锁相环PLL电子教案省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

锁相环锁相环PLL原理与应用原理与应用第一部分：锁相环基本原理第一部分：锁相环基本原理 一、锁相环基本组成一、锁相环基本组成 二、鉴相器（二、鉴相器（PD）三、压控振荡器（三、压控振荡器（VCO）四、环路滤波器（四、环路滤波器（LPF）五、固有频率五、固有频率n和阻尼系数和阻尼系数 物物 理意义理意义 六、同时带和捕捉带六、同时带和捕捉带第1页第二部分：锁相环试验第二部分：锁相环试验试验一、试验一、PLL参数测试参数测试一、压控灵敏度一、压控灵敏度KO测量测量二、鉴相灵敏度二、鉴相灵敏度Kd测量测量三、环路开环增益（三、环路开环增益（KH）测量）测量四、同时带和捕捉带测量四、同时带和捕捉带测量五、五、n、测量测量第2页试验二、试验二、PLL应用试验应用试验一、PLL频率合成器试验频率合成器试验二、二、PLL调频（调频（FM）解调）解调三、锁相式双音多频信号三、锁相式双音多频信号（DTMF）解码器）解码器四、四、PLL 数字调谐试验数字调谐试验五、设计五、设计5/6分频器分频器 第3页实验目经过上述试验，使大家对由经过上述试验，使大家对由模拟电路、数字电路组成硬模拟电路、数字电路组成硬件系统设计、电路搭接、故件系统设计、电路搭接、故障分析判断、故障排除得到障分析判断、故障排除得到一次锻炼。一次锻炼。第4页第一部分：锁相环基本原理（第一部分：锁相环基本原理（P1）一、锁相环基本组成一、锁相环基本组成一个经典锁相环（一个经典锁相环（PLL）系统，是由鉴相器）系统，是由鉴相器（PD），压控荡器（），压控荡器（VCO）和低通滤波器）和低通滤波器（LPF）三个基本电路组成）三个基本电路组成 Ud=Kd(io)UF=Ud F（s）第5页二鉴相器（二鉴相器（PD）Ud=Kd*Kd 为鉴相灵敏度为鉴相灵敏度 三压控振荡器（三压控振荡器（VCO）（P2）o（t）=om+K0 UF（t）K0VCO控制特征曲线斜率，常称控制特征曲线斜率，常称为为VCO控制灵敏度，或称压控灵敏度。控制灵敏度，或称压控灵敏度。第6页四、环路滤波器，这里仅讨论四、环路滤波器，这里仅讨论无源百分比积分滤波器无源百分比积分滤波器其传递函数为：其传递函数为：式中：1=R1 C 2=R2 C 第7页当锁相环处于锁定状态时，当锁相环处于锁定状态时，鉴相器鉴相器（PD）两输入端一定是两个频率完）两输入端一定是两个频率完全一样但有一定相位差信号全一样但有一定相位差信号。假如它。假如它们频率不一样，则在压控振荡器们频率不一样，则在压控振荡器（VCO）输入端一定会产生一个控）输入端一定会产生一个控制信号使压控振荡器振荡频率发生改制信号使压控振荡器振荡频率发生改变，最终使鉴相器（变，最终使鉴相器（PD）两输入信）两输入信号（一个是锁相环输入信号号（一个是锁相环输入信号Vi,一个一个是压控振荡器输出信号是压控振荡器输出信号Vo）频率完）频率完全一样，则环路系统处于稳定状态。全一样，则环路系统处于稳定状态。第8页五、系统固有频率五、系统固有频率n和阻尼系数和阻尼系数 物理意义物理意义 （P3）一个串联电路，当输入端加一一个串联电路，当输入端加一个阶跃电压时，输出端电压改变有三个阶跃电压时，输出端电压改变有三种可能种可能第9页当锁相环输入信号相位有一个阶跃当锁相环输入信号相位有一个阶跃跳变时，输出信号相位改变也有三跳变时，输出信号相位改变也有三种情况种情况第10页n、就是指欠阻尼振荡时振就是指欠阻尼振荡时振荡频率和和阻尼系数荡频率和和阻尼系数第11页六、锁相环同时和捕捉六、锁相环同时和捕捉同时状态：锁相环输出频率（或同时状态：锁相环输出频率（或VCO频率）频率）o能跟踪输入频率能跟踪输入频率i工作状态，称为同时状态（或锁定工作状态，称为同时状态（或锁定状态），在同时状态下，一直有状态），在同时状态下，一直有o=i。这时假如用示波器观察。这时假如用示波器观察Vi与与Vo,即使单路触发，两个波形都即使单路触发，两个波形都是清楚稳定。是清楚稳定。第12页同时带同时带：在锁相环境保护持同：在锁相环境保护持同时条件下，输入频率时条件下，输入频率i最大改最大改变范围，称为同时带宽，用变范围，称为同时带宽，用 H 表示。超出此范围，环路表示。超出此范围，环路则失锁。则失锁。第13页捕捉带捕捉带失锁时，失锁时，o i，假如从两个方向，假如从两个方向设法改变设法改变i，使，使i向向o靠拢，进靠拢，进而使而使 o=（io），当，当 o小到某一数值时，环路则从失锁进小到某一数值时，环路则从失锁进入锁定状态。这个使入锁定状态。这个使PLL经过频率经过频率牵引最终造成入锁频率范围称为捕牵引最终造成入锁频率范围称为捕捉带捉带 p。第14页同时带同时带 H，捕捉带，捕捉带 p 和和VCO 中中心频率心频率o 关系关系 第15页试验原理及步骤试验原理及步骤 P（4）CD4046原理图原理图 第16页试验一、试验一、PLL参数测试（参数测试（P5）一、压控灵敏度一、压控灵敏度KO测量测量第17页二、鉴相灵敏度二、鉴相灵敏度Kd测量。测量。第18页三、环路开环增益（三、环路开环增益（KH）测量）测量当鉴相器比较两同相信号时，当鉴相器比较两同相信号时，UF=0，VC0振荡于振荡于fmin;当鉴相器比较两反相信号时，当鉴相器比较两反相信号时，UF=VDD，VCO振荡于振荡于fmax 在理想情况下在理想情况下 KH =2(fmax-fmin)第19页同时带测量同时带测量调信号源（图调信号源（图11）频率约为）频率约为中心频率。示波器分别测中心频率。示波器分别测Ui和和Uo，并以并以Ui作为示波器触发同时信号，频作为示波器触发同时信号，频率计测率计测Ui，这时示波器可显示两个稳，这时示波器可显示两个稳定波形，即定波形，即Ui和和Uo是锁定。在一定范是锁定。在一定范围内迟缓改变信号源频率，可看到两围内迟缓改变信号源频率，可看到两个波形频率同时改变，且都保持稳定个波形频率同时改变，且都保持稳定清楚，这就是跟踪。清楚，这就是跟踪。第20页但当信号源频率远大于（高端）或远小于但当信号源频率远大于（高端）或远小于（低端）中心频率时，（低端）中心频率时，Ui波形波形还保持稳定清楚，但还保持稳定清楚，但Uo不能保持稳定清楚，不能保持稳定清楚，这就是失锁。记下刚出现失锁时这就是失锁。记下刚出现失锁时Ui频率即频率即高端频率高端频率fHH和低端频率和低端频率fHL，则同时带，则同时带fHfHHfHL。因为我们用是。因为我们用是PD1，是异，是异或门相鉴器，当或门相鉴器，当Ui和和Uo为分数倍数关系时，为分数倍数关系时，也可能出现两个稳定波形，这种情况应认也可能出现两个稳定波形，这种情况应认为是为是“失锁失锁”。只有出现两个同频稳定波。只有出现两个同频稳定波形时才认为是形时才认为是“锁定锁定 第21页捕捉带测量捕捉带测量 环路失锁后，迟缓改变信号源频率，环路失锁后，迟缓改变信号源频率，从高端或低端向中心频从高端或低端向中心频率靠近，当信号源频率分别为率靠近，当信号源频率分别为fH和和fL时，环路又锁定。则环路捕时，环路又锁定。则环路捕捉带捉带fPfPHfPL。第22页n、测量测量 P（8）当信号源频率突然改变时当信号源频率突然改变时（即对应（即对应Uj方波前后沿），方波前后沿），UF都产生一次阻尼振荡。都产生一次阻尼振荡。从阻尼振荡波形可测出从阻尼振荡波形可测出A1、A2、T，并由，并由 A1、A2、T求出求出PLLn 和和第23页n、实际测量波形实际测量波形第24页试验二、试验二、PLL应用试验应用试验P（9）当当PLL处于锁定状处于锁定状态时，态时，PD两个输入两个输入信号频率一定准确信号频率一定准确相等相等,所以可得：所以可得：f0=N*fifi为晶振标准信号为晶振标准信号 经过改变分频比经过改变分频比N，便可取得一样精，便可取得一样精度不一样频率信号度不一样频率信号输出输出 一、PLL频率合成器试验频率合成器试验 第25页1）1KHZ标准信号源标准信号源用用CMOS与非门和与非门和4M晶体组成晶体组成 4MHz振振荡器。图中荡器。图中Rf 使使F1工作于线性放大工作于线性放大区。晶体等效电感，区。晶体等效电感，C1、C2组成谐振组成谐振回路。回路。C1、C2可可利用器件分布电容利用器件分布电容不另接。不另接。F1、F2、F3使用使用CD4069。第26页测量测量 CD4518时序图时序图依据讲义后面依据讲义后面CD4518管脚图管脚图,测量并画出测量并画出Q1，Q2、Q3、Q4及及 CP之间相位关系图之间相位关系图(时序图时序图)(BCD码计数器码计数器)第27页4000分频器制作分频器制作依据上面测出依据上面测出4518波形图，用二波形图，用二片片CD4518（共（共4个计数器）组成个计数器）组成一个一个4000分频器，也就是一个四分频器，也就是一个四分频器，三个十分频器分频器，三个十分频器。第28页2）用一片）用一片CD4017作分频器组成作分频器组成2-9KHZ频率合成器频率合成器（P10）4017（十进制计数分配器）功效测试（十进制计数分配器）功效测试 第29页29KHZ频率合成器频率合成器 第30页3）拨盘开关式）拨盘开关式1999KHZ频率合成器频率合成器 （P10）单片单片4522分频器分频器 第31页用三片用三片4522组成组成1999HHZ频率频率合成器合成器 （P11）第32页4）健盘置数式）健盘置数式1999KHZ频率合成频率合成器器 （P12）就是用数字健盘以及一些数字就是用数字健盘以及一些数字IC替换拨盘替换拨盘开关组成开关组成1999KHZ频率合成器。最终频率合成器。最终应做到：当次序按键盘任意三个健（如应做到：当次序按键盘任意三个健（如5.9.2）时，则输出信号频率就为）时，则输出信号频率就为592KHz。置数部分框图如图置数部分框图如图 第33页号码脉冲发生器号码脉冲发生器 依据依据HM9102D资料，请用资料，请用HM9102D自己自己设计一个号码脉冲发生器，要求：设计一个号码脉冲发生器，要求：1)VDD=5V；2)断续比为断续比为1.5：13)号码脉冲输出幅度为号码脉冲输出幅度为0到到9V（注意：（注意：DP输出端是输出端是OC电路，上拉电阻取电路，上拉电阻取100K。另外，。另外，为安全起见，输出和负载之间应串一个为安全起见，输出和负载之间应串一个10K电阻电阻)第34页开门脉冲和记数脉冲发生器开门脉冲和记数脉冲发生器 为了使后面控制引导电路能正常工作，还为了使后面控制引导电路能正常工作，还需一个开门脉冲。也就是每按一次键，即需一个开门脉冲。也就是每按一次键，即每输出一列脉冲（不论这一列含有几个号每输出一列脉冲（不论这一列含有几个号码脉冲）就要产生一个开门脉冲。同时为码脉冲）就要产生一个开门脉冲。同时为了使后面记数电路能正确记数，还应确保了使后面记数电路能正确记数，还应确保“先开门后送计数脉冲先开门后送计数脉冲”。也就是要求开。也就是要求开门脉冲要比送到计数器号码脉冲超前一点。门脉冲要比送到计数器号码脉冲超前一点。所以开门脉冲和号码脉冲时间关系应如图所以开门脉冲和号码脉冲时间关系应如图 第35页开门脉冲和号码脉冲开门脉冲和号码脉冲 HM9102D输出，作单稳CP 单稳2输出，开门脉冲 单稳1输出，号码脉冲第36页控制引导电路及计数、置数电路控制引导电路及计数、置数电路 第37页PLL调频（调频（FM）解调）解调（P15）第38页锁相式双音多频信号（锁相式双音多频信号（DTMF）解码器）解码器双音多频信号（双音多频信号（DTMF）P（16）低频群低频群L（Hz）高频群高频群H(Hz)120913361477697123770456852789941*0#每个按纽各由每个按纽各由H和和L中一个频率组成中一个频率组成 第39页锁相式双音多频信号（锁相式双音多频信号（DTMF）解码）解码器器 用用5087组成双音多频信号（组成双音多频信号（DTMF）发生）发生器器（P17）第40页用用LM567进行单一频率检测电路进行单一频率检测电路（P18）如如567中心频率中心频率(由由5,6脚外围脚外围R,C决定决定)为为fo,当当Vin中包含有中包含有fo成份时，则成份时，则8脚输出低电脚输出低电平，不然高电平平，不然高电平。第41页1组组DTMF信号解码器（信号解码器（P18）当输入信号同时包含两个频率当输入信号同时包含两个频率(697,1209)时，时，可输出或逻辑可输出或逻辑“0”。第42页6组组DTMF信号信号解码器（解码器（P19）（如用（如用7个个LM567和和12个或非门则个或非门则可解调可解调12组组DTMF信号。）信号。）第43页PLL 数字调谐试验（数字调谐试验（P20）当代接收机（如电视机、收音当代接收机（如电视机、收音机）大多采取超外差接收方式。机）大多采取超外差接收方式。如要接收信号载波频率为如要接收信号载波频率为fC，则接收机要产生一个本振信号，则接收机要产生一个本振信号，其频率其频率fL=fC+fI，其中，其中fI为中频。为中频。第44页在模拟调谐方式中，本振信在模拟调谐方式中，本振信号普通是由号普通是由LC振荡回路产生。振荡回路产生。调谐（调台）时，普通是用调谐（调台）时，普通是用改变改变LC振荡回路中电容容量振荡回路中电容容量（如改变变容二极管反向偏（如改变变容二极管反向偏压），来改变本振信号频率，压），来改变本振信号频率，从而到达选台目标从而到达选台目标第45页在数字调谐在数字调谐(频率合成频率合成)方式中，方式中，本振信号则是用锁相环方法来本振信号则是用锁相环方法来产生。即由晶振电路产生频率产生。即由晶振电路产生频率高稳定标准信号，再用锁相环高稳定标准信号，再用锁相环倍频方法产生本振信号，经过倍频方法产生本振信号，经过改变锁相环反馈回路分频比方改变锁相环反馈回路分频比方法来改变本振信号频率法来改变本振信号频率，第46页就象前面试验中用一片就象前面试验中用一片4046和三片和三片4522以及以及1KHz标准标准信号就可取得信号就可取得1999KHz信信号一样。要取得某一准确本号一样。要取得某一准确本振频率，只要在振频率，只要在4522置数端置数端置入对应数值（置入对应数值（BCD码）即码）即可。可。第47页所以数字调谐关键就是处理怎样置所以数字调谐关键就是处理怎样置数问题。在这个试验中我们是用键数问题。在这个试验中我们是用键盘经过盘经过DTMF编解码方法来置数。编解码方法来置数。最终应做到：如要接收某一载波信最终应做到：如要接收某一载波信号（如号（如fC=345KHz）,则只要在键则只要在键盘上按该载波数值（即盘上按该载波数值（即3，4，5三三个键），就可得到个键），就可得到fL=fC+fI=345+455=800 KHz本振本振信号。（这里中频信号。（这里中频fI为为455 KHz）。）。第48页最终信号发生器输出载波信最终信号发生器输出载波信号号(345KHz正弦波正弦波)和本振信和本振信号（号（40464脚输出脚输出800 KHz方波）经混频滤波后应得到方波）经混频滤波后应得到455 KHz中频信号（用示波中频信号（用示波器观察）。器观察）。第49页置数电路方框图置数电路方框图 第50页键盘和键盘和5087（或（或HM9102D）组成）组成DTMF编码电路。编码电路。MT8870是是DTMF解码电路。当输解码电路。当输入某个入某个DTMF编码信号（即按键盘编码信号（即按键盘某个键）时，某个键）时，8870数据输出端数据输出端D01-D04就输出对应二进码，同时就输出对应二进码，同时其其15脚（脚（CID）输出高电平。即每）输出高电平。即每按一次键，按一次键，CID就输出一个正脉冲就输出一个正脉冲可作为百、十、个位选择电路可作为百、十、个位选择电路CP信号。信号。第51页4017为百、十、个位选择电为百、十、个位选择电路，作用是按第一次键时，路，作用是按第一次键时，8870D01-D04输出输出BCD码应码应锁存到锁存到“百百”位锁存器，二、位锁存器，二、三次则分别为三次则分别为“十十”、“个个”位。位。第52页三片三片74LS175（或（或CD40175）分别为）分别为“百百”、“十十”、“个个”位锁存器。每片位锁存器。每片74LS175含有含有4个个D触发器（触发器（D1D4），分），分别对应别对应BCD码码1，2，4，8位。三片位。三片D1端应端应都接到都接到MT 8870D01输出端，输出端，D2、D3、D4也类似。也类似。4017“1”、“2”、“3”输出端输出端（即（即2、4、7脚）输出信号分别作为三片脚）输出信号分别作为三片74LS175CP信号。这么，当对信号。这么，当对4017清零后，清零后，8870再次序输出三个数字（如：再次序输出三个数字（如：3，4，5），），则对应二进码（则对应二进码（0011，0100，0101）就锁）就锁存在三片存在三片74LS175输出端。输出端。第53页三片三片74LS175输出信号（如：输出信号（如：3，4，5）输）输入到加法器（三片入到加法器（三片4560）A输入端，和固定输入端，和固定中频数值中频数值455（由（由B输入端输入）相加后和输入端输入）相加后和数值（如：数值（如：8，0，0）就作为）就作为4522置数信号。置数信号。即这时锁相环输出是即这时锁相环输出是800KHz方波，作为本方波，作为本振信号。振信号。第54页依据上述工作原理、方框图以依据上述工作原理、方框图以及附录及附录1，自己设计、搭接详细自己设计、搭接详细电路电路。要求当信号发生器输出。要求当信号发生器输出123KHz正弦波（即正弦波（即Us）时，）时，如次序按如次序按“1”、“2”、“3”三键，则用示波器可看到三键，则用示波器可看到455KHz中频信号中频信号UI，而且要求，而且要求“上电清零上电清零”。第55页混频电路（混频电路（MC1496）（）（P21）输入信号输入信号Us幅度为幅度为15mV,本振信号本振信号UL为为TTL电平。电平。第56页混频电路（混频电路（MC1496）调试步骤）调试步骤(1)455KHz谐振回路调整谐振回路调整Us开路，电位器开路，电位器W旋到任一极端位置，示旋到任一极端位置，示波器探头（波器探头（X10档）测档）测1496（12）脚，）脚，UL为为200mVp-p455KHz附近正弦信号，微附近正弦信号，微调调UL频率，观察频率，观察LC回路选频作用，其中回路选频作用，其中心频率应为心频率应为455KHz。如不是。如不是455KHz,则则固定固定UL频率为频率为455KHz，调线圈磁芯，使，调线圈磁芯，使（12）脚输出信号幅度最大，即可。）脚输出信号幅度最大，即可。第57页混频电路（混频电路（MC1496）调试步骤）调试步骤(2)平衡电位器调整平衡电位器调整在步骤（在步骤（1）基础上，调电位器）基础上，调电位器W，使（，使（12）脚输出信号幅度为零，）脚输出信号幅度为零，即可。即可。第58页讲义订正P5,图图10 RW 10KP6,第第3行行,接接试验图,4046A6、7、11、12脚外脚外围元件元件应留着留着,9脚外脚外电位器位器应去掉去掉.P6,第第4行行,工作工作电压为12VP6,第第14行行,5 UjUiP7,第第1行行,KH=/=KdKoKF(0)P7,第第8行行,KH=/=2f /=2(fmax fmin)/=2(fmax fmin)P9,第第13行行,等数等数等等效效P9,倒第倒第5行行,记数器数器计数器数器第59页P10,图18,4、8、10脚应接地脚应接地P12,第第4行行,如如图34如如图20,去去452 去去4522P14,第第4行行,47 47nP15,第第6行行,1.测测由运放由运放324组成成有源有源LPF截止频率截止频率f（输入信号入信号应加在加在10电容左容左侧，但又不能加到，但又不能加到4046A（10）脚。）脚。输出出信号不能限幅）信号不能限幅）.P15,图26,运放运放+输入端入端510P电容不用容不用P17,第第9行行中心频率；中心频率；(5脚可脚可观察到振察到振荡方波信号方波信号).P17,倒第倒第6行行(VP-P=2V正弦波正弦波)删去去第60页P21 图358脚外脚外103电容删去一个电容删去一个;10脚外电容改为脚外电容改为51P;5脚外脚外5K1电阻另一端接地电阻另一端接地;12脚外陶瓷滤波器不用脚外陶瓷滤波器不用第61页P22 CD40175真值表真值表第62页P23第63页