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信号频率，即TP3与TP1处的频率相等。环路失锁时ud为差拍电压（不稳定的波形，环路输入信号频率与反馈信号频率不相等，即此时TP3与TP1处的频率不相等。 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
接通电源后用示波器观察TP2处的电压 ud，若ud为稳定的方波，这说明环路处于锁定状态。用示波器同时在TP1和TP3处观察，可以看到两个信号频率相等。也可以用频率计分别测量TP1和TP3频率。在锁定状态下，向某一方向变化W1，可使TP1和TP3处的频率不再相等，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，TP1和TP3处的频率不相等。调节W使ud的频率改变，当频率改变到某一程度时ud会突然变成稳定的方波，环路由失锁状态变为锁定状态。 （2）观察环路的捕捉带和同步带：
环路处于锁定状态后，慢慢增大W1，使ud增大到锁定状态下的最大值ud1（此值不大于+12V）；继续增大W1，ud变为非稳定状态，环路失锁。再反向减小W1，ud的频率逐渐改变，直至波形稳定。记环路刚刚由失锁状态进入锁定状态时鉴相器输出电压为ud2；继续减小W，使ud减小到锁定状态下的最小值ud3；再继续减小W，使环路再次失锁。然后反向增大W，记环路刚刚由失锁状态进入锁定状态时鉴相器输出电压为ud4。
令ΔV1=ud1- ud3，ΔV2=ud2- ud4，它们分别为同步范围内及捕捉范围内环路控制电压的变化范围，可以发现ΔV1＞ΔV2。设VCO的灵敏度为K0(HZ/V)，则环路同步带ΔfH及捕捉带ΔfP分别为：ΔfH =K0ΔV1/2 ，ΔfP =K0ΔV2/2 。
应说明的是，由于VCO是晶体压控振荡器，它的频率变化范围比较小，调节W1时环路可能只能从一个方向由锁定状态变化到失锁状态，此时可用ΔfH =K0(ud1-6）或ΔfH =K0(6-ud3）、ΔfP =K0(ud2-6）或ΔfP =K0(6-ud4）来计算同步带和捕捉带，式中6为ud变化范围的中值（单位：V）。 作上述观察时应注意：
? TP2处的差拍频率低但幅度大，而TP1和TP3的频率高但幅度很小，用示波器观察这些信号时应注意幅度旋钮和频率旋钮的调整。
? 失锁时，TP1和TP3频率不相等，但当频差较大时，在鉴相器输出端电容的作用下，ud幅度较小。此时向某一方向改变W，可使ud幅度逐步变大、频率逐步减小，环路进入锁
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定状态。 六、实验报告要求
1、总结锁相环锁定状态及失锁状态的特点。
2、设K0=18 HZ/V ，根据实验结果计算环路同步带ΔfH及捕捉带ΔfP 。
设VCO固有振荡频率f0 不变，环路输入信号频率可以改变，试拟订测量环路同步带及捕捉带的步骤
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实验十三 频率合成电路实验
一、实验目的:
1、掌握频率合成的基本原理和方法；
2、熟悉频率合成电路的组成及其电路中各组件的作用。 二、预习要求：
复习频率合成的基本方法和频率合成器电路的主要技术指针； 三、实验电路说明：
本实验电路如图2-19所示。
图2-19
CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为3V－18V），输入阻抗高(约100MΩ)，动态功耗小，在中心频率f0为10kHz下功耗仅为600μW，属微功耗器件。CD4046的引脚采用 16 脚双列直插式，各引脚功能如下：
1脚相位输出端，环路入锁时为高电平，环路失锁时为低电平。2脚相位比较器的输出端。3脚比较信号输入端。4脚压控振荡器输出端。5脚禁止端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作。6、7脚外接振荡电容。8、16脚电源的负端和正端。9脚压控振荡器的控制端。10脚解调输出端，用于FM解调。11、12脚外接振荡电阻。13脚相位比较器的输出端。14脚信号输入端。15脚内部独立的齐纳稳压管负极。
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图2-20 图2-21
图2-20是CD4046内部电原理框图，主要由相位比较、压控振荡器（VCO）、线性
放大器、源跟随器、整形电路等部分构成。比较器采用异或门结构，当两个输人端信号Ui、Uo的电平状态相异时（即一个高电平，一个为低电平），输出端信号UΨ为高电平；反之，Ui、Uo电平状态相同时（即两个均为高，或均为低电平），UΨ输出为低电平。当Ui、Uo的相位差Δφ在0°-180°范围内变化时，UΨ的脉冲宽度m亦随之改变，即占空比亦在改变。从比较器的输入和输出信号的波形（如图2-21所示）可知，其输出信号的频率等于输入信号频率的两倍，并且与两个输入信号之间的中心频率保持90°相移。从图中还可知，fout不一定是对称波形。对相位比较器，它要求Ui、Uo的占空比均为50％（即方波），这样才能使锁定范围为最大。
相位比较器是一个由信号的上升沿控制的数字存储网络。它对输入信号占空比的要求不高，允许输入非对称波形，它具有很宽的捕捉频率范围，而且不会锁定在输入信号的谐波。它提供数字误差信号和锁定信号（相位脉冲）两种输出，当达到锁定时，在相位比较器Ⅱ的两个输人信号之间保持0°相移。
对相位比较器而言，当14脚的输入信号比3脚的比较信号频率低时，输出为逻辑“0”；反之则输出逻辑“1”。如果两信号的频率相同而相位不同，当输人信号的相位滞后于比较信号时，相位比较器输出的为正脉冲，当相位超前时则输出为负脉冲。在这两种情况下，从1脚都有与上述正、负脉冲宽度相同的负脉冲产生。从相位比较器输出的正、负脉冲的宽度均等于两个输入脉冲上升沿之间的相位差。而当两个输入脉冲的频率和相位均相同时，相位比较器的输出为高阻态，则1脚输出高电平。上述波形如图2-21所示。由此可见，从1脚输出信号是负脉冲还是固定高电平就可以判断两个输入信号的情况了。
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CD4046锁相环采用的是RC型压控振荡器，必须外接电容C1和电阻R1作为充放电组件。当PLL对跟踪的输入信号的频率宽度有要求时还需要外接电阻R2。由于VCO是一个电流控制振荡器，对定时电容C1的充电电流与从9脚输入的控制电压成正比，使VCO的振荡频率亦正比于该控制电压。当VCO控制电压为0时，其输出频率最低；当输入控制电压等于电源电压VDD时，输出频率则线性地增大到最高输出频率。VCO振荡频率的范围由R1、R2和C1决定。由于它的充电和放电都由同一个电容C1完成，故它的输出波形是对称方波。一般规定CD4046的最高频率为1.2MHz(VDD=15V），若VDD<15V，则fmax要降低一些。
CD4046内部还有线性放大器和整形电路，可将14脚输入的100mV左右的微弱输入信号变成方波或脉冲信号送至两相位比较器。源跟踪器是增益为1的放大器，VCO的输出电压经源跟踪器至10脚作FM解调用。齐纳二极管可单独使用，其稳压值为5V，若与TTL电路匹配时，可用作辅助电源。
综上所述，CD4046工作原理如下：输入信号 Ui从14脚输入后，经放大器A1进行放大、整形后加到相位比较器的输入端，图13-2开关K拨至2脚，则比较器将从3脚输入的比较信号Uo与输入信号Ui作相位比较，从相位比较器输出的误差电压UΨ则反映出两者的相位差。UΨ经R3、R4及C2滤波后得到一控制电压Ud加至压控振荡器VCO的输入端9脚，调整VCO的振荡频率f2，使f2迅速逼近信号频率f1。VCO的输出又经除法器再进入相位比较器，继续与Ui进行相位比较，最后使得f2＝f1，两者的相位差为一定值，实现了相位锁定。若开关K拨至13脚，则相位比较器工作，过程与上述相同，不再赘述。 图2-19为用CD4046与BCD加法计数器CD4518构成的100倍频电路。刚开机时，f2可能不等于f1，假定f2 3、实验箱及集成锁相环、频率合成模块 五、实验步骤: 40