【導(dǎo)讀】本實驗活動介紹鎖相環(huán)(PLL)。PLL電路有一些重要的應(yīng)用，例如信號調(diào)制/解調(diào)（主要是頻率和相位調(diào)制）、同步、時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)，以及倍頻和頻率合成。在這項實驗中，您將建立一個簡單的PLL電路，讓您對PLL操作有基本的了解。
背景知識
PLL是一種反饋系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)或鎖定壓控振蕩器(VCO)輸出與輸入基準(zhǔn)信號之間的相位差，如圖1所示。VCO是一種振蕩器，其輸出頻率是某個輸入控制電壓的函數(shù)。通常，當(dāng)VCO用于PLL等反饋環(huán)路時，電壓頻率轉(zhuǎn)換函數(shù)必須至少是單調(diào)的。VCO的一個特例是電壓頻率轉(zhuǎn)換器(VFC)，其電壓/頻率特性是線性的。反饋環(huán)路中的分頻器的分頻系數(shù)N一般是整數(shù)，包括1，若為1則與沒有分頻器或從VCO輸出直連鑒相器輸入的情況相同。
圖1.PLL基本框圖
PLL是許多深奧書籍和討論的主題，非常復(fù)雜，無法在這幾頁中詳盡說明。本實驗的末尾有額外閱讀材料的鏈接。
材料
● ADALM2000 主動學(xué)習(xí)模塊
● 無焊試驗板
● 跳線
● 一個2.2 kΩ電阻
● 一個47 kΩ電阻
● 一個10 kΩ電阻
● 一個4.7 nF電容（標(biāo)記為472）
● 一個100 pF電容（標(biāo)記為101）
● 一個CD4007 CMOS陣列
● 2個ZVN2110A NMOS晶體管
● 2個ZVP2110A PMOS晶體管
● 一個 AD654 VFC
● 一節(jié)9 V電池（帶連接器）
第1步指導(dǎo)
在無焊試驗板上，首先基于AD654搭建VFC電路，如圖2所示。將電路搭建到試驗板的一側(cè)，以便為PLL的其他部件留出空間，我們將在本實驗活動的后續(xù)步驟中添加這些部件。控制電壓通過由R1和C1組成的單極點(diǎn)低通濾波器施加。這相當(dāng)于圖1中饋送至VCO模塊的低通濾波器模塊。
圖2.VFC電路
硬件設(shè)置
開啟固定5 V電源，并將9 V電池連接到電路。將AWG1輸出連接到VIN，如圖2所示。將AWG1配置為DC源，初始設(shè)置為2.5 V。將示波器通道輸入CH1+連接到VSQR輸出，如圖2所示。還應(yīng)將CH1-輸入接地。
圖3.VFC試驗板電路
程序步驟
使用AWG 1直流偏置控制，將VIN電壓從1 V調(diào)整到4 V，同時在VSQR觀察VFC輸出的頻率。使用示波器控制屏幕上的頻率測量功能來完成此操作。根據(jù)公式1，圖2中的Rt和Ct設(shè)置VFC的標(biāo)稱輸出頻率。
例如，VIN為設(shè)置范圍的中間值2.5V，并給定Rt Ct值(2.5/(10 × 10 kΩ × 100 pF))，輸出頻率應(yīng)接近250 kHz。驗證您的測量結(jié)果是否與該值一致。如果不一致，請重新檢查電路連接和元件值。
圖4.VFC輸出
第2步指導(dǎo)
接下來，在試驗板上添加來自上一個實驗的異或門鑒相器電路，如圖5所示。構(gòu)建異或門后，將其連接到V轉(zhuǎn)F電路，如圖6所示，以構(gòu)成完整的PLL。在給電路添加任何東西之前，務(wù)必關(guān)閉5 V電源并斷開9 V電池。
圖5.添加XOR鑒相器
圖6.完整PLL電路
硬件設(shè)置
開啟固定5 V電源，并將9 V電池連接到電路。將AWG1輸出連接到FREF，如圖4所示。將AWG1配置為方波，其幅度為5 V峰峰值，偏置為2.5 V（0 V至5 V擺幅）；將初始頻率設(shè)置為第1步中測得的值（即VIN設(shè)置為2.5 V時，應(yīng)在250 kHz左右）。將示波器通道輸入CH1+連接到FREF輸入，并將示波器通道CH2+連接到VSQR輸出，如圖6所示。還應(yīng)該將CH1-和CH2-輸入接地。將示波器設(shè)置為在通道1（FREF信號）的上升沿觸發(fā)。
圖7.完整的PLL試驗板電路
程序步驟
在FREF的頻率設(shè)為對應(yīng)于AD654引腳4上2.5 V控制電壓的情況下，VSQR處看到的輸出頻率應(yīng)鎖定輸入基準(zhǔn)頻率FREF。在示波器屏幕上，您應(yīng)該看到兩個方波是穩(wěn)定的（即彼此鎖定），并且VSQR相對于FREF偏移約90°。請記住，當(dāng)XOR鑒相器的兩個輸入相差90°時，其濾波輸出將處于其輸出范圍的一半或約2.5 V。
圖8.完整的PLL FREF和VSQR曲線
以小增量增大和減小基準(zhǔn)頻率FREF，以確定PLL會鎖定的最小和最大頻率。當(dāng)更改基準(zhǔn)輸入的頻率時，注意FREF和VSQR之間的相對相位差。執(zhí)行此操作時，測量AD654引腳4上的濾波直流控制電壓，并將這些讀數(shù)與步驟1中掃描VFC直流控制電壓時測得的讀數(shù)進(jìn)行比較。
將示波器通道2連接到圖6中C點(diǎn)處異或門的輸出端。將所看到的方波與異或門A (VSQR)和門B (FREF)的輸入進(jìn)行比較。當(dāng)PLL鎖定在最小和最大鎖定頻率以及鎖定范圍的中心頻率時，C處的波形如何變化？
附加第3步指導(dǎo)
圖6中的簡單PLL電路不是十分有意義，因為輸出信號只是輸入信號的相移版本。如圖1所示，如果在從VFC輸出端到鑒相器輸入端的反饋路徑中插入一個數(shù)字分頻器模塊，則輸出信號將是一個更高的倍頻信號。使用任何可用的數(shù)字分頻器IC，如CD4020、CD4040、CD4060甚至SN7490（幾乎任何分頻器IC都可以），斷開與異或輸入A的連接，并插入分頻器模塊，如圖9所示。
圖9.PLL倍頻器
根據(jù)您構(gòu)建的分頻器的分頻系數(shù)N，您需要相應(yīng)地改變FREF輸入頻率。例如，當(dāng)N=8時，如果FREF之前是250 kHz，新的FREF將是250/8或31.25 kHz。異或門鑒相器輸出端的脈沖頻率也將是原來的八分之一。
進(jìn)一步閱讀：analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-086.pdf
來源：Antoniu Miclaus 和 Doug Mercer，ADI
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