數(shù)字通信原理實(shí)驗(yàn)箱VCO數(shù)字鎖相環(huán)電路實(shí)驗(yàn)
數(shù)字通信原理實(shí)驗(yàn)箱VCO數(shù)字鎖相環(huán)電路實(shí)驗(yàn)可做基本鎖相環(huán)和鎖相式數(shù)字頻率合成器兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。
一、實(shí)訓(xùn)目的
1.掌控把握VCO壓控振蕩器的基礎(chǔ)作業(yè)原理, 深入對(duì)基礎(chǔ)鎖相環(huán)作業(yè)原理的理解。
2.熟悉鎖相式數(shù)字頻率合成器的電子線路包括與作業(yè)原理。
二、實(shí)訓(xùn)電子線路作業(yè)原理
本單元可做基礎(chǔ)鎖相環(huán)和鎖相式數(shù)字頻率合成器兩個(gè)實(shí)訓(xùn)?？傮w框圖如圖8-1,電子線路原理圖如圖8-2所示。
圖8-1 基礎(chǔ)鎖相環(huán)與鎖相式數(shù)字頻率合成器電原理框圖
圖8-2 VCO電子線路電原理圖
1.4046鎖相環(huán)芯片簡(jiǎn)介（略）
詳見所附光盤4046芯片
2.VCO壓控振蕩器
所謂壓控振蕩器就是振蕩頻率受寫入電壓（V）（V）控制的振蕩器。
4046鎖相環(huán)的VCO是一個(gè)線性度很高的多諧振蕩器，它能產(chǎn)生很好的對(duì)稱方波輸出。電源電壓（V）（V）可作業(yè)在3V～18V之間。本電子線路取+5V電源。它運(yùn)用由門電子線路包括的RS觸發(fā)器控制一對(duì)開關(guān)管輪番地向定時(shí)電容C1 正向充電和反向充電，從而形成自激振蕩，振蕩頻率與充電電流（A）（A）成正比。與C1的容量（KV）（KV）成反比，振蕩頻率不僅與定時(shí)電容C1、外加控制電壓（V）（V）Ui有關(guān)而而而且還與電源電壓（V）（V）有關(guān)，與外接電阻R1、R2的比值也有關(guān)。
3.鎖相式數(shù)字頻率合成器作業(yè)原理
從圖8-2可見，UB02(MC14522)、UB03(MC14522)為二級(jí)可預(yù)置分頻器，全部應(yīng)用可預(yù)置BCD碼同步1/N計(jì)數(shù)器MC14522，可由4位小型撥動(dòng)開關(guān)選用。UB02、UB03分別對(duì)應(yīng)著總頻比N的十位、個(gè)位分頻器，UB02、UB03的寫入端一方面SWB02、SWB03分別置入分頻比的十位數(shù)、個(gè)位數(shù)以8421 BCD碼形式寫入（但1010～1111數(shù)值還是起作用的，有興趣的同學(xué)可用一些與門、非門設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)便的約束電子線路，使這些界限取值一略為0000）。
使用時(shí)按所需分頻比N預(yù)置好SWB02、SWB03的寫入數(shù)值，f0 = N?fR，3位程序分頻器MC14522的數(shù)值寫入端P0～P3分別接有510KΩ的下拉電阻，當(dāng)SWB02、SWB03沒有對(duì)該系統(tǒng)單元數(shù)值寫入時(shí)，即開路狀態(tài)時(shí)，此時(shí)下拉電阻把數(shù)值寫入端置"0"電平；當(dāng)SWB02、SWB03作業(yè)時(shí)，則有相應(yīng)的"1"電平寫入到數(shù)值寫入端，使之存放于"1"電平狀態(tài)，以便程序分頻器實(shí)行處置整理。?
在圖8-2電子線路圖中，當(dāng)程序分頻器的分頻比N置成1，也就是把SWB02均斷開，SWB03置成"0001"狀態(tài)。這時(shí)，該電子線路就是一個(gè)基礎(chǔ)鎖相環(huán)電子線路。
當(dāng)二級(jí)程序分頻器的N值可由外部寫入實(shí)行編程控制時(shí)，該電子線路就是一個(gè)鎖相式數(shù)字頻率合成器電子線路。寫入頻率由薄膜鍵盤實(shí)行選用，1KHZ或2KHZ方波信號(hào)，則把來自實(shí)訓(xùn)一的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器1KHz或2KHZ方波信號(hào)寫入到該14引腳。
當(dāng)鎖相環(huán)鎖定后，可得到： fR＝fV
其中 fV＝f0/N ,
代入得： fR=f0/N
移項(xiàng)得： f0=N?fR
由此可知，當(dāng)fR固定不變時(shí)，改變二級(jí)程序分頻器的分頻比N，VCO的振蕩輸出頻率(也就是頻率合成器的輸出頻率)f0也得到相應(yīng)的改變。
這樣，只要寫入一個(gè)固定信號(hào)頻率fR，即可得到一系列所需要的頻率，其頻率間隔等于fR，這里為1KHz。選用不一樣的fR，可以獲取不一樣fR的頻率間隔。在用實(shí)訓(xùn)一信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)頻率時(shí)，其準(zhǔn)確頻率為1.024KHz，而不是1KHz。因而經(jīng)過二級(jí)程序分頻器與鎖相實(shí)訓(xùn)后，VCO壓控振蕩器的輸出頻率也應(yīng)當(dāng)是1.024KHz的N倍數(shù)。
三、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容
(一)基礎(chǔ)鎖相環(huán)實(shí)訓(xùn)
1.查看鎖相環(huán)路的同步過程；
2.查看鎖相環(huán)路的跟蹤過程；
3.查看鎖相環(huán)路的捕捉過程；
4.測(cè)量試驗(yàn)環(huán)路的同步帶與捕捉帶，并計(jì)算它們的帶寬。
(二)鎖相式數(shù)字頻率合成器實(shí)訓(xùn)
1.在程序分頻器的分頻比N＝1、10、100三種情況下：
（1）測(cè)量寫入?yún)⒖夹盘?hào)的波動(dòng)線；
（2）測(cè)量頻率合成器輸出信號(hào)的波動(dòng)線。
2.測(cè)量并查看小分頻比與大分頻比。
四、實(shí)訓(xùn)步驟及注意事項(xiàng)
（一）基礎(chǔ)鎖相環(huán)實(shí)訓(xùn)
1.查看環(huán)路的同步過程
鎖相環(huán)在鎖定狀態(tài)下，如果寫入信號(hào)參考頻率fR保持不變，而VCO的振蕩頻率f0發(fā)生飄移導(dǎo)致fV ≠ fR時(shí)，則在環(huán)路的反饋控制作用下，使f0恢復(fù)仍然保持fv = fR的狀態(tài)，這種過程叫做同步過程。
實(shí)訓(xùn)方法：將圖8-2電子線路圖中SWB03設(shè)定為001狀態(tài)，此時(shí)分頻比為N＝1。即將程序分頻器的分頻比設(shè)定為1(預(yù)置為001狀態(tài))。實(shí)訓(xùn)電子線路的鎖相環(huán)即成為基礎(chǔ)鎖相環(huán)。其
fV ＝ f0/N ＝ f0/1 ＝ f0
2.查看環(huán)路的跟蹤過程
鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài)后，如果fV(現(xiàn)等于VCO的振蕩頻率f0)不變，寫入?yún)⒖碱l率發(fā)生飄移，則在環(huán)路的反饋控制作用下，使f0跟--fR的改變而改變，以保持fV=fR的環(huán)路鎖定狀態(tài)。這種過程叫做跟蹤過程。
實(shí)訓(xùn)方法：在上面實(shí)訓(xùn)的基礎(chǔ)上將外加信號(hào)源的頻率(參考頻率fR)逐次改變(模仿fR產(chǎn)生的飄移)，每改變一次fR，查看一次fV的數(shù)值，可以看到，fV跟蹤fR的改變fV=fR的狀態(tài)。
3.查看環(huán)路的捕捉過程
鎖相環(huán)在初始失鎖狀態(tài)下，經(jīng)過環(huán)路反饋控制作用，使VCO的振蕩頻率f0調(diào)動(dòng)fV=fR的鎖定狀態(tài)，這個(gè)過程稱為捕捉過程。
實(shí)訓(xùn)方法：電子線路連接同前項(xiàng)，TPB02處接頻率計(jì)，測(cè)量fV的數(shù)值，實(shí)訓(xùn)開始時(shí)將信號(hào)源頻率(fR)遠(yuǎn)離VCO的中心振蕩頻率(如令fR高于1.5MHz或遠(yuǎn)低于1KH)使環(huán)路處于失鎖狀
態(tài)，即fV≠fR，然后將fR從高端緩慢地降低(或從低端緩慢地升高)，當(dāng)降低(或升高)到一定數(shù)值，頻率計(jì)顯露fV等于fR時(shí)即fR捕捉到了fV環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。
4.測(cè)量試驗(yàn)環(huán)路的同步帶與捕捉帶
實(shí)訓(xùn)方法：電子線路連接同前項(xiàng)，令信號(hào)源頻率(fR)等于50KHz。這時(shí)環(huán)路應(yīng)處于鎖定狀態(tài)(fV = fR)。?
(1)慢慢多加信號(hào)源的頻率，直至環(huán)路失鎖(fV≠fR)。此時(shí)信號(hào)源的輸出頻率就是同步帶的高頻率。
(2)慢慢減小信號(hào)源的頻率，直至環(huán)路鎖定，此時(shí)信號(hào)源的輸出頻率就是捕捉帶的高頻率。
(3)繼續(xù)慢慢減小信號(hào)源的頻率，直至環(huán)路失鎖，此時(shí)信號(hào)源的輸出頻率就是同步帶的低頻率。
(4)慢慢多加信號(hào)源的頻率，直至環(huán)路鎖定，此時(shí)信號(hào)源的輸出頻率就是捕捉帶的低頻率。
(二)鎖相式數(shù)字頻率合成器實(shí)訓(xùn)
將SWB03全部存放于0位，SWB02從置入十進(jìn)制數(shù)9開始，逐漸減置數(shù)值，當(dāng)輸出頻率不符合f0=NfR的關(guān)系時(shí)，表示fR已不能鎖定VCO的頻率。頻率合成器已不能正常作業(yè)。則能適用f0=N?fR關(guān)系式的小的分頻比值，即為該合成器的小分頻比。
同理，增大N的數(shù)值能夠適用f=N?fR關(guān)系式的大的分頻比值，即為該合成器的大分頻比。本合成器分頻比的標(biāo)準(zhǔn)界限1～99。
五、測(cè)量點(diǎn)說明
TPB01：VCO寫入?yún)⒖夹盘?hào)，即相位對(duì)比器寫入信號(hào)，它由薄膜鍵盤實(shí)行選用：
1KHZ或2KHZ或外加數(shù)字信號(hào)（外加信號(hào)接S01"外加數(shù)字信號(hào)"）。
TPB02：相位對(duì)比器寫入信號(hào)，通常PD為來自VCO的參考信號(hào)。
TPB03：VCO壓控振蕩器的輸出信號(hào)。
六、實(shí)訓(xùn)報(bào)告要求
畫出電子線路框圖及電原理圖,按照實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，畫出相應(yīng)的波動(dòng)線，并作解析。
圖8-3 倍頻N=3時(shí)VCO波動(dòng)線示意圖
1.掌控把握VCO壓控振蕩器的基礎(chǔ)作業(yè)原理, 深入對(duì)基礎(chǔ)鎖相環(huán)作業(yè)原理的理解。
2.熟悉鎖相式數(shù)字頻率合成器的電子線路包括與作業(yè)原理。
二、實(shí)訓(xùn)電子線路作業(yè)原理
本單元可做基礎(chǔ)鎖相環(huán)和鎖相式數(shù)字頻率合成器兩個(gè)實(shí)訓(xùn)?？傮w框圖如圖8-1,電子線路原理圖如圖8-2所示。
圖8-1 基礎(chǔ)鎖相環(huán)與鎖相式數(shù)字頻率合成器電原理框圖
圖8-2 VCO電子線路電原理圖
1.4046鎖相環(huán)芯片簡(jiǎn)介（略）
詳見所附光盤4046芯片
2.VCO壓控振蕩器
所謂壓控振蕩器就是振蕩頻率受寫入電壓（V）（V）控制的振蕩器。
4046鎖相環(huán)的VCO是一個(gè)線性度很高的多諧振蕩器，它能產(chǎn)生很好的對(duì)稱方波輸出。電源電壓（V）（V）可作業(yè)在3V～18V之間。本電子線路取+5V電源。它運(yùn)用由門電子線路包括的RS觸發(fā)器控制一對(duì)開關(guān)管輪番地向定時(shí)電容C1 正向充電和反向充電，從而形成自激振蕩，振蕩頻率與充電電流（A）（A）成正比。與C1的容量（KV）（KV）成反比，振蕩頻率不僅與定時(shí)電容C1、外加控制電壓（V）（V）Ui有關(guān)而而而且還與電源電壓（V）（V）有關(guān)，與外接電阻R1、R2的比值也有關(guān)。
3.鎖相式數(shù)字頻率合成器作業(yè)原理
從圖8-2可見，UB02(MC14522)、UB03(MC14522)為二級(jí)可預(yù)置分頻器，全部應(yīng)用可預(yù)置BCD碼同步1/N計(jì)數(shù)器MC14522，可由4位小型撥動(dòng)開關(guān)選用。UB02、UB03分別對(duì)應(yīng)著總頻比N的十位、個(gè)位分頻器，UB02、UB03的寫入端一方面SWB02、SWB03分別置入分頻比的十位數(shù)、個(gè)位數(shù)以8421 BCD碼形式寫入（但1010～1111數(shù)值還是起作用的，有興趣的同學(xué)可用一些與門、非門設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)便的約束電子線路，使這些界限取值一略為0000）。
使用時(shí)按所需分頻比N預(yù)置好SWB02、SWB03的寫入數(shù)值，f0 = N?fR，3位程序分頻器MC14522的數(shù)值寫入端P0～P3分別接有510KΩ的下拉電阻，當(dāng)SWB02、SWB03沒有對(duì)該系統(tǒng)單元數(shù)值寫入時(shí)，即開路狀態(tài)時(shí)，此時(shí)下拉電阻把數(shù)值寫入端置"0"電平；當(dāng)SWB02、SWB03作業(yè)時(shí)，則有相應(yīng)的"1"電平寫入到數(shù)值寫入端，使之存放于"1"電平狀態(tài)，以便程序分頻器實(shí)行處置整理。?
在圖8-2電子線路圖中，當(dāng)程序分頻器的分頻比N置成1，也就是把SWB02均斷開，SWB03置成"0001"狀態(tài)。這時(shí)，該電子線路就是一個(gè)基礎(chǔ)鎖相環(huán)電子線路。
當(dāng)二級(jí)程序分頻器的N值可由外部寫入實(shí)行編程控制時(shí)，該電子線路就是一個(gè)鎖相式數(shù)字頻率合成器電子線路。寫入頻率由薄膜鍵盤實(shí)行選用，1KHZ或2KHZ方波信號(hào)，則把來自實(shí)訓(xùn)一的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器1KHz或2KHZ方波信號(hào)寫入到該14引腳。
當(dāng)鎖相環(huán)鎖定后，可得到： fR＝fV
其中 fV＝f0/N ,
代入得： fR=f0/N
移項(xiàng)得： f0=N?fR
由此可知，當(dāng)fR固定不變時(shí)，改變二級(jí)程序分頻器的分頻比N，VCO的振蕩輸出頻率(也就是頻率合成器的輸出頻率)f0也得到相應(yīng)的改變。
這樣，只要寫入一個(gè)固定信號(hào)頻率fR，即可得到一系列所需要的頻率，其頻率間隔等于fR，這里為1KHz。選用不一樣的fR，可以獲取不一樣fR的頻率間隔。在用實(shí)訓(xùn)一信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)頻率時(shí)，其準(zhǔn)確頻率為1.024KHz，而不是1KHz。因而經(jīng)過二級(jí)程序分頻器與鎖相實(shí)訓(xùn)后，VCO壓控振蕩器的輸出頻率也應(yīng)當(dāng)是1.024KHz的N倍數(shù)。
三、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容
(一)基礎(chǔ)鎖相環(huán)實(shí)訓(xùn)
1.查看鎖相環(huán)路的同步過程；
2.查看鎖相環(huán)路的跟蹤過程；
3.查看鎖相環(huán)路的捕捉過程；
4.測(cè)量試驗(yàn)環(huán)路的同步帶與捕捉帶，并計(jì)算它們的帶寬。
(二)鎖相式數(shù)字頻率合成器實(shí)訓(xùn)
1.在程序分頻器的分頻比N＝1、10、100三種情況下：
（1）測(cè)量寫入?yún)⒖夹盘?hào)的波動(dòng)線；
（2）測(cè)量頻率合成器輸出信號(hào)的波動(dòng)線。
2.測(cè)量并查看小分頻比與大分頻比。
四、實(shí)訓(xùn)步驟及注意事項(xiàng)
（一）基礎(chǔ)鎖相環(huán)實(shí)訓(xùn)
1.查看環(huán)路的同步過程
鎖相環(huán)在鎖定狀態(tài)下，如果寫入信號(hào)參考頻率fR保持不變，而VCO的振蕩頻率f0發(fā)生飄移導(dǎo)致fV ≠ fR時(shí)，則在環(huán)路的反饋控制作用下，使f0恢復(fù)仍然保持fv = fR的狀態(tài)，這種過程叫做同步過程。
實(shí)訓(xùn)方法：將圖8-2電子線路圖中SWB03設(shè)定為001狀態(tài)，此時(shí)分頻比為N＝1。即將程序分頻器的分頻比設(shè)定為1(預(yù)置為001狀態(tài))。實(shí)訓(xùn)電子線路的鎖相環(huán)即成為基礎(chǔ)鎖相環(huán)。其
fV ＝ f0/N ＝ f0/1 ＝ f0
2.查看環(huán)路的跟蹤過程
鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài)后，如果fV(現(xiàn)等于VCO的振蕩頻率f0)不變，寫入?yún)⒖碱l率發(fā)生飄移，則在環(huán)路的反饋控制作用下，使f0跟--fR的改變而改變，以保持fV=fR的環(huán)路鎖定狀態(tài)。這種過程叫做跟蹤過程。
實(shí)訓(xùn)方法：在上面實(shí)訓(xùn)的基礎(chǔ)上將外加信號(hào)源的頻率(參考頻率fR)逐次改變(模仿fR產(chǎn)生的飄移)，每改變一次fR，查看一次fV的數(shù)值，可以看到，fV跟蹤fR的改變fV=fR的狀態(tài)。
3.查看環(huán)路的捕捉過程
鎖相環(huán)在初始失鎖狀態(tài)下，經(jīng)過環(huán)路反饋控制作用，使VCO的振蕩頻率f0調(diào)動(dòng)fV=fR的鎖定狀態(tài)，這個(gè)過程稱為捕捉過程。
實(shí)訓(xùn)方法：電子線路連接同前項(xiàng)，TPB02處接頻率計(jì)，測(cè)量fV的數(shù)值，實(shí)訓(xùn)開始時(shí)將信號(hào)源頻率(fR)遠(yuǎn)離VCO的中心振蕩頻率(如令fR高于1.5MHz或遠(yuǎn)低于1KH)使環(huán)路處于失鎖狀
態(tài)，即fV≠fR，然后將fR從高端緩慢地降低(或從低端緩慢地升高)，當(dāng)降低(或升高)到一定數(shù)值，頻率計(jì)顯露fV等于fR時(shí)即fR捕捉到了fV環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。
4.測(cè)量試驗(yàn)環(huán)路的同步帶與捕捉帶
實(shí)訓(xùn)方法：電子線路連接同前項(xiàng)，令信號(hào)源頻率(fR)等于50KHz。這時(shí)環(huán)路應(yīng)處于鎖定狀態(tài)(fV = fR)。?
(1)慢慢多加信號(hào)源的頻率，直至環(huán)路失鎖(fV≠fR)。此時(shí)信號(hào)源的輸出頻率就是同步帶的高頻率。
(2)慢慢減小信號(hào)源的頻率，直至環(huán)路鎖定，此時(shí)信號(hào)源的輸出頻率就是捕捉帶的高頻率。
(3)繼續(xù)慢慢減小信號(hào)源的頻率，直至環(huán)路失鎖，此時(shí)信號(hào)源的輸出頻率就是同步帶的低頻率。
(4)慢慢多加信號(hào)源的頻率，直至環(huán)路鎖定，此時(shí)信號(hào)源的輸出頻率就是捕捉帶的低頻率。
(二)鎖相式數(shù)字頻率合成器實(shí)訓(xùn)
將SWB03全部存放于0位，SWB02從置入十進(jìn)制數(shù)9開始，逐漸減置數(shù)值，當(dāng)輸出頻率不符合f0=NfR的關(guān)系時(shí)，表示fR已不能鎖定VCO的頻率。頻率合成器已不能正常作業(yè)。則能適用f0=N?fR關(guān)系式的小的分頻比值，即為該合成器的小分頻比。
同理，增大N的數(shù)值能夠適用f=N?fR關(guān)系式的大的分頻比值，即為該合成器的大分頻比。本合成器分頻比的標(biāo)準(zhǔn)界限1～99。
五、測(cè)量點(diǎn)說明
TPB01：VCO寫入?yún)⒖夹盘?hào)，即相位對(duì)比器寫入信號(hào)，它由薄膜鍵盤實(shí)行選用：
1KHZ或2KHZ或外加數(shù)字信號(hào)（外加信號(hào)接S01"外加數(shù)字信號(hào)"）。
TPB02：相位對(duì)比器寫入信號(hào)，通常PD為來自VCO的參考信號(hào)。
TPB03：VCO壓控振蕩器的輸出信號(hào)。
六、實(shí)訓(xùn)報(bào)告要求
畫出電子線路框圖及電原理圖,按照實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，畫出相應(yīng)的波動(dòng)線，并作解析。
圖8-3 倍頻N=3時(shí)VCO波動(dòng)線示意圖
