锁相环集成电路原理及应用
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。
《应用于LVDS的锁相环电路研究》
《应用于LVDS的锁相环电路研究》一、引言随着现代电子技术的飞速发展，数据传输速率的要求日益提高，低电压差分信号传输（LVDS）技术因其低功耗、高速度和低噪声的特性，在高速数据传输领域得到了广泛应用。
锁相环（PLL）电路作为LVDS系统中的关键部分，其性能的优劣直接影响到整个系统的稳定性和传输质量。
因此，对应用于LVDS的锁相环电路进行研究具有重要的现实意义。
二、锁相环电路的基本原理锁相环电路是一种闭环相位控制系统，主要由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成。
其基本原理是通过鉴相器比较输入信号和压控振荡器输出的信号之间的相位差，将相位差转换为电压或电流信号，经过环路滤波器的滤波后，控制压控振荡器的频率和相位，使输出信号的相位与输入信号的相位保持一致。
三、LVDS中锁相环电路的应用在LVDS系统中，锁相环电路主要用于实现数据的同步传输。
由于LVDS采用差分信号传输方式，要求发送端和接收端之间的时钟信号必须保持严格的同步。
锁相环电路通过捕获输入信号的相位信息，将其与压控振荡器输出的信号进行比对和调整，从而保证数据的准确传输。
四、应用于LVDS的锁相环电路设计要点在应用于LVDS的锁相环电路设计中，需要注意以下几个要点：1. 输入范围和稳定性：设计时应考虑到输入信号的范围、频率波动和噪声干扰等因素，确保鉴相器能够准确捕获输入信号的相位信息。
2. 环路滤波器的设计：环路滤波器的作用是滤除鉴相器输出的高频噪声和杂散信号，为压控振荡器提供稳定的控制信号。
设计时需要考虑滤波器的带宽、阶数和稳定性等因素。
3. 压控振荡器的选择：压控振荡器的性能直接影响到锁相环电路的频率和相位调整范围。
选择时需要考虑其频率范围、相位噪声、功耗和稳定性等因素。
4. 电路布局与调试：在电路布局和调试过程中，需要考虑到电磁干扰（EMI）和电磁兼容性（EMC）等问题，确保锁相环电路的稳定性和可靠性。
五、实验结果与分析通过实验验证了应用于LVDS的锁相环电路的有效性和性能。
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。
锁相环的原理,电路构成,及其在电路设计中作用
锁相环的原理,电路构成,及其在电路设计中作用锁相环的原理，电路构成，及其在电路设计中作用锁相环鉴相器环路滤波器锁相的意义是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。
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。
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 ,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!!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。
锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成。
鉴相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（VCO）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。
锁相环最初用于改善电视接收机的行同步和帧同步，以提高抗干扰能力。
20世纪50年代后期随着空间技术的发展，锁相环用于对宇宙飞行目标的跟踪、遥测和遥控。
60年代初随着数字通信系统的发展，锁相环应用愈广，例如为相干解调提取参考载波、建立位同步等。
具有门限扩展能力的调频信号锁相鉴频器也是在60年代初发展起来的。
在电子仪器方面，锁相环在频率合成器和相位计等仪器中起了重要作用.由于锁定情形下（即完成捕捉后）,该仿制的时钟信号相对于接收到的信号中的时钟信号具有一定的相差,所以很形象地称其为锁相器。
集成电路锁相环及其应用电路设计.pptx
相位锁定。
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1
锁相环路基本组成方框图
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压控振荡器
压控振荡器是一个电压-频率变换装置,在环路
中 作 为 被 控 振 荡 器 , 它 的 振 荡 频 率 应 随 输 入 控 制 电 ωV(t)
压 Uc(t) 线 性 地 变 化 （ 在 一 定 范 围 内 ） ， 可 用 线 性
without frequency
offset）.
8
固有振荡频率f第v9与页/共R181页,C1的关系
锁相环电路的应用
倍频：
i 鉴相器
i (t )
'
y
yn
环路 滤波器
分频器
÷ｎ
压控 y
振荡器 y (t )
wi
wy n
9
wy nwi
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锁相环电பைடு நூலகம்的应用
分频：
i 鉴相器
i (t )
方程来表示
即
ωV(t)=ωV + KV Uc(t)
当Uc(t)=0时，VCO的固有振荡频率为ωV 。
ωV
Uc(t)
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锁相环路基本组成方框图
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锁相环路基本组成方框图
输入信号和输出信号的相位关系
系统的瞬时相差θe(t)=θ1(t)-θ2(t)
3
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VCO输出频率的高低由低通滤波器输出的平均电压Uc大小决定。VCO的输出 Uo接至相位比较器的一个输入端，外部输入信号Ui与来自VCO的输出信号Uo相 比较，经过相位比较器产生的误差输出电压Ud正比于Ui和Uo两个信号的相位差， 经过低通滤波器滤除高频分量后，得到一个平均值电压Uc。这个平均值电压Uc朝 着减小VCO输出频率和输入频率之差的方向变化，直至VCO输出频率和输入信
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。
锁相环原理及使用
数学模型：
环
环
路
路
滤
滤
波
波
有
有
源
源
滤
滤
波
波
典型的锁相频率源的频谱图，从图中可以看到在 环路带宽的附近有一个明显的峰起(Peaking)， 这是由传递函数的特性决定的。由相位噪声的分 析可知，在环内的相位噪声取决于参考晶振和鉴 相器，环外的相位噪声主要取决于VCO。
相噪＝ 各部分器件的相噪 传递函数
2、另外19款PLL
步进：25kHz，带宽1.5kHz，相位裕量：45°
3、ADF4154小数分频锁相源
fREF＝12.8MHz，带宽8kHz，相位裕量：45°
4、ADF4001参考时钟源 步进：40kHz，VC-TCXO10MHz
环路滤波器
• 在选定参考信号、鉴相器以及VCO 的前提下，那么环路滤波器的设计 对信号的指标就起着关键的作用。 本公司通用的环路滤波器为无源三 阶环，并在滤波器后加一个1μH的 电感以防止其它高频信号的串扰。 环路滤波器利用ADIsimPLL软件， 采用相位裕量设计法，只要给定环 路带宽和相位裕量就能设计环路滤 波器。环路带宽一般取1/10-1/20 fRES，相位裕量30º ,一般取 -60º 45º 。 需要说明的是，不应刻意拔高环路 滤波器的作用。环路带宽和相位裕 量只要在合理的范围之内，它是不 会影响锁定的，但是会对锁定时间、 相噪和杂散造成一定的影响。
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谢谢！欢迎提问。
锁相环原理及使用
• 锁相环(Phase Locked Loop，PLL)是一个 相位负反馈环路，它利用标准的参考信号， 通过改变分频比，从而可以方便地产生一 系列高质量的频率。
• 使用频率最高的一个词： 环路带宽
锁相环的基本原理和应用
锁相环的基本原理和应用1. 什么是锁相环锁相环（Phase-Locked Loop，简称PLL）是一种电路模块，其基本原理是通过对输入信号和参考信号的相位进行比较和调节，以使输出信号与参考信号保持稳定的相位差。
锁相环广泛应用于通信、测量、频率合成等领域，因其能够实现信号调频、时钟控制等功能而备受关注。
2. 锁相环的基本结构锁相环由相位比较器（Phase Comparator）、环路滤波器（Loop Filter）、振荡器（VCO）和分频器（Divider）组成。
其基本结构如下所示：•相位比较器：相位比较器用于比较输入信号和参考信号的相位差，并产生一个与相位差成正比的控制电压。
•环路滤波器：环路滤波器用于平滑相位比较器输出的控制电压，并将其转换成稳定的直流电压。
•振荡器：振荡器根据环路滤波器输出的控制电压来调节其输出频率，使其与参考信号频率保持一致。
•分频器：分频器将振荡器输出的信号进行频率分频，以产生一个与参考信号频率一致且稳定的输出信号。
3. 锁相环的工作过程锁相环的工作过程可以分为四个阶段：捕获（Capture）、跟踪（Track）、保持（Hold）和丢失（Lose）四个阶段。
•捕获阶段：在捕获阶段，锁相环通过不断调节VCO的频率，使其与参考信号频率逐渐接近，并将相位差逐渐减小。
•跟踪阶段：当锁相环的输出频率与参考信号频率相等时，进入跟踪阶段。
在该阶段，VCO的频率和相位与输入信号保持一致。
•保持阶段：在保持阶段，锁相环维持着与输入信号相同的相位和频率。
任何相位和频率的变化都会通过反馈回路进行补偿。
•丢失阶段：如果输入信号的频率超出锁相环的捕获范围，锁相环无法跟踪该信号，进入丢失阶段。
在该阶段，锁相环输出的信号频率与输入信号频率不一致。
4. 锁相环的应用锁相环在各个领域有着广泛的应用，下面列举几个常见的应用：•频率合成器：锁相环可以将稳定的参考频率合成为其他频率，广泛用于通信、雷达、测量等领域。
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●新特器件应用
锁相环集成电路 N E/ S E564 原理及应用
中船总公司 723 研究所 汪立森 丁俭
摘要 : 本文介绍锁相环集成电路 N E/ SE564 的内部结构 、引脚 、电路特性 、技术参 数 ,给出 12 倍频锁相倍频器的实用电路 。 关键词 :锁相环 锁相倍频
陈功富 、徐达山主编《新编世界集成电路 大全》 黑龙江人民出版社. 编者注 :
作者地址 :江苏省扬州市 204 信箱 邮政编码 :225001
图 2 12 倍频锁相倍频器 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
N E/ S E564 为双列直插 16 脚封装 , 按 使用温度范围不同 , 分为 N E564 和 S E564 , 其管脚定义见表 1 。图 1 为其内部等效电路 框图 。N E564/ S E564 是一个多功能 、高性 能 、可工作至 50M Hz 的锁相环电路 , 它由压
图 1 N E/ S E564 方框图
1 、概述
锁相环在频率合成技术中占有重要的地 位 ,利用锁相技术 ,可以产生高稳定度的频率 信号 ,在相位相关的脉冲宽度的测量 、信息的 远距离通讯 、调制解调等领域 ,利用单片锁相 环 ,可以在不增加成本的前提下 ,大大提高信 号质量和传输可靠性 。
N E/ S E564 单片锁相环只需 + 5V 工作 电压 , T TL 电平输入和输出 , 片内压控振荡 器最高振荡频率为 50M Hz ,片外环路增益控 制 。主要应用于高速调制解调 、F S K 接收和 发送 、频率合成 、信号发生器等场合 。
12 振荡频率设置电容引出端 13 振荡频率设置电容引出端
14 模拟输出端 (用于调解输出 )
15 延迟设置端 (设置门限值 )
16 T TL 电平输出端 (用于解调输出 )
控振荡器 (V CO) 、限幅器 、鉴相器 、二次检测 处理器组成 。
N E564/ S E564 的特性如下 : * 单 + 5V 电源 ; * 输入和输出电平与 T TL 兼容 ; * 可保证工作至 50M Hz ; * 有外部环路增益控制 。 N E564/ S E564 的应用领域 : * 高速调制解调 ; * F S K 接收机和发送器 ;
10 脚输入为 6V 功 耗 600m W 环境温度 N E564 0～70 ℃
S E564 - 55～ + 125 ℃ 振荡频率设置电容的选择 :
C = 1/ 25R F F 为压控振荡器自然振荡频率 R 为内部集成电阻约 100Ω 故 C = 1/ 2500F 如果 C 选 10p F ,则 F = 40M Hz 环路增益控制端输入电流的选择 : 一般取 I = 200～400μA 可以满足对锁 定范围的要求 。 环路滤波电容的选择 : 对于频率倍增电路 , 环路滤波器中的电 容器为 10～50μF 。 主要特性参数 : 压控振荡器 V CO 最大振荡频率 :
图 2 的锁相倍频器 fm = 4M Hz ,经 12 倍频 后输出频率为 48M Hz , 输入和输出信号是相 位相关的 , 其频率稳定性取决于输入频率的稳 定度 , 若输入频率信号由晶振产生 , 则 48M Hz 输出信号的频率稳定性可以做到同一数量 级。
电路中 , D1 完成 4 分频功能 , D2 和 D4完成 3 分频功能 。D2 两个输出端均为逻辑 1时 , D4 输出 0 , 迫使 D2 状态回到逻辑 0 , 因 此 ,反馈逻辑实现了 12 分频 。D3 分别将来自 D2 的信号和 fm 进行 2 分频 ,以保证信号占空 比为 50 % , 满足锁相环对信号占空比的要 求 。调试时 ,先断开 C1 ,调节 C0 ,使在第 9 脚测 得的锁相环自然振荡频率为 48M Hz , 然后调 节 V R1 , 使流入 2 脚的电流为 300～400μA , 最后接入 C1 ,整个电路即能有效地工作 。 参考文献
表 1 N E SE564管脚定义
管脚
电 路 特 性
1 V CC,接 + 5V 2 环路增益控制端 ,电流约为 200μA 3 相位比较器输入端 ,来自分频器 路滤波引出端
6 信号输入端 ,占空比 50%
7 偏置滤波输入端
8
9 压控振荡器输出 , T TL 电平 10 V CC,接 + 5V 11 压控振荡器输出端
60M Hz (C = 0) 锁定范围 :V CO 频率的 70 % : ( Vi ≥200m V r m s) 捕获范围 :V CO 频率的 30 % ; ( Vi ≥200m V r m s) 耗 电 : 5V ,45mA
2 、实用实例
图 2 给出 N E564 在脉宽测量装置中作 为锁相倍频器的应用电路 , 输入信号频率为 4M Hz , 输出信号频率为 48M Hz , 为 12 倍频 锁相倍频器 。
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
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《国外电子元器件》1996 年第 3 期 1996 年3 月
* 频率合成器 ; * 信号发生器 。 极限参数 : 电源电压 1 脚输入为 14V