锁相环的组成和原理及应用
什么是电子电路中的锁相环及其应用
什么是电子电路中的锁相环及其应用电子电路中的锁相环（Phase-Locked Loop，简称PLL）是一种广泛应用的反馈控制电路，用于将输入信号的相位与频率与参考信号的相位与频率同步，从而实现信号的稳定性和精确性。
锁相环在通信、计算机、音频处理等领域都有重要的应用。
一、锁相环的工作原理锁相环主要由相位比较器（Phase Detector）、环形数字控制振荡器（VCO）和低通滤波器（LPF）组成。
相位比较器用来比较输入信号和参考信号的相位差，输出一个宽度等于相位差的脉冲信号。
VCO根据相位比较器输出的脉冲信号的宽度和方向来调节输出频率，使其与参考信号的频率和相位同步。
LPF用来滤除VCO输出信号中的高频成分，保证输出的稳定性。
二、锁相环的应用1. 通信领域：在数字通信系统中，锁相环被广泛应用于时钟恢复、时钟生成和时钟变换等方面。
通过锁相环可以实现对时钟信号的稳定传输，提高通信系统的可靠性和容错性。
2. 音频处理：在音频设备中，锁相环被用于时钟同步和抖动消除。
通过锁相环可以实现音频数据的同步传输和精确抖动控制，提高音质和信号稳定性。
3. 数字系统：在数字系统中，锁相环可用于时钟恢复、频率合成和位钟提取等方面。
通过锁相环可以实现对时钟信号的稳定提取和精确合成，确保系统的可靠运行。
4. 频率调制与解调：在调制与解调系统中，锁相环被应用于频偏补偿和相位同步。
通过锁相环可以实现对信号频偏和相位偏移的补偿，保证调制与解调的准确性和稳定性。
5. 频谱分析：锁相环还可以应用于频谱分析仪中，通过锁相环可以实现频率分析的准确性、稳定性和精确性。
三、锁相环的特点1. 稳定性：锁相环可以通过调整VCO的输出频率来实现输入信号和参考信号的同步，从而提高信号的稳定性。
2. 精确性：锁相环可以通过精确的相位比较和频率调节，实现对信号相位和频率的精确控制，提高信号处理的准确性。
3. 自适应性：锁相环可以根据输入信号和参考信号的变化自动调节，适应不同输入条件下的信号同步要求。
简述锁相环的基本的原理
锁相环的基本原理1. 介绍锁相环（Phase Locked Loop，简称PLL）是一种广泛应用于电子领域的反馈控制系统。
它通过比较输入信号的相位和参考信号的相位差，并通过相位差的反馈控制，使得输出信号的相位与参考信号保持稳定的关系。
锁相环广泛应用于频率合成器、通信系统中的时钟恢复、频率系数调整等领域。
2. 锁相环的组成锁相环由多个组件组成，包括相位比较器、低通滤波器、电压控制振荡器（Voltage Controlled Oscillator，简称VCO）等。
2.1 相位比较器相位比较器是锁相环的核心部件，用于测量输入信号和参考信号之间的相位差。
常见的相位比较器有边沿比较器、数字比较器和模拟比较器等。
2.2 低通滤波器低通滤波器的作用是将相位比较器输出的脉冲信号转化为直流信号，并滤除不需要的高频成分。
低通滤波器一般采用RC电路实现。
2.3 电压控制振荡器电压控制振荡器（VCO）是锁相环的关键部件，它产生一个电压信号，用于控制输出信号的频率和相位。
VCO的输出频率与输入电压成正比。
一般VCO采用LC谐振电路实现。
2.4 分频器分频器的作用是将VCO的高频信号分频为参考信号的频率，以便与输入信号进行相位比较。
2.5 反馈环反馈环将VCO的输出信号与输入信号进行相位比较，并通过控制电压调整VCO的输出频率和相位。
同时，由于VCO输出信号被分频，所以经过一段时间后，输出信号的相位将与参考信号保持一致。
3. 锁相环的工作原理锁相环按照以下步骤工作：3.1 初始状态锁相环初始状态下，VCO的频率与输入信号的频率存在较大的差异，相位比较器输出的误差信号较大。
3.2 相位比较相位比较器对输入信号和参考信号进行相位比较，得到误差信号，误差信号的幅度与输入信号和参考信号之间的相位差有关。
3.3 误差信号滤波误差信号经过低通滤波器滤除高频成分，得到一个平滑的直流信号。
3.4 控制电压调整滤波后的误差信号作为控制电压，调整VCO的频率和相位。
锁相环
i (t ),o (t )
瞬时相位
uo (t ) U 2m cos[ot o (t )] U 2m coso 式中， 0 是为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流
电压时的振荡频率，称为电路的固有振荡频率。设乘法器 的增益系数为Am，则鉴相器输出的误差电压ud(t)
在控制电压的作用下，输出信号频率在固有频率的基础上 按一定规律变化的振荡电路。
作用——使振荡频率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频 率相同，相位差恒定。
3 锁相环的基本组成分析
3、压控振荡器（VCO）
输入输出特性（线性）：
o(t ) o Aouc(t )
Ao
压控灵敏度
3 锁相环的基本组成分析
pe(t ) AdAoAF(p )sin e(t ) pi(t )
瞬时频差 控制频差 固有频差
捕捉过程—环路由失锁进入锁定的过程
捕捉带(Δωp )—— 环路由失锁状态进入锁定状态所 允许信号频率偏离的最大值。
捕捉时间(τP )——环路由失锁状态进入锁定状态所 需的时间
跟踪过程—环路维持锁定的过程
1 锁相环路概述 一、基本概念（绪）
其中，当输出信号频率与输入信号频率相同时，输出信号与 输入信号之间的相位差同步（相位差为常数）。故称为锁相 环路，简称为锁相环。 其中，频率相同是目的，相位同步（锁定）是手段。 （具体）：锁相环将输入信号与输出信号间的相位进行比较， 产生相位误差电压，来调整输出信号的频率，最终达到：相 位锁定，信号同频。
则上式可写为
3 锁相环的基本组成分析
3、压控振荡器（VCO）
压控振荡器传递给鉴相器的反馈信号起作用的不是瞬时角 频率而是它的瞬时相位。 所以，VCO在锁相环中起了一次 积分作用，因此也称为环路中的固有积分环节。 对 o( t ) o Aouc(t ) 积分，得
锁相环的基本原理和应用讲解
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如果VCO 的频率在开始时低于输入参 考频率，相应比较器的输出偏正。此正输 出电压经滤波后加至VCO，强制VCO 的 频率增加，直至 VCO的频率和相应与输 人参考信号的频率与相应精确相同为止。
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如果VCO的频率增加到高于输入参考频 率，则发生与上述相反的过程。相应比较 器的输出减少，使VCO 的频率降低，以 锁定到与输入参考相同的频率上。
Fmin = 1 / R2( C1+32pf )
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键控移频 ( FSK )
VCC
R1
VCO VCC
9
4 Fo
5 00 K
8
(SET FREQ)
5
6 7 11
C1
R2
0 .1 U
1 00 K
U1
U2
NOT
R3 NOT
POT2
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C2
CAP
fig2 FSK
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C2 5 10 0 p
123
OPAMP
10 Uo
Rl 1 0k
fig 2 F -- V
tl e
Size
N
A4 21
20DF2ialte0e::/9/30
15 E:
4. PLL锁相环电路分析
4.1 4046比较器I和II的特点
比较器I的特点是：两个输入信号的电平状态相 异时( 一个是高电平，一个是低电平)，输山信号 Ｖ为高电平：反之为低电平。当两个输入信号的
误差
fo
低通滤波器
线性压控振荡器
计数器 10
锁相环PLL原理与应用
V V
2—9KHZ频率合成器
9V 100K 10K 47n
16 13 9
晶振
14
40 46
Uo 4
1K Hz
3
11
67 5 8
10 0K
1n
9V
3 16 RE SET
14
15
40 17
8
13
2 4 7 10 1 5 6 9 11
X2 X4 X6 X8 X1 X3 X5 X7 X9
3）拨盘开关式1—999KHZ
百位
A VD D
4X 100 K
8421
十位
A VD D
4X 100 K
8421
个位
A VD D
4）健盘置数式1—999KHZ频率合 成器 （P12）
• 就是用数字健盘以及某些数字IC替代拨盘 V开关构成1——999KHZ频率合成器。最终
应做到：当顺序按键盘旳任意三个健（如 5.9.2）时，则输出信号旳频率就为592KHz。 置数部分旳框图如图
捕获带旳测量
• 环路失锁后，缓慢变化信号源频率， 从高端或低端向４０４６Ａ旳中心 频率接近，当信号源频率分别为fＰ H和fＰL时，环路又锁定。则环路捕 获带ΔfP ＝ fPH－fPL。
f H f P fL f o L P f H H f H
ωn、ξ旳测量 P（8）
9V
9V
10K
W1
10K
16 15 14 13 12 11 10
9
晶振
14
4
OU T
1K Hz
PD 2
40 46
VC O
3
8
5 11 6
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数字锁相环原理
数字锁相环原理数字锁相环（Digital Phase-Locked Loop，简称数字PLL）是一种广泛应用于通信、控制系统中的数字信号处理器。
它可以实现信号的频率和相位同步，对于数字通信系统中的时钟恢复、频率合成、信号解调等功能起着至关重要的作用。
本文将介绍数字锁相环的基本原理及其在通信系统中的应用。
数字锁相环由相位比较器、数字控制振荡器（DCO）、数字滤波器和锁定检测器组成。
其中，相位比较器用于比较输入信号和反馈信号的相位差，产生一个误差信号；数字控制振荡器根据误差信号调整输出频率；数字滤波器用于滤除噪声和抖动；锁定检测器用于检测数字锁相环是否已经锁定。
数字锁相环的工作原理可以简单描述为，首先，输入信号经过频率除法器和相位频率检测器，产生一个误差信号；然后，误差信号经过数字滤波器滤除噪声，再经过数字控制振荡器产生输出信号；最后，输出信号经过反馈回到相位比较器，形成闭环控制。
在闭环控制下，数字锁相环可以实现输入信号和输出信号的频率和相位同步。
数字锁相环在通信系统中有着广泛的应用。
在数字调制解调中，数字锁相环可以实现信号的时钟恢复和频率合成，保证接收端对发送端信号的准确解调；在频率合成器中，数字锁相环可以实现高稳定性的频率合成，满足通信系统对频率精度的要求；在通信系统中，数字锁相环还可以用于时钟同步和信号重构等功能。
总之，数字锁相环作为一种重要的数字信号处理器，在通信系统中有着广泛的应用。
它通过闭环控制实现输入信号和输出信号的频率和相位同步，保证了通信系统的稳定性和可靠性。
随着通信技术的不断发展，数字锁相环的应用范围将会更加广泛，对于提高通信系统的性能起着至关重要的作用。
通过本文的介绍，相信读者对数字锁相环的原理及其在通信系统中的应用有了更深入的了解。
数字锁相环作为一种重要的数字信号处理器，其原理简单而又实用，对于提高通信系统的性能有着重要的意义。
希望本文能对读者有所帮助，谢谢阅读！。
锁相环技术原理及其应用
锁相环技术原理及其应用一、锁相环技术原理1.1 基本概念锁相环（Phase-Locked Loop，PLL）是一种调节电路，能够通过控制其输出信号相位与参考信号相位之间的差值，使输出信号频率与参考信号频率一致，并且其输出信号相位与参考信号精确同步。
锁相环可以用于频率合成、时钟恢复、数字信号处理、射频通信等领域。
1.2 工作原理锁相环主要由相位比较器、低通滤波器、时钟发生器、可变增益放大器和电压控制振荡器等组成。
其中，相位比较器的作用是将参考信号和反馈信号进行比较，然后得到相位误差信号。
低通滤波器的作用是将相位误差信号进行平滑处理，得到直流误差信号。
时钟发生器的作用是产生参考信号。
可变增益放大器的作用是将误差信号放大后作为电压控制振荡器的控制电压。
电压控制振荡器的作用是产生锁相环输出信号，并且通过调节电压来控制输出信号的频率和相位。
1.3 稳定性分析锁相环的稳定性与参考信号的稳定性和相位比较器的带宽以及低通滤波器的截止频率等因素有关。
稳定性分析主要是评估锁相环输出信号的频率精度和相位噪声。
二、锁相环技术应用2.1 频率合成频率合成是利用锁相环技术将一个较低频率信号转换为高频率信号。
其中，参考信号是一个较低频率信号，产生参考信号的时钟发生器经过倍频器将参考信号的频率增加到所需的合成频率，然后经过相位比较器和滤波器控制电压控制振荡器的输出频率。
频率合成广泛应用于通信、广播、雷达、卫星导航等领域。
2.2 时钟恢复时钟恢复是一种将时钟信号从数据信号中恢复出来的技术。
锁相环可以通过将数据信号作为反馈信号，将时钟信号从数据信号中恢复出来。
时钟恢复广泛应用于数字通信和数字音频领域。
2.3 数字信号处理锁相环可以通过将输入信号与锁相环输出信号相比较，将输入信号变换的频率和相位误差降到很小，从而使输入信号的相位和频率与输入信号一致。
锁相环广泛应用于数字信号处理，例如数字滤波器、数字混频器、数字降噪器等。
2.4 射频通信锁相环在射频通信中的应用非常广泛，主要用于频率合成、时钟恢复等领域。
锁相环简介
锁相环的原理、电路构成及其在电路设计中作用锁相：相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环，简称PLL（Phase Locked Loop）。
它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域。
构成：锁相环通常由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成。
锁相环可以分为模拟锁相环和数字锁相环。
在电路设计中的作用：自动完成两个电信号的相位的同步。
锁相环:为无线电发射中使频率较为稳定的一种方法,主要有VCO(压控振荡器)和PLL IC（机电自动化控制系统）,压控振荡器给出一个信号,一部分作为输出,另一部分通过分频与PLL IC所产生的本振信号作相位比较,为了保持频率不变,就要求相位差不发生改变,如果有相位差的变化,则PLL IC的电压输出端的电压发生变化,去控制VCO,直到相位差恢复,达到锁频的目的。
它是能使受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定关系的闭环电子电路。
鉴相器（又称相位比较器）用来鉴别输入信号Ui与输出信号Uo之间的相位差，并输出误差电压Ud 。
Ud 中的噪声和干扰成分被低通性质的环路滤波器滤除，形成压控振荡器的控制电压Uc。
Uc作用于压控振荡器的结果是把它的输出振荡频率f拉向环路输入信号频率fi，当二者相等时，环路被锁定，称为入锁。
维持锁定的直流控制电压由鉴相器提供，因此鉴相器的两个输入信号间留有一定的相位差。
环路滤波器它是滤波器中的一种类型，因为这种滤波器使用在环路中，因此得名环路滤波器，它是PLL(锁相环)电路中的重要组成部分，具有低通性质，滤除Ud 中的噪声和干扰成分。
压控振荡器指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路(VCO)，频率是输入信号电压的函数的振荡器VCO，振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器。
在锁相环环路中，输入控制电压是误差信号电压，压控振荡器是环路中的一个受控部件。
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锁相环的组成和原理及应用
一.锁相环的基本组成
许多电子设备要正常工作，通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步，利用锁相环路就可以实现这个目的。
锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环(PLL)。
锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。
因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。
锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。
锁相环通常由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)三部分组成，锁相环组成的原理框图如图8-4-1所示。
锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成uD(t)电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压uC(t)，对振荡器输出信号的频率实施控制。
二.锁相环的工作原理
锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成，利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图8-4-2所示。
鉴相器的工作原理是：设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为：
(8-4-1)
(8-4-2)
式中的ω0为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为电路的固有振荡角频率。
则模拟乘法器的输出电压uD为：
用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压uC(t)。
即uC(t)为：
(8-4-3)
式中的ωi为输入信号的瞬时振荡角频率，θi(t)和θO(t)分别为输入信号和输出信号的瞬时位相，根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为：
即
(8-4-4)
则，瞬时相位差θd为
(8-4-5)
对两边求微分，可得频差的关系式为
(8-4-6)
上式等于零，说明锁相环进入相位锁定的状态，此时输出和输入信号的频率和相位保持恒定不变的状态，uc(t)为恒定值。
当上式不等于零时，说明锁相环的相位还未锁定，输入信号和输出信号的频率不等，uc(t)随时间而变。
因压控振荡器的压控特性如图8-4-3所示，该特性说明压控振荡器的振荡频率ωu以ω0为中心，随输入信号电压uc(t)的变化而变化。
该特性的表达式为
(8-4-6)
上式说明当uc(t)随时间而变时，压控振荡器的振荡频率ωu也随时间而变，锁相环进入“频率牵引”，自动跟踪捕捉输入信号的频率，使锁相环进入锁定的状态，并保持ω0=ωi的状态不变。
三、锁相环的应用
3.1.锁相环在调制和解调中的应用
(1)调制和解调的概念
为了实现信息的远距离传输，在发信端通常采用调制的方法对信号进行调制，收信端接收到信号后必须进行解调才能恢复原信号。
所谓的调制就是用携带信息的输入信号ui来控制载波信号uC的参数，使载波信号的某一个参数随输入信号的变化而变化。
载波信号的参数有幅度、频率和位相，所以，调制有调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)三种。
调幅波的特点是频率与载波信号的频率相等，幅度随输入信号幅度的变化而变化;调 频波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，频率随输入信号幅度的变化而变化;调相波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，相位随输入信号幅度的变化而变化。
调 幅波和调频波的示意图如图8-4-4所示。
上图的(a)是输入信号，又称为调制信号;图(b)是载波信号，图(c)是调幅波和调频波信号。
解调是调制的逆过程，它可将调制波uO还原成原信号ui。
3.2.锁相环在调频和解调电路中的应用
调频波的特点是频率随调制信号幅度的变化而变化。
由8-4-6式可知，压控振荡 器的振荡频率取决于输入电压的幅度。
当载波信号的频率与锁相环的固有振荡频率ω0相等时，压控振荡器输出信号的频率将保持ω0不变。
若压控振荡器的输入信 号除了有锁相环低通滤波器输出的信号uc外，还有调制信号ui，则压控振荡器输出信号的频率就是以ω0为中心，随调制信号幅度的变化而变化的调频波信号。
由此可得调频电路可利用锁相环来组成，由锁相环组成的调频电路组成框图如图8-4-5所示。
根据锁相环的工作原理和调频波的特点可得解调电路组成框图如图8-4-6所示。
3.3.锁相环在频率合成电路中的应用
在现代电子技术中，为了得到高精度的振荡频率，通常采用石英晶体振荡器。
但石英晶体振荡器的频率不容易改变，利用锁相环、倍频、分频等频率合成技术，可以获得多频率、高稳定的振荡信号输出。
输出信号频率比晶振信号频率大的称为锁相倍频器电路;输出信号频率比晶振信号频率小的称为锁相分频器电路。
锁相倍频和锁相分频电路的组成框图如图8-4-7所示。