实验三模拟锁相环与载波同步实验Word文档下载推荐.docx
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2DPSK-IN
2DPSK信号输入点
MU
平方器输出测试点，VP-P＞1V
COMP
锁相环输入信号测试点
Ud
锁相环压控电压测试点
VCO
锁相环输出信号测试点，VP-P＞0.2V
CAR-OUT
相干载波信号输出点/测试点
图3-1中各单元与图3-2中的主要元器件的对应关系如下：
平方器
U2：
模拟乘法器MC1496
鉴相器
U4:
锁相环HC4046
环路滤波器
压控振荡器
÷
2
U6：
D触发器74HC74
移相器
U8：
单稳态触发器74LS123
滤波器
电感L1；
电容C43
U5:
锁相环CD4046
锁相环由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）及压控振荡器（VCO）组成，如图3-3所示。
图3-3
锁相环方框图
模拟锁相环中，PD是一个模拟乘法器，LF是一个有源或无源低通滤波器。
锁相环路是一个相位负反馈系统，PD检测ui（t）与uo（t）之间的相位误差并进行运算形成误差电压ud（t），LF用来滤除乘法器输出的高频分量（包括和频及其他的高频噪声）形成控制电压uc（t），在uc（t）的作用下、uo（t）的相位向ui（t）的相位靠近。
设ui（t）=Uisin[ωit+θi（t）]，uo（t）=Uocos[ωit+θo（t）]，则ud（t）=Udsinθe（t），θe（t）=θi（t）-θo（t），故模拟锁相环的PD是一个正弦PD。
设uc（t）=ud（t）F（P），F（P）为LF的传输算子，VCO的压控灵敏度为Ko，则环路的数学模型如图3-4所示。
图3-4
模拟环数学模型
当
时，
，令Kd=Ud为PD的线性化鉴相灵敏度、单位为V/rad，则环路线性化数学模型如图3-5所示。
图3-5
环路线性化数学模型
由上述数学模型进行数学分析，可得到以下重要结论：
当uI（t）是固定频率正弦信号（θI（t）为常数）时，在环路的作用下，VCO输出信号频率可以由固有振荡频率ωo（即环路无输入信号、环路对VCO无控制作用时VCO的振荡频率），变化到输入信号频率ωI，此时θo（t）也是一个常数，ud（t）、uc（t）都为直流。
我们称此为环路的锁定状态。
定义Δωo=ωI-ωo为环路固有频差，Δωp表示环路的捕捉带，ΔωH表示环路的同步带，模拟锁相环中Δωp<
ΔωH。
当|Δωo|<
ΔωP时，环路可以进入锁定状态。
ΔωH时环路可以保持锁定状态。
当|Δωo|>
ΔωP时，环路不能进入锁定状态，环路锁定后若Δωo发生变化使|Δωo|>
ΔωH，环路不能保持锁定状态。
这两种情况下，环路都将处于失锁状态。
失锁状态下ud（t）是一个上下不对称的差拍电压，当ωI>
ωo，ud（t）是上宽下窄的差拍电压；
反之ud（t）是一个下宽上窄的差拍电压。
环路对θI（t）呈低通特性，即环路可以将θI（t）中的低频成分传递到输出端，θI（t）中的高频成分被环路滤除。
或者说，θo（t）中只含有θI（t）的低频成分，θI（t）中的高频成分变成了相位误差θe（t）。
所以当uI（t）是调角信号时，环路对uI（t）等效为一个带通滤波器，离ωI较远的频率成分将被环路滤掉。
环路自然谐振频率ωn及阻尼系数ζ（具体公式在下文中给出）是两个重要参数。
ωn越小，环路的低通特性截止频率越小、等效带通滤波器的带宽越窄；
ζ越大，环路稳定性越好。
当环路输入端有噪声时，θI（t）将发生抖动，ωn越小，环路滤除噪声的能力越强。
实验一中的电荷泵锁相环4046的性能与模拟环相似，所以它可以将一个周期不恒定的信号变为一个等周期信号。
有关锁相环理论的详细论述，请读者参阅文献[3]。
对2DPSK信号进行平方处理后得
，
此信号中只含有直流和2ωc频率成分，理论上对此信号再进行隔直流和二分频处理就可得到相干载波。
锁相环似乎是多余的，当然并非如此。
实际工程中考虑到下述问题必须用锁相环：
平方电路不理想，其输出信号幅度随数字基带信号变化，不是一个标准的二倍频正弦信号。
即平方电路输出信号频谱中还有其它频率成分，必须滤除。
接收机收到的2DPSK信号中含有噪声（本实验系统为理想信道，无噪声），因而平方电路输出信号中也含有噪声，必须用一个窄带滤波器滤除噪声。
锁相环对输入电压信号和噪声相当于一个带通滤波器，我们可以选择适当的环路参数使带通滤波器带宽足够小。
Vcc
PH1
16
14
PH2
2
PHo1
3
PHo2
13
R
VCO1
4
9
VCO2
C
6
C
Vss
7
10
11
12
R2
R1
inh
15
Vss
当固有频差为0时，模拟环输出信号的相位超前输入相位90，必须对除2电路输出信号进行移相才能得到相干载波。
移相电路由两个单稳态触发器U56:
A和U56:
B构成。
U56:
A被设置为上升沿触发，U56:
B为下降沿触发，故改变U56:
A输出信号的宽度即可改变U56:
B输出信号的相位，从而改变相干载波的相位。
此移相电路的移相范围小于90。
可对相干载波的相位模糊作如下解释。
在数学上对cos2ωct进行除2运算的结果是cosωct或-cosωct。
实际电路也决定了相干载波可能有两个相反的相位，因二分频器的初始状态可以为“0”也可以是“1”。
在本套实验装置中，鉴相器、环路滤波器、压控振荡器采用数字集成琐相环芯片CD4046，现对此芯片介绍如下：
CD4046是一数字集成锁相环，它包括鉴相器和压控振荡器。
它的组成框图如上图所
示。
该片内有两个鉴相器供选择，一个是异或门鉴相器，一个是鉴频-鉴相器。
四、实验步骤
本实验使用数字信源（EL-TS-M6）、数字调制（EL-TS-M4）、载波同步及模拟锁相环（EL-TS-M4）两个模块。
1.熟悉上述四个单元的工作原理。
2.将信源模块的BS-OUT、NRZ-OUT、CLK分别连接到数字调制模块的BS-IN、NRZ-IN和CLK，再将调制模块的2DPSK连接到载波同步模块的2DPSK-IN。
将模拟锁相环及载波同步单元的KEY波动开关拨到上方，用示波器顺序观察2DPSK，MU,VCO,COMP,Ud,CAR-OUT信号，结合原理图理解从2DPSK信号中提取载波的过程。
3．用示波器观察锁相环的锁定状态、失锁状态。
环路锁定时，环路输入信号频率等于反馈信号频率，即COMP与VCO的频率相等，这时如观察ud为近似锯型波的稳定波形。
环路失锁时环路输入信号频率与反馈信号频率不相等，即此时COMP与VCO的频率不相等，这时如观察ud为不稳定波形。
根据上述特点可判断环路的工作状态，具体实验步骤如下：
1）观察锁定状态与失锁状态
向下拨动开关KEY,接通电源后用示波器观察ud，若ud为稳定波形，则调节载波同步模块上的电位器R128，ud随R128减小而减小，随R128增大而增大，这说明环路处于锁定状态。
用示波器两路探头同时观察COMP和VCO，可以看到两个信号频率相等。
也可以用频率计分别测量COMP和VCO频率。
在锁定状态下，向某一方向变化R128，可使ud由稳定的波形变为不稳定，COMP和VCO频率不再相等，环路由锁定状态变为失锁。
接通电源后ud也可能是不稳定的差拍信号，表示环路已处于失锁状态。
失锁时ud的最大值和最小值就是锁定状态下ud的变化范围（对应于环路的同步范围）。
环路处于失锁状态时，COMP和VCO频率不相等。
调节R128使ud的差拍频率降低，当频率降低到某一程度时ud会突然变成稳定的信号，环路由失锁状态变为锁定状态。
2）测量同步带与捕捉带
将双踪示波器两路探头分别接在COMP（锁相环输入频率fi）和VCO端，调节R128,使环路处于良好的锁定状态，即示波器上两路波形不但清晰稳定，而且要尽可能地保持很小的相位差。
a）同步带测量：
缓慢调节R128使COMP端的频率fi向下，直到刚好出现失锁现象时停止调节R128，记下此时的锁相环输入频率fi１；
缓慢调节R128使COMP端的频率fi向上，使环路重新锁定,直到再次出现失锁现象时停止调节R128，记下此时的信号源输出频率fi２，则环路的同步带为fi１－fi２。
（2）捕捉带测量：
缓慢调节R128，使COMP端的频率fi向下出现失锁现象，向上缓慢调节fi，直到环路刚好入锁，记下此时的信号源输出频率fi３;
然后向上调节fi，使环路重新失锁后，再向下缓慢调节fi直到环路刚好入锁，记下此时的信号源输出频率fi４则环路的捕捉带为fi４－fi３。
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