1.掌握VCO壓控振蕩器的基本工作原理, 加深對基本鎖相環(huán)工作原理的理解。
2.熟悉鎖相式數(shù)字頻率合成器的電路組成與工作原理。
二、實驗電路工作原理
本單元可做基本鎖相環(huán)和鎖相式數(shù)字頻率合成器兩個實驗。總體框圖如圖8-1,電路原理圖如圖8-2所示。
圖8-1 基本鎖相環(huán)與鎖相式數(shù)字頻率合成器電原理框圖
圖8-2 VCO電路電原理圖
1.4046鎖相環(huán)芯片介紹（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輸入電壓控制的振蕩器。
4046鎖相環(huán)的VCO是一個線性度很高的多諧振蕩器，它能產(chǎn)生很好的對稱方波輸出。電源電壓可工作在3V～18V之間。本電路取+5V電源。它利用由門電路組成的RS觸發(fā)器控制一對開關(guān)管輪番地向定時電容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成正比。與C1的容量成反比，振蕩頻率不僅與定時電容C1、外加控制電壓Ui有關(guān)而且還與電源電壓有關(guān)，與外接電阻R1、R2的比值也有關(guān)。
3.鎖相式數(shù)字頻率合成器工作原理
從圖8-2可見，UB02(MC14522)、UB03(MC14522)為二級可預置分頻器，全部采用可預置BCD碼同步1/N計數(shù)器MC14522，可由4位小型撥動開關(guān)選擇。UB02、UB03分別對應著總頻比N的十位、個位分頻器，UB02、UB03的輸入端一方面SWB02、SWB03分別置入分頻比的十位數(shù)、個位數(shù)以8421 BCD碼形式輸入（但1010～1111數(shù)值還是起作用的，有興趣的同學可用一些與門、非門設(shè)計一個簡單的約束電路，使這些范圍取值一略為0000）。
使用時按所需分頻比N預置好SWB02、SWB03的輸入數(shù)據(jù)，f0 = N•fR，3位程序分頻器MC14522的數(shù)據(jù)輸入端P0～P3分別接有510KΩ的下拉電阻，當SWB02、SWB03沒有對該系統(tǒng)單元數(shù)據(jù)輸入時，即開路狀態(tài)時，此時下拉電阻把數(shù)據(jù)輸入端置“0”電平；當SWB02、SWB03工作時，則有相應的“1”電平輸入到數(shù)據(jù)輸入端，使之置于“1”電平狀態(tài)，以便程序分頻器進行處理。?
在圖8-2電路圖中，當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，該電路就是一個基本鎖相環(huán)電路。
當二級程序分頻器的N值可由外部輸入進行編程控制時，該電路就是一個鎖相式數(shù)字頻率合成器電路。輸入頻率由薄膜鍵盤進行選擇，1KHZ或2KHZ方波信號，則把來自實驗一的時鐘信號發(fā)生器1KHz或2KHZ方波信號輸入到該14引腳。
當鎖相環(huán)鎖定后，可得到： fR＝fV
其中 fV＝f0/N ,
代入得： fR=f0/N
移項得： f0=N•fR
由此可知，當fR固定不變時，改變二級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也得到相應的改變。
這樣，只要輸入一個固定信號頻率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。選擇不同的fR，可以獲得不同fR的頻率間隔。在用實驗一信號發(fā)生器產(chǎn)生的時鐘信號頻率時，其準確頻率為1.024KHz，而不是1KHz。因而經(jīng)過二級程序分頻器與鎖相實驗后，VCO壓控振蕩器的輸出頻率也應當是1.024KHz的N倍數(shù)。
三、實驗內(nèi)容
(一)基本鎖相環(huán)實驗
1.觀察鎖相環(huán)路的同步過程；
2.觀察鎖相環(huán)路的跟蹤過程；
3.觀察鎖相環(huán)路的捕捉過程；
4.測試環(huán)路的同步帶與捕捉帶，并計算它們的帶寬。
(二)鎖相式數(shù)字頻率合成器實驗
1.在程序分頻器的分頻比N＝1、10、100三種情況下：
（1）測量輸入?yún)⒖夹盘柕牟ㄐ危?br /> （2）測量頻率合成器輸出信號的波形。
2.測量并觀察最小分頻比與最大分頻比。
四、實驗步驟及注意事項
（一）基本鎖相環(huán)實驗
1.觀察環(huán)路的同步過程
鎖相環(huán)在鎖定狀態(tài)下，如果輸入信號參考頻率fR保持不變，而VCO的振蕩頻率f0發(fā)生飄移導致fV ≠ fR時，則在環(huán)路的反饋控制作用下，使f0恢復仍然保持fv = fR的狀態(tài)，這種過程叫做同步過程。
實驗方法：將圖8-2電路圖中SWB03設(shè)置為001狀態(tài)，此時分頻比為N＝1。即將程序分頻器的分頻比設(shè)置為1(預置為001狀態(tài))。實驗電路的鎖相環(huán)即成為基本鎖相環(huán)。其
fV ＝ f0/N ＝ f0/1 ＝ f0
2.觀察環(huán)路的跟蹤過程
鎖相環(huán)進入鎖定狀態(tài)后，如果fV(現(xiàn)等于VCO的振蕩頻率f0)不變，輸入?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跟隨著fR的變化而變化，以保持fV=fR的環(huán)路鎖定狀態(tài)。這種過程叫做跟蹤過程。
實驗方法：在上面實驗的基礎(chǔ)上將外加信號源的頻率(參考頻率fR)逐次改變(模擬fR產(chǎn)生的飄移)，每改變一次fR，觀察一次fV的數(shù)值，可以看到，fV跟蹤fR的變化fV=fR的狀態(tài)。
3.觀察環(huán)路的捕捉過程
鎖相環(huán)在初始失鎖狀態(tài)下，通過環(huán)路反饋控制作用，使VCO的振蕩頻率f0調(diào)整fV=fR的鎖定狀態(tài)，這個過程稱為捕捉過程。
實驗方法：電路連接同前項，TPB02處接頻率計，測量fV的數(shù)值，實驗開始時將信號源頻率(fR)遠離VCO的中心振蕩頻率(如令fR高于1.5MHz或遠低于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)，當降低(或升高)到一定數(shù)值，頻率計顯示fV等于fR時即fR捕捉到了fV環(huán)路進入鎖定狀態(tài)。
4.測試環(huán)路的同步帶與捕捉帶
實驗方法：電路連接同前項，令信號源頻率(fR)等于50KHz。這時環(huán)路應處于鎖定狀態(tài)(fV = fR)。?
(1)慢慢增加信號源的頻率，直至環(huán)路失鎖(fV≠fR)。此時信號源的輸出頻率就是同步帶的最高頻率。
(2)慢慢減小信號源的頻率，直至環(huán)路鎖定，此時信號源的輸出頻率就是捕捉帶的最高頻率。
(3)繼續(xù)慢慢減小信號源的頻率，直至環(huán)路失鎖，此時信號源的輸出頻率就是同步帶的最低頻率。
(4)慢慢增加信號源的頻率，直至環(huán)路鎖定，此時信號源的輸出頻率就是捕捉帶的最低頻率。
(二)鎖相式數(shù)字頻率合成器實驗
將SWB03都置于0位，SWB02從置入十進制數(shù)9開始，逐漸減置數(shù)值，當輸出頻率不符合f0=NfR的關(guān)系時，表示fR已不能鎖定VCO的頻率。頻率合成器已不能正常工作。則能滿足f0=N•fR關(guān)系式的最小的分頻比值，即為該合成器的最小分頻比。
同理，增大N的數(shù)值能夠滿足f=N•fR關(guān)系式的最大的分頻比值，即為該合成器的最大分頻比。本合成器分頻比的標準范圍1～99。
五、測量點說明
TPB01：VCO輸入?yún)⒖夹盘�，即相位比較器輸入信號，它由薄膜鍵盤進行選擇：
1KHZ或2KHZ或外加數(shù)字信號（外加信號接S01“外加數(shù)字信號”）。
TPB02：相位比較器輸入信號，通常PD為來自VCO的參考信號。
TPB03：VCO壓控振蕩器的輸出信號。
六、實驗報告要求
畫出電路框圖及電原理圖,根據(jù)實驗內(nèi)容，畫出相應的波形，并作分析。
圖8-3 倍頻N=3時VCO波形示意圖