学子专区—ADALM2000实验：锁相环

作者：Antoniu Miclaus，系统应用工程师和Doug Mercer，顾问研究员

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V_IN，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V_SQR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V_IN电压从1 V调整到4 V，同时在V_SQR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R_t和C_t设置VFC的标称输出频率。



例如，V_IN为设置范围的中间值2.5V，并给定R_t C_t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F_REF，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V_IN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F_REF输入，并将示波器通道CH2+连接到V_SQR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（F_REF信号）的上升沿触发。

图7.完整的PLL试验板电路

程序步骤

在F_REF的频率设为对应于AD654引脚4上2.5 V控制电压的情况下，V_SQR处看到的输出频率应锁定输入基准频率F_REF。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V_SQR相对于F_REF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 F_REF和V_SQR曲线

以小增量增大和减小基准频率F_REF，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F_REF和V_SQR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 (V_SQR)和门B (F_REF)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F_REF输入频率。例如，当N=8时，如果F_REF之前是250 kHz，新的F_REF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。

问题

1.能否说出PLL电路的若干实际应用？

您可以在学子专区论坛上找到答案。

关于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球领先的半导体公司，致力于在现实世界与数字世界之间架起桥梁，以实现智能边缘领域的突破性创新。ADI提供结合模拟、数字和软件技术的解决方案，推动数字化工厂、汽车和数字医疗等领域的持续发展，应对气候变化挑战，并建立人与世界万物的可靠互联。ADI公司2022财年收入超过120亿美元，全球员工2.4万余人。携手全球12.5万家客户，ADI助力创新者不断超越一切可能。更多信息，请访问www.analog.com/cn。

关于作者

Antoniu Miclaus现为ADI公司的系统应用工程师，从事ADI教学项目工作，同时为Circuits from the Lab®、QA自动化和流程管理开发嵌入式软件。他于2017年2月在罗马尼亚克卢日-纳波卡加盟ADI公司。他目前是贝碧思鲍耶大学软件工程硕士项目的理学硕士生，拥有克卢日-纳波卡科技大学电子与电信工程学士学位。

Doug Mercer于1977年毕业于伦斯勒理工学院(RPI)，获电子工程学士学位。自1977年加入ADI公司以来，他直接或间接贡献了30多款数据转换器产品，并拥有13项专利。他于1995年被任命为ADI研究员。2009年，他从全职工作转型，并继续以名誉研究员身份担任ADI顾问，为“主动学习计划”撰稿。2016年，他被任命为RPI ECSE系的驻校工程师。