实验六频率调制、压控振荡器及锁相环
一、实验目的
1．了解压控振荡器及用它构成频率调制器的工作．
2．学习将锁相环构成调频波的解调器.
3．学习集成电路频率调制器/解调器系统的工作.
4．学习数字频移键控系统的性能及使用．
二、预习要求
1．预习压控振荡器及锁相环的原理．
2．根据图3、图6和图7、图9搞清楚压控振荡器和锁相环集成电路与外部元件之间的连接关系．
3．预习后回答下列问题：
(1) 在某调频系统中载波信号频率FO=95.7MHz，当加入调制信号为em＝2.5sin（4π×105t）时，输出调频信号频率从Fmin＝95.68MHz 到Fmax =95.72MHz变化，问频偏δ为何值？灵敏度S=？调制系数mf=？当调制信号em＝0.8sin（2π×100t）时，该系统Fmin 和Fmax各为何值？
(2) 当566 VCO集成电路管脚①加直流电压V1=-5V，管脚⑧为V⑧=+5V，管脚⑤与①之间电压为V⑤①=6.4v，且C1=0.047μF（见图7）时，若要求产生振荡频率F=2KHz，R1应为何值？（提示: V⑧①=V⑧- V①）.
(3) 用上题的R1 C1和V⑧①计算566 VC0的理论灵敏度S.若V⑤①=8V,将产生的振荡频率F＝？若V⑤①=2.5V,则F=?
(4)用二进制“1”和“0”表示的方波时钟信号激励频移键控(FSK)调制器，画出时钟频率为10Hz时的示意输出波形图（时钟高电平为“1”，低电平为“0”）.
三、实验设备及元器件
1．双踪示波器一台
2．±5V直流稳压电源一台
3．数字电压表、电流表．一台
4．函数发生器（正弦波、方波、三角波）一台
5．频率计一台
6．实验电路板一块
四、实验电路及说明
控制电压振荡波形
压控振荡器(VCO)是输出信号频率受外加电压大小控制的振荡器，因此可作频率调制器，图1说明了此过程，图中说明当VCO输入端电压为0时，输出为载频Fc，当输入电压增减时输出信号幅度不变只是频率在载频的基础上增、减，偏离载频上下的最大频率值称为最大频偏δ．
输人变化1V时产生输出频率相对载频Fc的偏差称为灵敏度S，理想VCO输出频率变化应正比于输入幅度变化，即调制特性为直线关系。
调制系数记为mf，mf=δ/fm ，其中fm是调制信号em(即输入信号)的频率，与调幅系数不同，调频系数mf可大于1.
调频常应用于频移键控(FSK),FSK是进行二进制数据串行传输的方法，串行传输只需一根数据线传输数据，用二进制信号作调制信号，高电平为“1”，低电平为“0”，用它调制载频信号。
例如有一种标准，当调制信号为“1”，时，调频输出信号为2225Hz，当调制信号为“0”时，调频输出信号为2025Hz．即传输信号过程中以2225Hz示“l”，称为“标记”（mark）；以2025Hz频率表示“0”，称为“间隔”（space）．
实验用VCO为566型单片集成电路，它是变流式电容充放电压控振荡器，它的方框图及管脚排列如图2，电路如图3。
其工作原理如下:
图2中幅度鉴别器由施密特触发器构成，其正向触发电平为Vsp，反向触发电平为Vsm，当给电容C1充电使其上电压V7升至Vsp时幅度鉴别器翻转, 输出为高电平;当电容C1放电时，其上电压V7下降，降至Vsm时幅度鉴别器再次翻转，输出为低电平，从而使VA也变为低电平，用VA的高、低电平控制S1和S2两开关的闭合和断开. VA为低电平时控制S1闭合S2断开。
这时I6=I7=0,Io全部给电容C1充电，使V7上升，由于Io是恒流源，V7线性斜升，升至Vsp时VA跳变为高电平, VA高电平时控制S2闭合、S1断开，恒流源电流Io全部流入2支既即I6=Io，由于电流转发器的特性1支路电流I7=I6,所以I7=0，该电流由C1放电电流提供，因此，V7此时线性斜降，V7降至Vsm时VA 跳变为低电平．如此周而复始循环下去，I7及VA的波形如图4所示
图4 电容C1两端电压V7及反馈控制电压波形
图3中T1－T4组成可控电流源，电流源电流Io由电源电压V8外部输入控制电压V5及外接电阻R1确定，D2－D5及T5－T8组成电流转发器，其中D2、D3相当于图2中的开关S1，D4，D5及T8相当于图2中的开关S2，T9是以T10为电流源负载的射极跟随器，它将电容C1上的电压V7传送给T11T12等组成的幅度鉴别器，鉴别器输出信号经射随T13及内部控制电压形成电路产生电压VA去控制D2、D3及D4、D5、T8两组开关S1和S2。
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566输出的方波及三角波的载波频率（或称中心频率）可用外加电阻R1和外加电容C1来确定（见图3及图7）,其值为：
F＝2（V8.1- V5.1）/(R1·C1·V8.1) （Hz）
其中R1称时基电阻，C1称时基电容，V8.1为566管脚⑧至①的电压，V5.1为管脚⑤至①的电压．由上式可知566的调制输人端V5电压增加，使输出频率降低，理论的灵敏度为控制电压变化1V引起的输出频率的偏移量.
S＝-2/(R1·C1·V8.1 （Hz／V）
实验中用锁相环为565型单片集成电路，其框图及引出脚如图5，线路图如图6所示.
图6中VCO电路与566集成电路相同，T18－T25 ,T11－T18,T15－T23组成相位鉴别器，其输出电压是e1和e2两个信号之间的相位差的函数，相位鉴别器输出经T26－T28组成的差分放大器放大并滤除高频成分后输出给压控振荡器．
相位鉴别器由模拟乘法器构成，它有两组输入信号，一组为外部管脚②、③输入的信号e1，其频率为F1；另一组为内部压控振荡器产生的信号e2，经④脚输出，接至⑤脚送给相位鉴频器，其频率为F2，当F1和F2差别很小时可用频率差代表两信号之间的相位差。
即F1-F2的值使相位鉴别器输出一直流电压，该电压经⑦脚送至内部VCO的输人端，控制VC0,使其输出信号频率F2发生变化，这一过程不断进行直至F1=F2为止，这是称为锁相环锁定．
锁相环可用来作解调器，当e1为频率连续变化的调频信号时，相位鉴频器的输出是连续变化的电压。
其波形与产生调频信号的调制信号波形一致．
五、实验内容
l．压控振荡器实验，按图7连线
(1)观察R×C1对VCO频率的影响（其中R=R1＋W1）
调W2使V5=3.5V ,改变W1用频率计观察方波输出信号频率,记录当R为最大值和最小值时的输出方波信号频率，测量Rmax和Rmin以及C1的值．计算出这两种情况下的频率与测量值进行比较．用双踪示波器观察并记录R=Rmin 方波及三角波输出波形．
注意：为避免频率计接入被测电路引起对电路工作的影响，电路中接入R3和R4两个3KΩ电阻，测量频率时在A 和B端接入频率计，另外测R本应断开元件一端进行测量，但由于R1接在电路中测量误差不大，可不断开，在E、F两点之间测量即可．测C1时，为避免测量误差，需断开I、H之间短路线在H、G两点之间的误差．
相对误差γ=（F测-F计）/F测×100％
(2)观察输入电压对输出频率的作用，
a．用直流电压控制：先调W1至W1max,然后改变W2=1K的中点电压，测当V5.1=7.6V—9.6V变化时，输出频率F的变化, V5.1每隔0.2V变化．
b．用交流电压控制：仍用R=Rmax断开原⑤脚所接C2及W2，用函数发生器给出正弦调制信号em，要求其频率为Fm=5KHz，峰—峰值为Vp-p=1V．将此信号通过图8输入电路送至566管脚⑤，用双踪示波器同时观察输入信号em和③脚的调频FM方波输出信号，并作记录.观察当输入信号幅度Vp-p和频率Fm有微小变化时，输出波形如何变化.
注意：输入信号em的Vp-p不要大于1.3V．
调制信号改用方波信号em使其Fm=1KHz，Vp-p=0.8V，用双踪示波器观测并记录em和③脚的调频FM方波输出信号.
图8 566信号输入电路
2．锁相环实验，按图9连线，用锁相环进行调频信号的解调.
(1)正弦波解调器：先调565PLL的W3使其中VCO的输出频率Fo(④脚)为50KHz,再将1、(2)b项目中函数发生器的正弦调制信号em接入566VCO的输入端，并用566的调频方波输出信号(③脚)接至565锁相环的FM输入端，调节565的W1,使R=Rmax用双踪示波器观察并记录566的输入调制信号em和565的解调输出信号．
(2)相移键控解调器：用峰一峰值Vp-p =0.8V，FM=100Hz的方波作调制信号送入调制器566，使其输出产生‘标记’和‘间隔’("mark"和"space")交替的两个频率的信号，观察调制器566的方波调制信号及解调器565的解调输出信号及比较器311的输出信号
图9 565PLL解调器实验电路．
六、实验报告要求
1．根据实验说明接在566管脚⑥上R的作用，计算当R最大、最小时566的频率，并与实验结果比较.
2．根据实验画出566 VCO的F0=f(V5—V1)曲线，并由其斜率求出灵敏度S，计算当V5.1=8.6V时，F0为何值，并与测量值进行比较.
3．由实验1(2)b说明FM(调频)的概念，计算最大频偏δ及调制系数mf(提示：用上面求出的S进行计算).
4，计算实验2(2)中"mark"和"space"两种情况下566VCO的输出频率．
5．整理全部实验数据、波形及曲线．
6．有何收获、体会和建议．。