锁相环(PLL)的工作原理
PLL简介
pll是锁相环（Phase-Locked Loop）的英文简称，用来使外部的输入信号和内部的振荡信号同步。
pll是用于振荡器中的反馈控制电路。
目录pll的原理pll的构成pll的应用pll的动作机理pll的原理pll是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,另一部分通过分频和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和输入信号保持确定关系的闭环电子电路。
pll的构成锁相环由鉴相器、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 和输出信号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。
pll的应用1．锁相环在调制和解调中的应用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和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和载波信号的幅度相等，频率随输入信号幅度的变化而变化。
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。
压控振荡器的振荡频率取决于输入电压的幅度。
当载波信号的频率和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。
锁相环(PLL)频率合成调谐器
锁相环（PLL）频率合成调谐器调谐器俗称高频头，是对接收来的高频电视信号进行放大（选频放大）并通过内部的变频器把所接收到的各频道电视信号，变为一固定频率的图像中频（38MHz）和伴音中频以利于后续电路（声表面滤波器、中放等）对信号进行处理。
调谐器（高频头）原理：高频放大：把接收来的高频电视信号进行选频放大。
本机振荡器：产生始终高于高频电视信号图像载频38MHz的等幅载波，送往混频器。
混频器：把高频放大器送来的电视信号和本机振荡器送来的本振等幅波，进行混频产生38MHz的差拍信号（即所接收的中频电视信号）输出送往预中放及声表面滤波器。
结论：简单的说：只要改变本机振荡器的频率即可达到选台的目的）一、电压合成调谐器：早期彩色电视接收机大部分均采用电压合成高频调谐器，其调谐器的选台及波段切换均由CPU输出的控制电压来实现（L、H、U波段切换电压及调谐选台电压），其中调谐选台电压用来控制选频回路和本振回路的谐振频率，调谐选台电压的任何变化都将导致本机振荡器频率偏移，选台不准确、频偏、频漂。
为了保证本机振荡器频率频率稳定，必须加上AFT系统。
由于AFT系统中中放限幅调谐回路和移相网络一般由LC谐振回路构成，这个谐振回路是不稳定的，这就造成了高频调谐器本机振荡器频率不稳，也极易造成频偏、频漂。
二、频率合成调谐器1、频率合成的基本含义：是指用若干个单一频率的正弦波合成多个新的频率分量的方法（频率合成调谐器的本振频率是由晶振分频合成的）。
频率合成的方法有很多种。
下图为混频式频率合成器方框图以上图中除了三个基频外还有其“和频”及“差频”输出（还有各个频率的高次谐波输出）。
输出信号的频率稳定性由基准信号频率稳定性决定，而且输出信号频率误差等于各基准信号误差之和，因此要想减少误差除了要提高基准信号稳定度之外还应减少基准信号的个数。
2、锁相环频率合成器：其方框图类似于彩色电视接收机中的副载波恢复电路，只是在输入回路插入了一个基准信号分频器（代替色同步信号输入）而在反馈支路插入一个可编程分频器（代替900移相）。
PLL-VCO
PLL-VCO 技术 锁相技术的理论早在1932年就提出了，但直到40年代在电视机中才得到⼴泛的应⽤。
锁相环的英⽂全称是Phase-Locked Loop,简称是实现相位⾃动控制的负反馈系统，它使振荡器的相位和频率与输⼊信号的相位和频率同步。
PLL，是实现相位⾃动控制的负反馈系统，它使振荡器的相位和频率与输⼊信号的相位和频率同步 锁相环包含三个主要的部分: ⑴鉴相环鉴相环(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.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 ⑵低通滤波器也包含运算放⼤器。
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 ⑶压控振荡器（控制电压转换为相位。
图中为上述三个部分组成PLL的⽅框图，它的⼯作过程如下：相位⽐较器把输⼊信号作为标准，将它的频率和相位与从VCO输出端送来的信号进⾏⽐较。
如果在它的⼯作范围内检测出任何相位（频率）差，就产⽣⼀个误差信号Ve(t)，这个误差信号正⽐于输⼊信号和VCO输出信号之间的相位差，通常是以交流分量调制的直流电平。
由低通滤波器滤除误差信号中的交流分量，产⽣信号Vd(t)去控制VCO，强制VCO朝着减⼩相位/频率误差的⽅向改变其频率，使输⼊基准信号和VCO输出信号之间的任何频率或相位差逐渐减⼩直⾄为0，这时我们就称环路已被锁定。
如果VCO的输出频率低于输⼊基准信号的频率，相位⽐较器的输出振幅就为正，经滤波后去控制VCO，使其频率增加，直到两个信号的频率和相位精确同步。
相反，若VCO输出频率⾼于输⼊基准信号，相位⽐较器的输出会下降，使VCO锁定在输⼊基准信号的频率。
下⾯较详细地介绍它的捕捉过程和跟踪状态。
锁相环
锁相环（PLL）讲义1、相环的分类锁相环可分为模拟锁相环和数字锁相环。
本篇主要介绍3种锁相环器件：模拟：低频LM567（NE567）、高频NE564数字：CD4046此外，由于模拟锁相环与数字锁相环在原理上的区别不是很大，因此我们以数字锁相环为主来论述锁相环的基本原理。
2、锁相环的基本原理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。
锁相环主要由相位比较器（PC）、压控振荡器（VCO）、低通滤波器三部分组成，如图2.1所示。
图 2.1锁相环的基本原理压控振荡器的输出Uo接至相位比较器的一个输入端，其输出频率的高低由低通滤波器上建立起来的平均电压Ud大小决定。
施加于相位比较器另一个输入端的外部输入信号Ui 与来自压控振荡器的输出信号Uo相比较，比较结果产生的误差输出电压UΨ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Ud。
这个平均值电压Ud朝着减小CO输出频率和输入频率之差的方向变化，直至VCO输出频率和输入信号频率获得一致。
这时两个信号的频率相同，两相位差保持恒定（即同步）称作相位锁定。
当锁相环入锁时，它还具有“捕捉”信号的能力，VCO可在某一范围内自动跟踪输入信号的变化，如果输入信号频率在锁相环的捕捉范围内发生变化，锁相环能捕捉到输人信号频率，并强迫VCO锁定在这个频率上。
锁相环应用非常灵活，如果输入信号频率f1不等于VCO输出信号频率f2，而要求两者保持一定的关系，例如比例关系或差值关系，则可以在外部加入一个运算器，以满足不同工作的需要。
鉴相器是相位比较装置，它比较输入信号和压控振荡器输出信号的相位，输出反映了输入参考信号与VCO输出信号之间的相位差信息。
模拟锁相环输出两信号相位差的误差电压，数字鉴相器输出两信号相位差的脉冲信号。
环路滤波器是一个低通滤波器，它滤除相差信号中的高频成分和噪声后，得到压控电压，以保证环路所要求的性能，增加环路的稳定性。
亚采样锁相环原理
亚采样锁相环原理《亚采样锁相环原理》1. 引言你有没有想过，在我们身边那些精密的电子设备是如何精准地协调各个部分工作的呢？就像一个大型乐团，每个乐器都得在正确的时间奏响正确的音符，电子设备里的各种信号也需要精确地同步。
今天呀，咱们就来一起探索亚采样锁相环的原理，从它的基础概念到实际应用，还会讲讲大家可能存在的误解，最后再延伸一些有趣的相关知识。
这一路就像一场奇妙的探险，让我们出发吧。
2. 核心原理2.1基本概念与理论背景说白了，亚采样锁相环就是一种用于处理信号的电路结构。
它的根源其实是来自于对信号处理的需求，在电子技术不断发展的过程中，人们越来越需要一种能精确控制信号频率和相位的技术。
锁相环（PLL）的概念最早可以追溯到20世纪30年代，那时候就开始有对同步信号的初步探索了。
随着电子技术在通信、计算机等领域的广泛应用，锁相环也不断发展，亚采样锁相环就是在这个基础上进一步优化产生的。
它的核心概念呢，就是利用反馈机制来使输出信号的频率和相位与输入信号保持一致。
想象一下，你在跟着一个领舞者跳舞，领舞者的动作就是输入信号，你要不断调整自己的动作（也就是输出信号）来跟上他的节奏，这就是亚采样锁相环在做的事情。
2.2运行机制与过程分析亚采样锁相环的工作过程就像一场精心编排的接力赛。
首先是鉴相器，它就像一个敏锐的裁判，比较输入信号和反馈信号（也就是经过处理后的输出信号）的相位差。
这个相位差就像是两个跑步者之间的距离差距。
然后是环路滤波器，它相当于一个调整策略制定者。
根据鉴相器给出的相位差，它来决定如何调整信号。
如果相位差比较大，它就会给出比较大的调整指令；如果相位差小，调整指令也就小。
这就好比跑步者之间距离大的时候，就需要迈大步子去追赶；距离小的时候，就小步调整。
最后是压控振荡器，这是一个根据调整指令来改变输出频率和相位的装置。
就像运动员根据策略调整自己的跑步速度一样，压控振荡器根据环路滤波器的指令来改变输出信号的频率和相位，使得输出信号逐渐靠近输入信号的频率和相位，最终达到同步。
锁相环PLL1
反馈控制系统的特点
AFC的特点：误差信号是频率，所以稳定时有 频差;
APC的特点：误差信号是相位，所以稳定时有 相差。
基本的PLL包括：
了解锁相环的基本工作原理； 掌握锁相环工作过程的分析方法； 了解锁相环在实际中的应用。
概述 PLL基本原理 PD特性分析 XOR PD原理 滤波器特性 VCO特性 简单PLL分析 CP PFD原理 CP PLL分析 PLL数学模型 PLL传递函数 PLL的应用
输入、输出信号经过鉴相器相乘后得到：
鉴相器（PD）； 低通（环路）滤波器（LPF）； 压控震荡器（VCO）。
鉴相器的输出信号是输入信号和压控振荡器输出 信号之间相位差的函数；
v流d(分t)量经后环，路成滤为波压器控滤振波荡，器滤的除控高制频电分压量；提取出直 在发生vp(相t)的应作变用化下并，反压馈控到振鉴荡相器器输，出经信过号一的段频时率间将后，
1920年出现了超外差收音机，原理和锁相环类 似；
锁相的概念是30年代提出； 1932有人论述了无线电信号的同步接收， 《相位锁定》，H.de Bellescize； 第一次普遍应用锁相环的是电视接收机中的水
平扫描和垂直扫描的同步方面。
第一次空间应用是从发射第一批人造卫星开始的；
和
之间是直线关系，且当
直线过原点；
成线性比 时，
鉴相器的增益就是直线的斜率 ，单位为伏/ 弧度。
为鉴相器的最大输出 电压，它在一定程度上 反映了鉴相器的灵敏度。
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。
锁相环
Altera的锁相环锁相环一般分为模拟锁相环PLL和数字锁相环DLL。
都可以通过反馈路径来消除时钟分布路径的延时，可以做频率综合（如分频和倍频），也可以用来去抖动、修正占空比和移相等。
两种电路各有所长，要视具体应用而定。
PLL作原理：压控振荡器（VCO）通过自振输出一个时钟，同时反馈给输人端的频率相位检测器（PFD），PFD根据比较输人时钟和反馈时钟的相位来判断VCO输出的快慢，同时输出Pump－up和Pump－down信号给环路低通滤波器(LPF），LPF把这些信号转换成电压信号，再用来控制VCO的输出频率，当PFD检测到输人时钟和反馈时钟边沿对齐时．锁相环就锁定了。
模拟锁相环有以下几个显著的特点：．输出时钟是内部VCO自振产生的．把输人参考时钟和反馈时钟的变比转换为电压信号间接地控制VCO的频率。
．VCO输出频率有一定的范围，如果输人时钟频率超出这个范围，则锁相环不能锁定。
．LPF部件可以过滤输人时钟的高频抖动，其输出时钟的抖动主要来自VCO本身以及电源噪声，而不是输人时钟带人的抖动。
．由于是模拟电路，所以对电源噪声敏感，在设计PCB时，一般需要单独模拟电源和模拟地。
DLL一般是由数字电路实现的。
Xflinx FPGA内部的 DLL。
是由离散的延时单元来完成相位调整的。
DLL的输出时钟是由输人时钟经延时得到的·相位延时控制（PDC，Phase DelayControl）根据CLKIN和CLKFB的边沿关系选择延时链的抽头·也就是不同相位的时钟输出，直到两者边沿完全对齐．DLL最终锁定。
DLL自身的特点如下：．时钟输人真实、及时地反映输人时钟，跟踪时钟输人迅速。
．能锁定的输人时钟频率范围较宽，但是由于延时电路的总延时有限，所以不能锁定时钟频率过低的输人时钟。
．不能过滤时钟源的抖动，会引人固有抖动，造成抖动的积累。
．用数字电路实现，对电源噪声不敏感。
2．Altera器件的 PLLAltera的Stratix和Stratixll器件内部有两种锁相环，分别是增强型锁相环（EPLL．En－hanced PLL）和快速锁相环（FPLL，Fast PLL。
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锁相环(PLL)的工作原理
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,Phase-Locked Loop）。
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,Phase Detector）、环路滤波器（LF,Loop Filter）和压控振荡器（VCO,Voltage Controlled Oscillator）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u D（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u C（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：
（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u D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u C （t）。
即u C（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，u c（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，u c（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u c（t）的变化而变化。
该特性的表达式为
（8-4-7）
上式说明当u c（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。
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u O还原成原信号u i。
[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u c外，还有调制信号u i，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。
若输入FM信号时，让环路通带足够宽，使信号调制频谱落在带宽之内，这时压控振荡器的频率跟踪输入调制的变化,如图6.1所示。
对于锁相环的详细分析可参阅有关锁相技术的书籍。
在此仅说明锁相环鉴频原理。
可以简单地认为压控振荡器频率与输入信号频率之间的跟踪误差可以忽略。
因此任何瞬时，压控振荡器的频率ωv(t)与FM波的瞬时频率ωFM(t)相等。
FM波的瞬时角频率可表示为
假设VCO具有线性控制特性，其斜率K v（压控灵敏度）为（弧度／秒·伏），而VCO在S d(t)＝0时的振荡频率为ωo’，则当有控制电压时，VCO的瞬时角频率为
令上两式相等，即ωv(t)≈ωFM(t)，可得
其中ωo为FM波的载频，ωo’为压控振荡器的固有振荡频率，两者皆为常数。
因此上式第一项为直流项，可用隔直元件消除，或者开始时已经把压控振荡器的频率调整为ωo=ωo’。
因此上式还可进一步写成
可见，锁相环输出，除了常系数K f／K v之外，近似等于原调制波形f(t)，因而达到频率解调的目的。
[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。
图中的N大于1时，为分频电路；N小于1时，为倍频电路。