目标

　　本实验活动介绍锁相环（PLL）。PLL电路有一些重要的应用，例如信号调制/解调（主要是频率和相位调制）、同步、时钟和数据恢复，以及倍频和频率合成。在这项实验中，您将建立一个简单的PLL电路，让您对PLL操作有基本的了解。

　　背景知识

　　PLL是一种反馈系统，用于调节或锁定压控振荡器（VCO）输出与输入基准信号之间的相位差，如图1所示。VCO是一种振荡器，其输出频率是某个输入控制电压的函数。通常，当VCO用于PLL等反馈环路时，电压频率转换函数必须至少是单调的。VCO的一个特例是电压频率转换器（VFC），其电压/频率特性是线性的。反馈环路中的分频器的分频系数N一般是整数，包括1，若为1则与没有分频器或从VCO输出直连鉴相器输入的情况相同。

　　图1.PLL基本框图

　　PLL是许多深奥书籍和讨论的主题，非常复杂，无法在这几页中详尽说明。本实验的末尾有额外阅读材料的链接。

　　材料

　　▲ADALM2000主动学习模块

　　▲无焊试验板

　　▲跳线

　　▲一个2.2 kΩ电阻

　　▲一个47 kΩ电阻

　　▲一个10 kΩ电阻

　　▲一个4.7 nF电容（标记为472）

　　▲一个100 pF电容（标记为101）

　　▲一个CD4007 CMOS阵列

　　▲2个ZVN2110A NMOS晶体管

　　▲2个ZVP2110A PMOS晶体管

　　▲一个AD654 VFC

　　▲一节9 V电池（带连接器）

　　第1步指导

　　在无焊试验板上，首先基于AD654搭建VFC电路，如图2所示。将电路搭建到试验板的一侧，以便为PLL的其他部件留出空间，我们将在本实验活动的后续步骤中添加这些部件。控制电压通过由R1和C1组成的单极点低通滤波器施加。这相当于图1中馈送至VCO模块的低通滤波器模块。

　　图2.VFC电路

　　硬件设置

　　开启固定5 V电源，并将9 V电池连接到电路。将AWG1输出连接到VIN，如图2所示。将AWG1配置为DC源，初始设置为2.5 V。将示波器通道输入CH1+连接到VSQR输出，如图2所示。还应将CH1-输入接地。

　　图3.VFC试验板电路

　　程序步骤

　　使用AWG 1直流偏置控制，将VIN电压从1 V调整到4 V，同时在VSQR观察VFC输出的频率。使用示波器控制屏幕上的频率测量功能来完成此操作。根据公式1，图2中的Rt和Ct设置VFC的标称输出频率。

　　例如，VIN为设置范围的中间值2.5V，并给定Rt Ct值（2.5/（10 × 10 kΩ × 100 pF）），输出频率应接近250 kHz。验证您的测量结果是否与该值一致。如果不一致，请重新检查电路连接和元件值。

　　图4.VFC输出

　　第2步指导

　　接下来，在试验板上添加来自上一个实验的异或门鉴相器电路，如图5所示。构建异或门后，将其连接到V转F电路，如图6所示，以构成完整的PLL。在给电路添加任何东西之前，务必关闭5 V电源并断开9 V电池。

　　图5.添加XOR鉴相器

　　图6.完整PLL电路

　　硬件设置

　　开启固定5 V电源，并将9 V电池连接到电路。将AWG1输出连接到FREF，如图4所示。将AWG1配置为方波，其幅度为5 V峰峰值，偏置为2.5 V（0 V至5 V摆幅）；将初始频率设置为第1步中测得的值（即VIN设置为2.5 V时，应在250 kHz左右）。将示波器通道输入CH1+连接到FREF输入，并将示波器通道CH2+连接到VSQR输出，如图6所示。还应该将CH1-和CH2-输入接地。将示波器设置为在通道1（FREF信号）的上升沿触发。

　　图7.完整的PLL试验板电路

　　程序步骤

　　在FREF的频率设为对应于AD654引脚4上2.5 V控制电压的情况下，VSQR处看到的输出频率应锁定输入基准频率FREF。在示波器屏幕上，您应该看到两个方波是稳定的（即彼此锁定），并且VSQR相对于FREF偏移约90°。请记住，当XOR鉴相器的两个输入相差90°时，其滤波输出将处于其输出范围的一半或约2.5 V。

　　图8.完整的PLL FREF和VSQR曲线

　　以小增量增大和减小基准频率FREF，以确定PLL会锁定的最小和最大频率。当更改基准输入的频率时，注意FREF和VSQR之间的相对相位差。执行此操作时，测量AD654引脚4上的滤波直流控制电压，并将这些读数与步骤1中扫描VFC直流控制电压时测得的读数进行比较。

　　将示波器通道2连接到图6中C点处异或门的输出端。将所看到的方波与异或门A （VSQR）和门B （FREF）的输入进行比较。当PLL锁定在最小和最大锁定频率以及锁定范围的中心频率时，C处的波形如何变化？

　　附加第3步指导

　　图6中的简单PLL电路不是十分有意义，因为输出信号只是输入信号的相移版本。如图1所示，如果在从VFC输出端到鉴相器输入端的反馈路径中插入一个数字分频器模块，则输出信号将是一个更高的倍频信号。使用任何可用的数字分频器IC，如CD4020、CD4040、CD4060甚至SN7490（几乎任何分频器IC都可以），断开与异或输入A的连接，并插入分频器模块，如图9所示。

　　图9.PLL倍频器

　　根据您构建的分频器的分频系数N，您需要相应地改变FREF输入频率。例如，当N=8时，如果FREF之前是250 kHz，新的FREF将是250/8或31.25 kHz。异或门鉴相器输出端的脉冲频率也将是原来的八分之一。

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