锁相环路的特性及其应用
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。
什么是锁相环电路？
什么是锁相环电路？一、锁相环电路的定义及原理锁相环电路是一种电子电路系统，通过不断调整输入信号与参考信号之间的差异，使得输出信号与参考信号同步的技术。
锁相环电路一般由相位检测器、低通滤波器、控制环节和输出环节组成。
其原理是利用反馈控制的方式，使得输出信号的相位与参考信号的相位保持一致。
锁相环电路在通信领域、测量仪器、音频处理等方面有着广泛的应用。
它能够消除信号传输过程中的相位误差，提高信号的稳定性和准确性。
二、锁相环电路的工作原理1. 相位检测器相位检测器是锁相环电路的核心部件之一，其作用是检测输入信号与参考信号之间的差异，并将差异信号转化为控制电压。
常见的相位检测器有边沿触发器、比较器和专用的数字相位检测器。
（1）边沿触发器：边沿触发器是一种简单实用的相位检测器，通过比较输入信号与参考信号的边沿差异来实现相位检测。
（2）比较器：比较器通过比较输入信号与参考信号的幅值大小来实现相位检测。
比较器常用于高频应用中。
（3）数字相位检测器：数字相位检测器通过将输入信号与参考信号转化为数字信号，并利用计算机算法来实现相位检测。
它具有高精度和稳定性的特点。
2. 低通滤波器低通滤波器用于消除相位检测器输出中的高频噪声，提取出有效的控制信号。
低通滤波器常用于锁相环电路的控制环节。
3. 控制环节控制环节通过获取低通滤波器输出的控制信号，并根据差异信号进行调节，使得输出信号的相位逐渐趋于参考信号的相位。
常用的控制方式有比例控制、积分控制和微分控制。
4. 输出环节输出环节将锁相环电路的输出信号转化为所需的形式，如模拟信号、脉冲信号或数字信号。
输出环节的设计对于锁相环电路的应用至关重要。
三、锁相环电路的应用1. 通信领域锁相环电路在通信领域中被广泛应用于时钟恢复、频率合成、时基稳定性控制以及数据调整等技术。
它可以提高通信系统的抗干扰能力和信号质量，保证数据的可靠传输。
2. 测量仪器锁相环电路在测量仪器中的应用主要体现在频率测量、相位测量和时间测量等方面。
简述锁相环的作用
简述锁相环的作用
锁相环是一种用于电子设备和信号处理系统中的一种电路元件，
它具有抗干扰性能好、稳定性强、可靠性高等特点。
它的主要用途是
用于精确检测和跟踪信号的振幅变化和相位变化，以及用于精确的时
间同步控制。
锁相环的工作原理是，当信号的频率与设定的基准频率接近时，
锁相环就会把信号的频率锁定到设定的基准频率上。
为了使得锁相环
的效果更好，通常采用比较器来检测和比较信号的振幅和相位变化，
然后产生控制信号，以保持信号的频率与设定的基准频率保持一致。
锁相环也可以用于正弦波的形成和调制等操作，其关键在于检测
和比较信号的振幅和相位的变化，然后根据变化的情况产生控制信号。
此外，锁相环还可以用于执行电力系统间的精确时间同步控制，使得
电网系统中的发电机组能够实现准确的同步。
总之，锁相环是电子设备和信号处理系统中不可缺少的电路元件，它的作用在于检测和跟踪信号的振幅和相位变化，以及实现精确时间
同步控制等应用，为电子设备和信号处理系统的正确运行提供了强有
力的技术支撑。
锁相环的应用
oscillator
PD
调制信号uF(t)/uF(t)
FM/PM信号
LF
VCO
合理设计使得PLL工作在载波跟踪状态下， 环路输出信号的载波频率跟踪晶体振荡器的变 化，可提供高稳定度的载波信号；调制信号控 制VCO的瞬时输出频率，以实现FM或PM调制。
根据实现框图可推出调制信号uF(t)与输出相位 θ2之间的关系满足：
3.有源比例积分Filter
R2 C
I1
R1
I2
-A
ui
ua
uo
F(jΩ)=(1+jΩτ )/jΩτ 2
1Hale Waihona Puke τ=1 (R+AR
1
+R
) C τ =R C
12
2
2
幅频特性 相频特性
|F(jΩ)| =
22
1+Ωτ 2 Ωτ
1
Φ(jΩ) = arctgΩτ –π/2 2
高增益的有源比例积分滤波器又称为理想积分滤波器。
PLL包括： 1. PD： Phase Detector 2. LF： Loop Filter 3. VCO： Voltage Controlled
Oscillator 受控对象
控制器
基本构成如下图:
PD
LF
VCO
H(P)=1
1. 鉴相器 PD 输出的误差信号
即：
是相差θe(t)的函数，
正弦鉴相器用模拟相乘器与低通滤波器的 串接作为模型。
3. 解调器的实现 由前分析可知，当环路工作于调制跟踪状态
时，PLL就是一个FM解调器，其中VCO的输出是 已调信号，则其控制信号为调制信号。
(1)当输入信号为FM信号时： 令信号载频ωc等于VCO自由振荡频率ωo， 则输入信号的瞬时频率：
锁相环pll原理与应用
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目 录
• 锁相环PLL的基本原理 • 锁相环PLL的种类与特性 • 锁相环PLL的应用 • 锁相环PLL的发展趋势与挑战 • 锁相环PLL的设计与实现
01
锁相环PLL的基本原理
PLL的基本结构
鉴相器（PD）
用于比较输入信号和反馈信号的相位 差。
压控振荡器（VCO）
相位同步
锁相环PLL用于电力系统的相位同步，确保不同电源之间的相位一 致，提高电力系统的稳定性。
频率跟踪
锁相环PLL用于电力系统的频率跟踪，实时监测电网频率变化，确 保电力系统的正常运行。
故障定位
通过分析电网信号的相位和频率变化，结合锁相环PLL实现电力故 障的快速定位和排查。
其他领域的应用
电子测量
PLL的发展趋势
高速化
随着通信技术的发展， 对信号的传输速率要求 越来越高，锁相环PLL 的频率合成速度和跟踪
速度也在不断加快。
数字化
随着数字信号处理技术 的进步，越来越多的锁 相环PLL开始采用数字 控制方式，提高了系统 的稳定性和灵活性。
集成化
为了减小电路体积和降 低成本，锁相环PLL的 集成化程度越来越高， 越来越多的功能被集成
软件PLL具有灵活性高、可重 构性好等优点，但同时也存在 计算量大、实时性差等缺点。
各种PLL的优缺点比较
1 2
3
模拟PLL
优点是响应速度快、跟踪性能好；缺点是元件参数漂移、温 度稳定性差。
数字PLL
优点是精度高、稳定性好、易于集成；缺点是响应速度慢、 跟踪性能较差。
软件PLL
优点是灵活性高、可重构性好；缺点是计算量大、实时性差 。
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
锁相环原理及应用PLL
锁相环原理及应用PLL（Phaze Locked Loop）锁相环自1932年问世以来，其应用领域遍及频率相位跟踪控制的各个领域，如通信、雷达、航天、测量、电视、控制等。
随着集成技术的发展，其应用的重要性已成为从事检测、通信、控制工作人员非常重要的应用工具手段，成为电子设备中常用的一种基本部件。
鉴于上述情况，非常有必要学习和掌握这门技术。
它是什么器件有如此大的威力呢？锁相环：是一个闭环的相位控制系统，它跟踪输入信号的相位，并自动锁定。
实现对输入信号频率和相位的自动跟踪。
它跟踪固定频率的输入信号时无频差，跟踪信号的相位时（锁相控制）精度很高；跟踪信号的频率变化的输入信号时（收音机）精度也很高。
它对输入信号恰似一个窄带跟踪滤波器，能够跟踪淹没在噪声之中的微弱信号。
鉴于上述种种独特功能，它在电子设备中越来越广泛地被采用。
它的窄带跟踪滤波和低门限特性，使它成为从噪声中检测调频调相合调幅信号的最佳方法之一。
§1 锁相环工作原理一、组成：锁相环由三个基本部件组成：鉴相器（PD）、低通滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）构成。
与相敏检测器的不同之处在于参考信号由输出的信号闭环形成。
1.鉴相器：是一个相位比较环节，它把输入信号与压控振荡器输出信号的相位进行比较，产生对应两信号相位差的误差电压。
是两信号相位差鉴相器特性可以是多种多样的，有正弦形、方波、三角形、锯齿形特性。
它的电路有各种形式，主要有两类：1）相乘器电路2）序列电路：它的输出电压是输入信号过零点与反馈电压过零点之间时间差的函数。
这类鉴相器的输出只与波形的边沿有关，适用于方波，通常用电路构成。
2.低通滤波器（环路）：具有低通特性，滤除中的变频成分和噪声，以保证环路要求的性能，增加环路的稳定性，产生对应的一个直流控制电压。
常用的环路滤波器有：RC积分滤波器、无源比例积分滤波器和有源比较积分滤波器3.VCO（Voltage Controlled Oscillator）：它是一个电压—频率转换器，由控制产生相应频率，使其频率朝着输入信号的频率靠拢，由于相位负反馈的作用直至消除频差实现环路锁定。
锁相环原理及应用
锁相电路（PLL）及其应用自动相位控制（APC）电路，也称为锁相环路（PLL），它能使受控振荡器的频率和相位均与输入参考信号保持同步，称为相位锁定，简称锁相。
它是一个以相位误差为控制对象的反馈控制系统，是将参考信号与受控振荡器输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整受控振荡器输出信号的相位，从而使受控振荡器输出频率与参考信号频率相一致。
在两者频率相同而相位并不完全相同的情况下，两个信号之间的相位差能稳定在一个很小的范围内。
目前，锁相环路在滤波、频率综合、调制与解调、信号检测等许多技术领域获得了广泛的应用，在模拟与数字通信系统中已成为不可缺少的基本部件。
一、锁相环路的基本工作原理1．锁相环路的基本组成锁相环路主要由鉴频器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分所组成，其基本组成框图如图3-5-16所示。
图1 锁相环路的基本组成框图将图3-5-16的锁相环路与图1的自动频率控制（AFC）电路相比较，可以看出两种反馈控制的结构基本相似，它们都有低通滤波器和压控振荡器，而两者之间不同之处在于：在AFC环路中，用鉴频器作为比较部件，直接利用参考信号的频率与输出信号频率的频率误差获取控制电压实现控制。
因此，AFC系统中必定存在频率差值，没有频率差值就失去了控制信号。
所以AFC系统是一个有频差系统，剩余频差的大小取决于AFC系统的性能。
在锁相环路（PLL）系统中，用鉴相器作为比较部件，用输出信号与基准信号两者的相位进行比较。
当两者的频率相同、相位不同时，鉴相器将输出误差信号，经环路滤波器输出控制信号去控制VCO ，使其输出信号的频率与参考信号一致，而相位则相差一个预定值。
因此，锁相环路是一个无频差系统，能使VCO 的频率与基准频率完全相等，但二者间存在恒定相位差（稳态相位差），此稳态相位差经鉴相器转变为直流误差信号，通过低通滤波器去控制VCO ，使0f 与r f 同步。
2．锁相环路的捕捉与跟踪过程当锁相环路刚开始工作时，其起始时一般都处于失锁状态，由于输入到鉴相器的二路信号之间存在着相位差，鉴相器将输出误差电压来改变压控振荡器的振荡频率，使之与基准信号相一致。
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锁相环路的特性及其应用
锁相环路(Phase Lock Loop，PLL)是一种自动相位控制(APC)系统，是现代电子系统中应用广泛的一个基本部件。
它的基本作用是在环路中产生一个振荡信号(有时也称本地振荡)，这个信号的频率受控制电压的作用，当环路锁定时，振荡信号的输出频率与输入信号的频率完全相等，两个信号的相位差保持恒定。
实现了无频率误差的信号跟踪，合理地选择PLL的直流增益、振荡频率和相应带宽可有效地改善环路性能，达到理想的效果。
l 锁相环路的组成与特性 1.1 锁相环路的组成锁相环路由3部分组成：鉴相器PD(Phase Detector)、环路滤波器LF(Loop Fillter)和压控振荡器VCO(Voltage-Controlled Oscillator)。
组成框图：
鉴相器PD 通常鉴相器由模拟相乘器和低通滤波器组成；作用是将输入信号的相位与VCO 的输出信号相位进行比较，并比较结果转化为误差电压Ud(t)；该电压是两个信号相位差的函数。
环路滤波器LF 是低通滤波器，作用是滤除误差电压Ud(t)中的高频分量后得到控制电压Uc(t)，并加给压控振荡器。
压控振荡器VCO 通常由变容" target="_blank">变容二极管和电抗管等组成振荡电路；VCO的输出频率受Uc(t)的控制。
当输入信号和输出信号频率相同相差恒定时，鉴相器输出中的低频分量为零，环路滤波器的输出也为零，压控振荡器的振荡频率不发生变化。
如果二者的频率不一致，则鉴相器将产生低频分量，并通过环路滤波器使压空振荡器的频率发生变化。
环路设计得恰当，这种变化将不断使输出信号的频率与输入信号的频率趋于一致，最终二者频率相等相位差恒定，Ud(t)，Uc(t)均为直流电压，VCO的输出频率将停止变化，环路处于“锁定”状态。
当输入信号的频率发生变化时(VCO的控制范围)，VCO的输出就能跟上这个变化，实施跟踪和捕捉的过程，达到频率相等的要求。
1.2 锁相环路的基本特性正常工作时锁相环路具有以下基本特性：(1)良好的窄带特性：当环路处于锁定状态时，鉴相器输出的误差电压Ud(t)是一个能顺利通过环路滤波器的直流电压，如果此时输入信号中有干扰成分，则干扰信号与VCO的输出信号在鉴相器PD中比较所形成的误差电压受到环路滤波器的抑制(处于低通的通频带外)，于是VCO的输出信号中的干扰成分大为减少，此时环路相当于一个滤除噪声的高频窄带滤波器，其通频带可以做得很窄，如在几十兆赫兹至几百兆赫兹的中心频率上实现几赫兹至几十赫兹的窄带滤波。
这种窄带滤波特性是LC，RC、石英晶体等滤波器很难达到的。
(2)锁定后没有频差：在环路处于锁定状态时，环路的输出信号和输入信号的频率相等，没有剩余频差，只有剩余相位差。
它比AFC系统更好地实现了频率控制，因而在自动频率控制、频率合等技术方面获得了广泛的应用。
(3)自动跟踪特性：一个已经处于锁定状态的环路，当输入信号的频率稍有变化时，VCO的频率立即发生相应的变化，使输出频率与输入频率接近并最终达到相等。
有时环路虽未达到锁定状态，经过自身的调节作用可以捕捉到输入信号并最终锁定。
(4)易于集成化：组成锁相环路的基本部件都易于采用集成电路，随着集成技术的发展，整个环路包括一些放大元件、控制元件等均可集成在1块芯片上，目前常用的主要有L562，L565，L564，CD4046等集成锁相环。
集成化可以减小设备体积、降低成本、提高设备的可靠性和稳定性，大大提高整机性能。
2 锁相环路的应用由于锁相环路性能优越，现广泛用于无线电通信技术中，可实现滤波、模拟和数字信号的调制与解调、倍频、分频、混频、频率合成等方面。
2.1 锁相倍频、分频和混频在基本锁相环路中，若将VCO的振荡频率锁定在所需要的频率上，就可进行倍频、分频和混频。
(1)倍频：在反馈环路中接入一分频器，当环路处于锁定状态时，ωi=ωo／n，输出的频率ωo=nωi 为输入信号频率的n倍。
(2)分频：同理要在反馈环路中接入一倍频器，当环路处于锁定状态时，ωi=nωo，ωo=ωi／n，VCO输出的频率为输入频率的1／n。
(3)混频：在反馈环路中加入混频器或中频放大器，就可实现混频功能。
当环路处于锁定状态时ωi=ωo-ωL，ωo=ωL+ωi。
2.2 锁相调频与鉴频(1)调频用锁相环路调频，能够得到中心频率高度稳定的调频信号。
锁相环路的VCO中心频率稳定在晶振频率上，同时调制信号也加到VCO上，从而实现频率调制获得所需的调频信号。
调制信号的频谱应处于LF的带通之外，并且调频系数不能太大，因此不形成调制信号的环路，锁相环路仅是载波的跟踪环，调制频率对锁相环路无影响，只对VCO的中心频率不稳定起作用。
这样锁定后VCO的中心频率就锁定在晶振频率上，输出的调频波中心频率稳定度很高。
克服了直接调频中心频率稳定度不高的缺点。
(2)鉴频根据锁相环路的频率跟踪特性，在系统处于调频跟踪状态时，可用于调频信号的解调，其框图。
若输入为调频波，且其最大瞬时频率满足跟踪条件，则当输入调频波的频率发生变化时，经过PD和LF后，将产生一个与输入信号频率变化规律相对应的控制电压，以保证VCO的输出频率与输入频率相同，经环路滤波输出的控制电压就是解调信号。
2.3 调幅波的同步解调对于DSB和SSB调幅信号进行解调时，必须使用同步检波，即保证本振产生的载波信号与调幅信号中的载波信号同频同相，此外在数字通信中还有位同步、帧同步、网同步等，可见同步信号的产生非常重要。
利用滤波法、导频法、重生法所产生的本振信号很难做到与载波信号同频同相。
而利用载波跟踪型的锁相环路就能得到这样的信号，再将其移相90°与输入的调幅信号相乘，通过低通滤波就可解调出调制信号。
2.4 锁相接收机锁相接收机实质是一个窄带跟踪锁相环路，其框图。
对于一般的超外差接收机，当接收机的信号载波频率不稳定，而本振频率又不能自动跟踪时，必将引起混频器输出的中频信号频率的变动，为了适应这种变化，中频放大器的频带应有一定的带宽。
对在空间技术中应用的通信机，这个问题就更显得突出，当地面接收站接收卫星发送到无线电信号时，由于卫星离地距离远，再加上卫星发射功率小，天线在增益低，地面接收站收到的信号是极微弱的。
卫星环绕地球飞行时，由于多普勒效应，地面接收站收到的信号频率将偏离卫星发射的信号频率，并且其值往往在较大范围内变化。
对于这种中心频率在较大范围内变化的微弱信号若采用普通接收机，势必要求有足够的带宽，这样接收机的输出信噪比将严重下降，无法有效地检出信号，若采用锁相接收机，利用环路的窄带跟踪特性，就可有效地提高输出信噪比，获得满意的接收效果。
2.5 频率合成无线电通信技术的迅速发展，对振荡信号源的要求在不断提高，不但要求它的频率稳定度的准确高度，而且要求能方便地改换频率，频率合成技术就能满足上述要求。
在锁相环路的鉴相器中进行相位比较的2个频率应该相等，而参考晶振频率是固定值，而频率合成器所需输出的频率(即VCO的频率)则是多个数值。
为了使这二者的频率在鉴相器处相等，以便比较它的相位，可采用脉冲控制锁相法、模拟锁相环路法与数字锁相环路法。
脉冲锁相法是利用参考晶振频率的某次谐波(通过脉冲形成电路来获得)与VCO输出频率在鉴相器中比较。
模拟锁相环路法与数字锁相环路法则是利用适当的降频电路将VCO的频率降低(PD工作于较低的频率)，然后与参考频率在鉴相器中相比较，实现锁相功能。
二者的区别在于二者的降频方式不同，模拟式采用加减法降频，数字式采用除法降频。
锁相环路的应用不仅如此，
还有可以解决专门问题锁相环，如彩电电视彩色副载波的提取，振荡器的频率稳定与提能，相关应答器等，在电子设备，无线电通信，航空航天，雷达等领域被广泛采用。