模拟锁相环模块
信息工程学院08级电子班安艳芳0839107
一、实验目的
1、熟悉模拟锁相环的基本工作原理
2、掌握模拟字锁相环的基本参数及设计
二、实验仪器
JH5001通信原理综合实验系统（一台）、20MHz双踪示波器（一台）、函数信号发生器（一台）
三、实验原理和电路说明
锁相的重要性：在电信网中，同步是一个十分重要的概念。其最终目的使本地终端时钟源锁定在另一个参考时钟源上。同步的技术基础是锁相，因而锁相技术是通信中最重要的技术之一在系统工作中模拟锁相环将接收端的256KHz时钟锁在发端的256KHz的时钟上，来获得系统的同步时钟，如HDB3接收的同步时钟及后续电路同步时钟。
该模块主要由模拟锁相环UP01（MC4046）、数字分频器UP02（74LS161）、D触发器UP04（74LS74）、环路滤波器和由运放UP03（TEL2702）及阻容器件构成的输入带通滤波器（中心频率：256KHz）组成。因来自发端信道的HDB3码为归零码，归零码中含有256KHz时钟分量，经UP03B构成中心频率为256KHz 有源带通滤波器后，滤出256KHz时钟信号，该信号再通过UP03A放大，然后经UP04A和UP04B两个除二分频器（共四分频）变为64KHz信号，进入UP01鉴相输入A脚；VCO输出的512KHz输出信号经UP02进行八分频变为64KHz信号，送入UP01的鉴相输入B脚。经UP01内部鉴相器鉴相之后的误差控制信号经环路滤波器滤波送入UP01的压控振荡器输入端；WP01可以改变模拟锁相环的环路参数。正常时，VCO 锁定在外来的256KHz频率上。
模拟锁相环模块各跳线开关功能如下：
1、跳线开关KP01用于选择UP01的鉴相输出。当KP01设置于1_2时（左端），环路锁定时TPP03、
TPP05输出信号将存在一定相差；当KP01设置于2_3时（右端），选择三态门鉴相输出，环路锁定时TPP03、TPP05输出信号将不存在相差。
2、跳线开关KP021是用于选择输入锁相信号：当KP021置于1_2时，输入信号来自HDB3编码模块
的HDB3码信号；当KP021置于2_3时，选择外部的测试信号（J007输入），此信号用于测量该模拟锁相环模块的性能。
四、实验内容
准备工作：将输入信号选择开关KP02设置在TEST位置，鉴相输出开关KP01设置在2_3位置
1.锁定状态观测
（1）用函数信号发生器从测试信号输入端口J007送入一个256 KHz的TTL方波信号。用示波器同时测量鉴相器输入A、B脚的波形TPP03、TPP05的相位关系。环路锁定该两信号将不存在相差。
实验结果及分析：
a). 实验观察的波形图：
b)实验分析：由上图可以看到，测试信号（图中1路信号）和经过锁相环后的输出信号（图中2路信号）的相位相同，即输出信号的相位变化是随着输入信号的相位变化而变化，两路信号同相，即不存在相位差。这是因为KP01设置于2_3（右端），说明选择的是三态门鉴相输出环路锁定时TPP03、TPP05输出信号将不存在相差。
（2）将鉴相输出开关KP01设置在1_2位置，重复上述测量步骤。环路锁定该两信号将存在相差。
实验结果及分析：
a). 实验观察的波形图：
b)实验分析：由上图可以看到，测试信号（图中1路信号）和经过锁相环后的输出信号（图中2
路信号）的相位不相同，即输出信号的相位与输入信号的相位有一定的偏差。这是因为当KP01设置于1_2时（左端），选择异或门鉴相输出，环路锁定时TPP03、TPP05输出信号将存在一定相差。
2.环路锁定过程观测
用函数信号发生器从测试信号输入端口J007送入一个256KHz的TTL方波信号。用示波器同时观测TPP03、TPP05的相位关系，测量时用TPP03同步；反复断开和接入测试信号，让锁相环进行重新锁定状态。此时，观察它们的变化过程（锁相过程）。
观察结果：当断开测试信号时，两路没有出现锁定状态，当接入测试信号时，示波器上出现了两路稳定的波形，出现锁定状态。
3.锁定检测信号观测
将跳线器KP01设置在2_3位置（由端），用函数信号发生器产生一个256KHz的TTL信号送入数字数字信号测试端口J007，用示波器观测锁定检测点TPP07点的波形。调整函数信号发生器输出频率使环路失锁和锁定，记录TPP07点的波形变化。
实验结果及分析：
a). 实验观察的波形图：
锁定波形图：
失锁波形图：
b)实验分析：由锁定波形图可以看出，实验输出的是某一高与零点并平行X轴的一条直线，此直线的最大值为4.64V。由于此锁相环锁定时TPP07点输出的是高电平，所以，这种状态说明此时锁相环处于锁定状态。此图中的直线上还存在一些毛刺，这是由于仪器或者外界干扰所造成的干扰信号。由失锁图形看
以看到，此时的波形不在是高电平，而呈现出在某一电平段进行动态的跳动，此失锁图是截取某一时刻的静态图，这说明此时锁相环已经失锁。
4.同步带测量
（1）用函数信号发生器产生一个256KHz的TTL信号送入数字信号测试端口J007。用示波器同时测量J007、TPP04的相位关系，测量时用J007同步；正常时环路锁定，该两信号应为同步。
（2）缓慢增加函数信号发生器输出频率，直至J007、TPP04两点波形失步，记录下失步前的频率。
（3）调整函数信号发生器频率为256KHz，使环路锁定。缓慢降低函数信号发生器输出频率，直至J007、TPP04两点波形失步，记录下失步前的频率。
（4）计算同步带。
实验现象及结果分析：
第（1）步观察的示波器上出现的两路信号的波形很稳定，这说明这两路信号此时已经同步；
第（2）步记录失步前的结果是303.17Hz；
第（3）步记录失步前的结果是144.29Hz；
所以，同步带为303.17-144.29=158.88Hz。
5.捕捉带测量
（1）用函数信号发生器产生一个256KHz的TTL信号送入数字信号测试端口J007。用示波器同时测量J007、TPP04的相位关系，测量时用J007同步；正常时环路锁定，该两信号应为同步。
（2）增加函数信号发生器输出频率，使J007、TPP04两点波形失步；然后缓慢降低函数信号发生器输出频率，直至J007、TPP04两点波形同步。记录下同步一刻的频率。
（3）降低函数信号发生器输出频率，使J007、TPP04两点波形失步；然后缓慢增加函数信号发生器输出频率，直至J007、TPP04两点波形同步。记录下同步一刻的频率。
（4）计算捕捉带。
实验现象及结果分析：
第（1）步可以观察到示波器上出现两路稳定的波形，这说明两路信号已经同步；
第（2）步记录同步一刻的频率是301.14Hz；
第（3）步记录同步一刻的频率是146.77Hz；
所以，捕捉带为301.14-146.77=154.37Hz。
五、实验思考分析
1. 实验内容一验证了锁相环各跳线开关的功能，从而了解了锁相环的不同状态下的锁定情况，进而熟悉锁相环的工作原理。
2. 实验内容三是验证锁相环的工作情况，通过输出的电平来判断锁相环是否处于锁相。
3. 实验内容四和实验内容五是用两种不同方法来测量锁相环的频带。有实验结果可以看出同步带和捕捉带有一定的偏差，同步带比捕捉带宽一些。这是应为同步带的测量中在高低频率测量时分别在高低频率点出向外产生误差，总体误差是这两个误差之和。而捕捉带的测量时，在高低频率点各自减小了对频率的误差，从而总体减小误差。综上所述，捕捉带比同步带更加接近锁相环的频带宽度。
六、思考题
1、根据环路参数，解释为什么TPP04的波形存在抖动？
