3、计算VCO压控振荡器的灵敏度K0：
K0 = f2?f1=200?140=93.75（KHZ/V）
v2?v12.48?1.844、测频率合成器的最大、最小分频比：
1）测得的最大分频比的实际值为20， 2）理论值计算：[
fH
fL] =[332/16.8]=[19.7]=20,因此理论上的最大分频比也
为20，经验证，理论值与实际值相符合。
六、实验心得
通过本次实验，我了解到了VCO压控振荡器的 基本工作原理，加深了对基本锁相环工作过程的理解，熟悉了锁相式数字频率合成器的电路组成与工作原理。
由于我们专业根本没学过锁相环，所以本实验主要是老师做演示实验，在实验过程中应当有足够的耐心，并且一定要仔细，比如测试同步带和捕捉带时，要慢慢增加信号源的频率，直至环路失锁，此时信号源的频率就是同步带的最高频率，求捕捉带时也是一样的。最重要的，胆大心细。
实验三 锁相频率合成器的设计
一、实验目的
1. 掌握锁相环及频率合成器原理。
2. 利用数字锁相环CD4046设计制作频率合成器。 3. 利用有源滤波器将CD4046输出方波。
二、实验原理
1．锁相频率合成器原理
锁相频率合成器是基于锁相环路的同步原理，由一个高准度、高稳定度的参考晶体振荡器，合成出许多离散频率。即将某一基准频率经过锁相环（PLL）的作用，产生需要的频率。原理框图如图7-1所示。
图7-1 锁相环原理框图
由图7-1可知，晶体振荡器的频率fi经M固定分频后得到步进参考频率
fREF，将fREF信号作为鉴相器的基准与N分频器的输出进行比较，鉴相器的输出Ud正比与两路输入信号是相位差，Ud经环路滤波器得到一个平均电压Uc，Uc控制压控振荡器（VCO）频率f0的变化，使鉴相器的两路输入信号相位差不断减小，直到鉴相器的输出为零或为某一直流电平，这时称为锁定。锁定后的频率为fi/M?f0/N?fREF即f0??N/M?fi?N?fREF。当预置分频数N变化时，输出信号频率f0随着发生变化。
锁相环中的滤波器时间常数决定了跟随输入信号的速度，同时也限制了锁相环的捕捉范围，详细原理见参考书。 2．CD4046锁相环工作原理
数字锁相环CD4046由两个鉴相器、一个压控振荡器、一个源极跟随器和一个齐纳二极管组成。鉴相器有两个共用输入端PCAIN和PCBIN，输入端PCAIN既可以与大信号直接匹配，又可直接与小信号相接。自偏置电路可在放大器的线性区调整小信号电压增益。鉴相器Ⅰ为异或门，鉴相器Ⅱ为四组边沿触发器。由于CD4046的两个鉴相器输入信号均为数字信号，所以称CD4046位数字锁相环。压控振荡器的输出除受输入电压的控制外，还受禁止端INH的控制。当禁止端INH为高电平时，禁止VCO和源极跟随器工作；当禁止端INH为低电平时，允许VCO和源极跟随器输出。齐纳二极管用来辅助电源电压的调整。CD4046的功能框图和管脚排列如图7-2所示。
图7-2 CD4046管脚排列和功能框图
由于鉴相器Ⅰ为异或门，使用时要求两个输入信号必须都是占空比为50%为对称方波，此时它的鉴相范围是0???rad?，否则线性鉴相范围将减小。在频率合成器中，由于环路中的分频输出信号一般都不是对称方波，故都不使用鉴相器Ⅰ。
鉴相器Ⅱ为四组RS边沿触发器，它具有鉴相/鉴频的功能，不像鉴相器Ⅰ依靠电平鉴相，鉴相器Ⅱ是依据脉冲边沿进行鉴相，对占空比无特殊要求，因而常使用在频率合成器中。鉴相器Ⅱ在不同输入相位差下输出的时域波形及鉴相特性曲线如7-3所示。
图7-3 鉴相器Ⅱ的时域波形和鉴相特性
因为鉴相器Ⅱ输出级是由一个增强型P沟道场效应管和一个增强型N沟道场效应管组成的三态驱动电路，当管脚PCAIN上的参考频率fREF高于管脚
PCBIN上的比较信号频率时，鉴相器Ⅱ输出管脚PC2OUT电压中的直流分量增加，这一增加的直流分量控制VCO振荡频率f0迅速提高；当fREF低于管脚
PCBIN上的比较信号频率时，管脚PC2OUT电压中的直流分量减小，而这一减小的直流分量控制VCO振荡频率f0迅速降低。管脚PC2OUT的脉冲宽度表明了相位差?e的大小，当两个输入信号相同时，则输出呈高阻状态。
VCO的输出频率最高不超过1.5MHz（74HC4046为15MHz左右），决定振荡频率的不仅和电源电压有关，而且与外接阻容元件有关。振荡频率的定时元件有R1、R2和电容C1，无信号输入时，VCO将振荡在最低频率上。当使用不同电源时，C1与f0的关系、C1与fmin的关系、R1/R2和fmax/fmin的关系如图7-4(a)、(b)、(c)所示。
图7-4 VCO频率特性参数
3．参考测量分析
（1）VCO的压控灵敏度K0与线性度?。
前已指出，VCO的压控灵敏度是单位电压控制下，VCO输出角频率的变化量，记作K0?rad/s?v?，定义为
K0???max??min??UCmax?UCmin?
理想的压控灵敏度K0应是不变的，但实际中的K0是变化的，这样压控特性是非线性的，通常用线性度?参量来描述线性度，?越接近1越好，?的定义为
??K0maxK0min
（2）?n、?及tc的测量与计算
?n为环路的自然谐振角频率，?为阻尼系数，tc为频率转换时间（即频率合成器输出从某一频率跳变到另一频率的时间）。
环路锁定后，相位差?e为常量，鉴相器输出电压Ud是直流电压，环路滤波器输出Uc也为直流电压，用示波器可观测Uc的状态变化，判定环路是否入锁。改变分频比N的数值，环路即刻失锁，若频差在捕捉带内，经短时间频率的牵引，又进入锁定状态。频率合成器从失锁到入锁的时间，称为频率转换时间tc。实际测量时，可用一低频TTL信号源接到N分频器预置码的某一位上。利用低频信号源高低电平，取代对应的两个可预置码，再用示波器同时观测信号源波形和Uc点的波形，从示波器上读出峰值时间tm和频率转换时间tc的特征参数。对应波形如图7-5所示。
图7-5 分频比N改变时的波形
图7-5表明，TTL方波的控制下，环路分频比N周期性的改变。鉴相器输出一个周期性频率阶跃信号，Uc从某一电压开始（Uc1或Uc2）。经历一个瞬态响应过程，完成频率牵引和相位锁定，达到新的稳态直流电压（Uc1或Uc2）。可以利用tc和tm换算出阻尼系数?和自然谐振角频率?n。它们分别为
??4tm?4tm????tc?22
?n??tm1??2
CD4046中不包含环路滤波器，内部的鉴相器和压控振荡器相互独立，使用者可根据不同要求，合理地设计出环路滤波器参数，由于VCO输入阻抗极高，在设计环路滤波器时可以不考虑其影响。因锁相环是一个典型的自控系统（即相位反馈控制系统），?n和?是两个重要的参量，它对环路的性能影响很大。?过大时，环路滤波器特性变差，输出相位噪声增大；?过小，在频率转换过程中，
Uc的瞬态过冲较大，导致tc加长。通常取值范围是
??0.5?1
电子信息工程综合实验
