如不是455KHz,則固定UL頻率為455KHz，調線圈磁芯，使（12）腳輸出信號幅度最大，即可。第57頁混頻電路（MC1496）調試步驟(2)平衡電位器調整在步驟（1）基礎上，調電位器W，使（12）腳輸出信號幅度為零，即可。 第58頁講義訂正P5,圖10 RW 10KP6 , 第3行 , 接試驗圖,4046A6 、7 、11 、 12腳外圍元件應留著,9腳外電位器應去掉.P6 , 第4行 , 工作電壓為12VP6 ,第14行 , 5 UjUiP7 ,第1行 , KH=/=KdKoKF(0)P7 ,第8行 , KH=/=2f / =2(fmax fmin) / =2 (fmax fmin) P9 ,第13行 , 等數等效P9 ,倒第5行, 記數器計數器第59頁P10 ,圖18 ,4 、 8 、 10腳應接地P12 ,第4行 , 如圖34如圖20, 去