实验四 锁相环调频与鉴频实验. 锁相环调频 一. 实验要求. 了解和掌握频谱仪的使用方法. 了解调频原理. 了解锁相环集成电路 NE 工作原理及设计方法. 了解和掌握锁相环集成电路 NE 构成调频电路的方法. 了解和掌握利用频谱仪观察调频波的谱线结构 二. 实验原理及说明. 调频原理 用调制信号去控制高频载波的某一参数, 使其按照调制信号的规律变化, 达到调制目的 如果该参数是高频载波的振幅, 即称为调幅, 如果该参数是高频载波的瞬时频率, 则称为调 频 调频波的振幅保持不变, 不受调制信号影响, 而调频波的频率受调制信号控制 已调信 号的频谱结构不再保持原调制信号频谱结构, 即不再是线性关系 该调制方法属于非线性调 制 根据上述描述可得调频波数学表达式如下 : Uc( t) Ucm cos[ ct mf sin t] 上式可以理解为调频波得载波频率将随着调制信号的振幅变化而变化, 式中 mf 为调频系数, 它表示调频波在单一频率 Ω 上受调制的程度 m f KfU m m f F m Kf: 比例常数, 称为调频灵敏度, 它表示单位调制信号电压所引起角频偏的大小 本实验用锁相环集成电路 NE 构成调频电路 NE 中包含一个压控振荡器, 当 NE 输入 端 Umi 输入低频信号后, 在 NE 的输出将会产生调频波, 该调频波是近似于 TTL 电平的方波. 实验电路 号频率 ; 锁相环调频的实验电路见图 -- 其中 调频选择 开关用来选择调频方式 (FM/FSK) 其中 fo 选择 开关用来切換 VO 外接的电容值, 从而改变 VO 回路的振荡频率, 即载波信 载波信号频率计算为 : f ( R ) R 在 NE 的 和 脚之间并联的电容用于选择载波信号频率, 在 NE 的 和 脚之间并联的 频率微调 电位器用于微调载波频率 Umi 插孔用于调频信号输入, Ufmo 检测环用于示波器观察及频率计测量, Ufmo 插座用于频谱仪测量
Umi 调制波输入 调频波测量 Ufmo Ufmo.u R R K R R K 调频选择 FM V FSK R R 9 X RP K.u.u R K.u R K 9 LG FM/RF BF Ph VOT VO D ANout NE P P S ON fo 选择 X 9 频率微调 调频波输出 Ufm 图 -- 锁相环调频实验电路 三. 实验步骤及实验报告 实验系统构成框图见图 -- 图 -- 实验系统构成框图 注 : 实验开始前, 应把本模块的电源开关拨上, 电源指示灯亮 注 : 本实验的高频信号幅度测量值用高频毫伏表测量, 得到的是其有效值 ; 低频信号用示 波器测量, 得到的是其峰峰值. 测量中心频率 fo A 模块的 调频选择 开关拨在中档, 即 Umi 接 A 模块的 状态选择 开关拨向上 ( 运行档 ) 改变 A 模块的 fo 选择 开关位置及调整 频率微调 电位器, 用频率计或示波器测 量其调频输出 Ufmo 检测环, 填入下表. 用示波器观察调频波输出 fo 选择 开关上下 跨接电容 (PF) 中心频率 f (MHz).9~..9~. 低频信号源输出经 号线联接到 A 模块的低频信号输入 Umi 插孔, 低频信号源输出的 频率为 KHz, 输出峰峰值.V 出 A 模块的 fo 选择 开关拨向上, 调频选择 开关拨向左 (FM 档 ) 调整 频率微调 电位器, 使中心频率等于.MHz 左右 调整低频信号源的输出幅度, 用示波器观察调频波输出 Ufmo 检测环, 应有调频波输. 用户可把 A 模块的 fo 选择 开关拨向下, 重复上述实验
. 锁相环鉴频 一. 实验要求. 了解和掌握频谱仪的使用方法. 了解锁相环鉴频的原理. 了解锁相环集成电路 NE 工作原理. 了解和掌握利用 NE 构成鉴频电路的方法 二. 实验原理及说明. 锁相环鉴频原理 本实验用锁相环集成电路 NE 构成鉴频电路 锁相环集成电路 NE 中包含有相位比较器 ( 鉴相器 ) 环路滤波器 ( 电容外接 ) 和压控振荡器等 当 NE 的输入信号的频率发生变化时, 即对中心频率有频偏时, 环路滤波器将输出一个控制电压, 迫使压控振荡器的频率与输入信号同步 当输入信号没有频偏时, 若压控振荡器的频率与外来载波信号频率有差异时, 通过相位比较器输出一个误差电压 这个误差电压的频率较低, 经过低通滤波器滤去所含的高频成份, 再去控制压控振荡器, 使振荡频率趋近于外来载波信号频率, 于是误差越来越小, 直至压控振荡频率和外来信号一样, 压控振荡器的频率被锁定在与外来信号相同的频率上, 环路处于锁定状态 如果输入信号时调频信号, 则该频偏和原来稳定在载波中心频率上的压控振荡器相位相比较, 相位比较器输出一个误差电压, 以使压控振荡器向外来信号的频率靠近 由于压控振荡器始终想要和外来信号的频率锁定, 为达到锁定的条件, 相位比较器和低通滤波器向压控振荡器输出的误差电压必须随外来信号的载波频率偏移的变化而变化 也就是说这个误差控制信号就是一个随调制信号频率而变化的解调信号, 即实现了鉴频 测试输入 Ui. 实验电路 锁相环鉴频实验电路见图 --, 调频波输入 Ufm VOT Ui VOT R9 状态选择.u V R 9 R.u Ufmi R.u.u.u.u R K R K 9 LG FM/RF BF Ph VOT D VO 图 -- 锁定范围 K NE ANout.u P P u.u 锁相环鉴频实验电路.u fo 选择 X X R9 K R u.u V R.9K R K FM 鉴频输出 其中 fo 选择 开关用来切換 VO 外接的电容值, 从而改变 VO 回路的振荡频率 其中 Vcot 检测环用于频率计或示波器测量 VO 回路的振荡频率, Vcot 插座用于频 谱仪测量, Umo XB R.9K V 9 R 9 ma S ON u
其中 Ufm 检测环用于频率计或示波器观察调频输入, Umo 检测环用于观察 FM 鉴频输出 安装在 A 模块中的 测试输入 Ui 插座用于测试本电路捕捉带和同步带时的高频信号源的输入 安装在 A 模块中的 状态选择 开关用来选择 锁相环鉴频实验电路 的工作状态 ( 测试 / 运行 ), 调整 锁定范围 电位器可以改变锁相环集成电路 NE- 脚的输入电流, 从而实现环路的增益控制 三. 实验步骤及实验报告实验系统构成框图见图 --, 框图中 A 模块是锁相环调频电路, 其输出作为 A 模块的调频波输入,A 是锁相环鉴频电路 图 -- 实验系统构成框图 注 : 实验开始前, 应把 A 模块和 A 模块的电源开关都拨上, 电源指示灯都亮 注 : 本实验的高频信号幅度测量值用高频毫伏表测量, 得到的是其有效值 ; 低频信号用示 波器测量, 得到的是其峰峰值. 用频率计或示波器确定锁相环鉴频电路的捕捉带和同步带 A 模块的 状态选择 开关拨向下 ( 测试档 ) A 模块的 fo 选择 开关拨上 A 模块的 锁定范围 电位器旋到最大 ( 顺时钟旋到底 ) 高频信号源 输出 经电缆联接到实验机 A 模块的测试输入 Ui 插座, 调整高频信号源 的输出幅度为最大, 频率约为.MHz 用频率计或示波器测量 A 模块的 VOT 检测环, 其输出频率应与高频信号源的输出频 率相等, 即该锁相环鉴频实验电路已锁定在输入信号上了 然后增加及降低高频信号源的输出频率, 当 VOT 检测环的输出频率不再跟踪输入时, 即该锁相环鉴频实验电路已对输入信号失锁, 其测得的锁定频率范围就是 同步带 ( 约为.9 MHz~.MHz) 可认为本电路的中心频率 f =. MHz, 因此要求调频电路输出的中心频率应为. MHz 注 : 高频信号源的输出频率在捕捉带以外时, 必须是很缓慢增加及降低输出频率 把高频信号源的输出频率调整在同步带以外, 即该锁相环鉴频实验电路已对输入信号失锁, 然后慢慢增加及降低高频信号源的输出频率, 当 VOT 检测环的输出频率跟踪输入时, 即该锁相环鉴频实验电路已锁定, 其测得的频率范围就是 捕捉带 ( 约为.MHz~9.MHz) A 模块的 fo 选择 开关拨下, 锁定范围 电位器旋到中间, 测试到同步带约为
9MHz~9.MHz, 其中心频率 f =. MHz, 捕捉带约为 MHz~.MHz fo 选择 开关上下 VO 外接的电容值 (pf) 同步带 (MHz).9 ~. 9~9. 中心频率 (MHz).. 捕捉带 (MHz).~9. ~.. 用频谱仪确定锁相环鉴频电路的捕捉带和同步带 步骤同上 用频谱仪测量 A 模块的 VOT 插座, 其输出频率应与高频信号源的输出频率相等, 即该锁相环鉴频实验电路已锁定在输入信号上了 步骤同上 注 : 频谱仪测量的设定为中心频率 :9MHz, 输入 :-db, 量程 :db/div, f(span):mhz/div 注 : 由于频谱仪的扫描频率较高, 因此不宜作自动测试捕捉带和同步带 9 A 模块的 fo 选择 开关拨下 : 频谱仪测量的设定为中心频率 :MHz, 输入 :-db, 量程 :db/div, f(span):khz/div. 构建锁相环调频波输入 A 模块的 调频选择 开关拨在中档, 即 Umi 接, 状态选择 开关拨向右 ( 运行档 ) A 模块的 fo 选择 开关拨上, 调整 频率微调 电位器, 用频率计或示波器测量 A 模块的输出 Ufmo 检测环, 使 A 模块 ( 调频电路 ) 输出的中心频率等于上表测试值 低频信号源输出经 号线联接到 A 模块的低频信号输入 Umi 插孔 低频信号源输出的频率为 KHz 输出幅度为.V( 峰峰值 ) A 模块的 调频选择 开关拨向左 (FM 档 ) 用示波器观察 A 模块的输出 Ufmo 检测环, 应有调频波输出. 观察锁相环鉴频输出 A 模块的 fo 选择 开关拨上, 锁定范围 电位器旋到最大 ( 顺时钟旋到底 ) 用示波器观察 A 模块鉴频输出 Umo 检测环, 应与低频信号源的输出频率相同, 无失真 可改变低频信号源的输出幅度, 和微调 A 模块的 频率微调 电位器, 观察 A 模块的鉴频输出 Umo 检测环, 使之不失真, 输出幅度最大 低频信号源的输入幅度应为.V( 峰峰值 ) 低频信号源输出幅度为.V( 峰峰值 ) 时, 改变输出频率, 观察 A 模块的鉴频输出 Umo 检测环,, 确定锁相环鉴频电路的工作范围 低频信号源的输入频率可为 Hz~KHz 如有不对称失真, 可微调 A 模块的 锁定范围 电位器, 或微调 A 模块的 频率微调 电位器, 改变输入的载波频率. 用户可把 A 模块的 fo 选择 开关拨向下, 重复上述实验 此时,A 模块的 锁定范围 电位器应旋到中间,A 模块的 fo 选择 开关拨下, 调整 频率微调 电位器, 使调频电路输出的中心频率 =. MHz 如有不对称失真, 可微调 A 模块的 锁定范围 电位器