锁相环的组成和工作原理
锁相环工作原理
锁相环工作原理锁相环（Phase-LockedLoop，PLL）是一种电子电路，属于信号处理类的重要组件，专门被设计用于调整输入信号的频率，使之与一个外部的参考信号的频率保持相同，从而产生一个新的输出信号。
锁相环的工作原理主要是由一个锁相检测电路，一个比较器，一个控制电路或控制器，一个调节的滤波器及一个有效负载组成。
锁相环的核心电路是锁相检测电路，它的工作原理是把外界输入的电压或电流信号，通过一个高斯滤波器，将外部信号经过处理、加工后，作为一个模拟电压信号输入进入PLL锁相电路中。
输入信号经过PLL电路处理后，会形成一个反应特性曲线。
曲线的宽度由输入的电压、放大器的电压增益、滤波器的带宽及电路中元件的参数决定。
PLL电路收集到的输入信号，会经过处理，产生一个模拟电压信号表示接收到的信号的频率，然后再将这个模拟电压信号作为一个调整信号输入到比较器中。
比较器（当中包含有一个可调电容），其功能是比较内部发出的参考信号（也可以来源于外部输入的参考信号）和输入的调节信号，根据比较的结果，来改变可调电容的电容大小。
当外部输入的信号频率比内部参考信号频率高时，比较器就会控制电容减小，使内部参考信号的频率增大；反之，外部输入的信号频率比内部参考信号频率低时，比较器就会控制电容增大，使内部参考信号的频率减小。
控制电路的作用是，将比较器的信号处理成一个调节变量，也就是理解成一个调节信号，来控制把放大电路的电路中的可调电阻的阻值，以使得内部发出的参考信号的频率最终跟外界输入的信号频率相等，从而形成一个新的调整信号。
有效负载，也就是把可调电阻和把放大器及相关电路组合在一起，把这种调节信号处理成一个具有适当频率的新的输出信号。
锁相环的调节频率可以根据原始输入信号的变化而动态变化，从而把原始输入信号的频率调成最接近参考信号的频率。
锁相环可以应用在不同的领域，例如：收音机、电视机、高频放大器、空间定位系统以及微波技术等等。
例如：收音机中采用锁相环电路作为一个调谐电路，用于把一个发射信号的频率调节成接收设备能够接收到的频率；然而电视机中，采用锁相环电路作为一个同步电路，调节接收端的输出信号的同步信息，以保证电视的看过顺畅；高频放大器中，采用锁相环电路调节放大电路的频率；空间定位系统中，采用锁相环电路的调节定位信号的时间差，来实现定位，而微波技术中，采用锁相环电路调整定时信号的频率，从而实现微波用户定位和信息传输等相关功能。
锁相环的原理
锁相环的原理
锁相环，是一种广泛应用于电子和通信领域的控制系统。
它可以将信号的相位和频率锁定到参考信号上，从而实现相位同步和频率稳定的目的。
锁相环的原理类似于我们平时听到的“同步”，即通过调整自身的状态来与外界同步。
锁相环的主要组成部分包括相位检测器、低通滤波器、控制电压源和振荡器。
其中，相位检测器用于比较参考信号和反馈信号的相位差，低通滤波器用于滤除高频噪声，控制电压源用于调整振荡器的频率，振荡器则为系统提供时钟信号。
锁相环的工作原理可以分为两个阶段：捕获和跟踪。
在捕获阶段，锁相环通过调整振荡器的频率，将反馈信号的相位与参考信号的相位锁定在一起。
一旦锁定成功，系统就进入了跟踪阶段，此时锁相环会持续地调整振荡器的频率，以保证反馈信号与参考信号的相位一直保持锁定状态。
锁相环的应用非常广泛，例如在数字通信中，锁相环可以用来提高时钟信号的精度和稳定性，从而提高数据传输的可靠性和速度；在音频处理中，锁相环可以用来消除信号中的相位畸变，提高音质；在雷达系统中，锁相环可以用来精确地测量目标的距离和速度等信息。
锁相环作为一种有效的控制系统，具有广泛的应用前景。
随着技术
的不断进步，锁相环的性能和功能也将不断得到提升，为人们的生活和工作带来更多的便利和效益。
锁相环的组成和原理及应用
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。
(完整版)锁相环工作原理
基本组成和锁相环电路1、频率合成器电路频率合成器组成：频率合成器电路为本机收发电路的频率源，产生接收第一本机信号源和发射电路的发射信号源，发射信号源主要由锁相环和VCO电路直接产生。
如图3-4所示。
在现在的移动通信终端中，用于射频前端上下变频的本振源（LO），在射频电路中起着非常重要的作用。
本振源通常是由锁相环电路（Phase-Locked Loop）来实现。
2.锁相环：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3.锁相环基本原理：锁相环包含三个主要的部分:⑴鉴相器(或相位比较器,记为PD或PC):是完成相位比较的单元,用来比较输入信号和基准信号的之间的相位.它的输出电压正比于两个输入信号之相位差.⑵低通滤波器(LPF):是个线性电路,其作用是滤除鉴相器输出电压中的高频分量,起平滑滤波的作用.通常由电阻、电容或电感等组成，有时也包含运算放大器。
⑶压控振荡器（VCO）：振荡频率受控制电压控制的振荡器，而振荡频率与控制电压之间成线性关系。
在PLL中，压控振荡器实际上是把控制电压转换为相位。
1、压控振荡器的输出经过采集并分频；2、和基准信号同时输入鉴相器；3、鉴相器通过比较上述两个信号的频率差，然后输出一个直流脉冲电压；4、控制VCO，使它的频率改变；5、这样经过一个很短的时间，VCO 的输出就会稳定于某一期望值。
锁相环电路是一种相位负反馈系统。
一个完整的锁相环电路是由晶振、鉴相器、R分频器、N分频器、压控振荡器（VCO）、低通滤波器（LFP）构成，并留有数据控制接口。
锁相环电路的工作原理是：在控制接口对R分频器和N分频器完成参数配置后。
晶振产生的参考频率（Fref）经R分频后输入到鉴相器，同时VCO的输出频率（Fout）也经N分频后输入到鉴相器，鉴相器对这两个信号进行相位比较，将比较的相位差以电压或电流的方式输出，并通过LFP滤波，加到VCO的调制端，从而控制VCO的输出频率，使鉴相器两输入端的输入频率相等。
锁相环频率合成器
锁相环频率合成器锁相环频率合成器是一种电路，主要用于产生高精度、稳定的频率信号。
它的工作原理是将一个参考信号与一个可调节的振荡器信号进行比较，通过调节振荡器信号的频率和相位，使得两个信号保持同步，从而实现对输出频率的控制。
锁相环频率合成器广泛应用于通讯、雷达、测量等领域。
一、锁相环基本结构锁相环主要由三个部分组成：相位检测器（Phase Detector）、低通滤波器（Low Pass Filter）和电压控制振荡器（Voltage Controlled Oscillator）。
1. 相位检测器相位检测器主要用于比较参考信号与振荡器信号之间的相位差。
常见的有两种类型：同步检测器和非同步检测器。
同步检测器适用于参考信号和振荡器信号具有固定的相位关系时，而非同步检测器则适用于相位关系不确定或者变化较快的情况。
2. 低通滤波器低通滤波器主要用于平滑输出电压，并消除高频噪声干扰。
它的作用是将相位检测器输出的误差信号进行滤波，得到一个直流电压信号，这个信号被用来控制振荡器的频率和相位。
3. 电压控制振荡器电压控制振荡器（VCO）是锁相环频率合成器中最重要的部分之一。
它可以产生可调节的频率信号，并且可以通过调节输入电压来改变输出频率。
VCO通常由一个反馈环路组成，其中参考信号和VCO输出信号经过比较后产生误差信号，通过低通滤波器后输入到VCO中，从而实现对输出频率的控制。
二、锁相环工作原理锁相环工作原理可以用以下几个步骤来描述：1. 参考信号与振荡器信号进行比较，产生误差信号；2. 误差信号经过低通滤波器平滑处理后输入到VCO中；3. VCO产生新的振荡器信号，并与参考信号进行比较；4. 如果两个信号之间存在相位差，则继续调整VCO输出频率和相位，直到两个信号同步为止；5. 输出的同步信号可以用于驱动其他系统或设备。
三、锁相环应用锁相环频率合成器在通讯、雷达、测量等领域有着广泛的应用。
以下是一些常见的应用场景：1. 时钟恢复在数字通信系统中，接收端需要恢复发送端的时钟信号。
第7章数字锁相环
第7章 数字锁相环
《锁相技术》
图7-11 数字环路滤波器一般形式
第7章 数字锁相环
3. 数字压控振荡器(DCO)数字压控振荡器的基本组 成如图7-13所示。它由频率稳定的信号钟、计数器与 比较器组成,其输出是一取样脉冲序列,脉冲周期受数字 环路滤波器送来的校正电压控制。前一个取样时刻的 校正电压将改变下一个取样时刻的脉冲时间的位置。 DCO在环路中又被称为本地受控时钟或本地参考时钟 信号。
第7章 数字锁相环
《锁相技术》
图7-2 触发器型鉴相器
第7章 数字锁相环
(2) 奈奎斯特速率抽样鉴相器。该型鉴相器组成如 图7-3所示。模数变换器(A/D)的抽样率按带通信号的取 样定理选择，以使取样后信号含有充分的输入信号相 位信息。
《锁相技术》
第7章 数字锁相环
《锁相技术》
图7-3 奈奎斯特速率抽样鉴相器
图7-15 超前—滞后数字锁相环基本组成 《锁相技术》
第7章 数字锁相环
一、电路组成与说明 电路实例是数字通信中常用的一种简单的超前—滞 后位同步环路,未用序列滤波器,电路组成如图7-16所示。
《锁相技术》
第7章 数字锁相环
《锁相技术》
图7-16 位同步数字环组成电路
第7章 数字锁相环
二、环路位同步原理 图7-18为图7-16方案内各点的波形图,这里为分析 简便,以均匀变换的数字脉冲序列作为输入信号,它与随 机的数字脉冲序列作用下环路取得位同步的原理是一 样的。
《锁相技术》
第7章 数字锁相环
《锁相技术》
图7-7 简单二元鉴相器
第7章 数字锁相环
图 7-8 上 的 中 相 积 分 — 抽 样 — 清 除 电 路 是 用 来 判 断 DCO输出与码元转换边沿之间相位关系的。例如,中相 积分区间跨在从正到负的两个码元之间,而积分结果为 正,说明DCO时钟超前;积分结果为负,说明DCO时钟滞 后;积分结果为零,相位准确对准。
锁相环的关键指标
锁相环的关键指标一、引言锁相环（Phase-Locked Loop，简称PLL）是一种常用的电子控制系统，用于在输入信号和参考信号之间建立相位关系。
它在通信、数据转换和时钟同步等领域有着广泛的应用。
在设计和评估锁相环时，需要考虑一些关键指标，以确保其性能和稳定性。
本文将就锁相环的关键指标展开讨论。
二、锁相环的基本原理在了解锁相环的关键指标之前，我们先来简要了解一下锁相环的基本原理。
锁相环由相位比较器、低通滤波器、电压控制振荡器和分频器等组成。
其工作原理是通过不断调整电压控制振荡器的频率，使得相位比较器输出的误差信号趋近于零。
这样，输入信号和参考信号之间就能够建立起稳定的相位关系。
三、锁相环的关键指标锁相环的性能和稳定性受多个指标的影响。
下面将分别介绍这些指标。
3.1 带宽锁相环的带宽是指其输出相位响应的频率范围。
带宽越宽，锁相环对频率变化的响应越快。
通常情况下，带宽越宽，锁相环的性能越好。
但同时也需要考虑到带宽过宽可能导致噪声增加和稳定性下降的问题。
3.2 相位噪声相位噪声是指锁相环输出信号的相位随时间变化的不稳定性。
相位噪声越小，锁相环的性能越好。
相位噪声可以通过频域分析来评估，常用的评估指标包括相位噪声密度和积分相位噪声。
3.3 锁定时间锁定时间是指锁相环从初始状态到稳定状态所需的时间。
锁定时间越短，锁相环的性能越好。
锁定时间受到带宽和相位噪声等因素的影响。
3.4 抖动抖动是指锁相环输出信号的瞬时频率偏离其平均频率的程度。
抖动越小，锁相环的性能越好。
抖动可以通过时域分析来评估，常用的评估指标包括峰峰值抖动和均方根抖动。
3.5 稳定性锁相环的稳定性是指其输出信号在长时间内保持稳定的能力。
稳定性受到带宽、相位噪声和抖动等因素的影响。
稳定性可以通过频域和时域分析来评估。
四、评估锁相环的关键指标为了评估锁相环的关键指标，可以采取以下步骤：1.设计合适的测试电路，包括输入信号源和参考信号源。
2.使用合适的测量设备，如频谱分析仪、示波器和时钟分析仪等，对锁相环的输出信号进行测量。
锁相环原理
1锁相环的基本原理1.1 锁相环的基本构成锁相环路（PLL）是一个闭环的跟踪系统，它能够跟踪输入信号的相位和频率。
确切地讲，锁相环是一个使用输出信号（由振荡器产生的）与参考信号或者输入信号在频率和相位上同步的电路。
在同步（通常称为锁定）状态，振荡器输出信号和参考信号之间的相位差为零，或者保持常数。
如果出现相位误差，一种控制机理作用到振荡器上，使得相位误差再次减小到最小。
在这样的控制系统中，实际输出信号的相位锁定到参考信号的相位，因而我们称之为锁相环。
锁相环在无线电技术的许多领域，如调制与解调、频率合成、数字同步系统等方面得到了广泛的应用，已经成为现代模拟与数字通信系统中不可缺少的基本部件。
锁相环通常由鉴相器（PD），环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三个基本部件组成。
如图1-1所示：VCOLFPD图1-1 锁相环的基本构成在PLL中，PD是一个相位比较器，比较基准信号（输入信号）（t）与输出信号（t）之间的相位偏差，并由此产生误差信号；LF是一个低通滤波器，用来滤除中的高频成分，起滤波平滑作用，以保证环路稳定和改善环路跟踪性能，最终输出控制电压；VCO是一个电压/频率变换装置，产生本地振荡频率，其振荡频率受控制，产生频率偏移，从而跟踪输入信号的频率。
整个锁相环路根据输入信号与本地振荡信号之间的相位误差对本地振荡信号的相位进行连续不断的反馈调节，从而达到使本地振荡信号相位跟踪输入信号相位的目的。
1.1.1 鉴相器鉴相器是一个相位比较器，比较两个输入信号的相位，产生误差相位，并转换为误差电压。
鉴相器有多种类型，如模拟乘法器型、取样保持型、边沿触发数字型等，其特性也可以是多种多样的，有正弦特性、三角特性、锯齿特性等，作为原理分析，通常使用正弦特性的鉴相器，理由是正弦理论比较成熟，分析简单方便，实际上各种鉴相特性当信噪比降低时，都趋向于正弦特性。
常用的正弦鉴相器可以用模拟乘法器与低通滤波器的串接作为模型，如图1-2所示。
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锁相环的组成和工作原理
时间：2011-11-23 来源：作者：
关键字：锁相环工作原理
1．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。
2．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：
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：
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：
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
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。
8．4．2锁相环的应用
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。
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．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。