锁相环pll工作原理及verilog代码

锁相环的组成和工作原理 #1 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 许多电子设备要正常工作， 号同步，利用锁相环路就可以实现这个目的。

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， 锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环 ）。

锁相环的特点是 （PLL）。

锁相环的特点是：利用外部输入的 ）。

锁相环的特点是： 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 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， 相环通常用于闭环跟踪电路。

锁相环在工作的过程中， 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 于闭环跟踪电路 信号的频率与输入信号的频率相等时， 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 持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住， 就是锁相环名称的由来。

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， 所示。

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 锁相环中的鉴相器又称为相位比较器， 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 出信号的相位差， ） 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（t） 输出， ， C ） 对振荡器输出信号的频率实施控制。

对振荡器输出信号的频率实施控制。

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 锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成， 相器电路如图 8-4-2 所示。

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 鉴相器的工作原理是： 号电压分别为： 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。

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：
将上式中的和频分量滤掉， 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 ）。

即 控振荡器的输入控制电压 uC（t）。

即 uC（t）为： ）。

）
（8-4-3） ） 为输入信号的瞬时振荡角频率， 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 输入信号和输出信号的瞬时位相， 时位相的关系为： 时位相的关系为：
即 则，瞬时相位差 θd 为
（8-4-4） ）
（8-4-5） ）


对两边求微分， 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 上式等于零， 说明锁相环进入相位锁定的状态， 的频率和相位保持恒定不变的状态， ）为恒定值。

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 于零时， 说明锁相环的相位还未锁定， 等，uc（t）随时间而变。

）随时间而变。

所示， 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 为中心， 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。

）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 ）随时间而变时， 时间而变，锁相环进入 频率牵引 频率牵引”，自动跟踪捕捉输入信号的频率， 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， 的状态不变。

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 ． ． 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 为了实现信息的远距离传输， 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。

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 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 数， 使载波信号的某一个参数随输入信号的变化而变化。

参数有幅度、频率和位相，所以，调制有调幅（ ）、调频 参数有幅度、频率和位相，所以，调制有调幅（AM）、调频（FM） ）、调频（ ） 和调相（ ）三种。

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 调幅波的特点是频率与载波信号的频率相等， 变化而变化； 变化而变化； 调频波的特点是幅度与载波信号的幅度相等， 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； 入信号幅度的变化而变化； 变化而变化 调相波的特点是幅度与载波信号的幅度相 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 等， 相位随输入信号幅度的变化而变化。

所示。

图 8-4-4 所示。

上图的（ ）是输入信号，又称为调制信号； 上图的（a）是输入信号，又称为调制信号；图（b）是载波信号， ）是载波信号， 图（c）是调幅波和调频波信号。

）是调幅波和调频波信号。

解调是调制的逆过程， 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 ．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。

8-4-6 式可知， 由 式可知， 压控振荡器的振荡频率取决于输入电压的幅度。

压控振荡器的振荡频率取决于输入电压的幅度。

相等时， 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 不变。

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 为中心， 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。

调频波信号。

由此可得调频电路可利用锁相环来组成， 由此可得调频电路可利用锁相环来组成， 由锁相环组成 所示。

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。

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 在现代电子技术中， 为了得到高精度的振荡频率， 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、 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。

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大的称为锁相倍频器电路； 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 率比晶振信号频率小的称为锁相分频器电路。

所示。

路的组成框图如图 8-4-7 所示。

为分频电路； 为倍频电路。

< 图中的 N 大于 1 时， 为分频电路； 0<N<1 时， 当 为倍频电路。

FONT> 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。

其中鉴相器 鉴相器用来鉴别输入信号 电子电路。

锁相环的基本结构如图 1，其中鉴相器用来鉴别输入信号 之间的相位差, ui 与输出信号 u0 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 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 压控振荡器(VCO) 电压 uC。

C 作用于压控振荡器的结果是把它的输出振荡频率 f0 拉向环 u 当二者相等时，环路被锁定，称为入锁。

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 定的直流控制电压由鉴相器提供， 一定的相位差。

环路闭合后能自动进入锁定状态的输入信号频率最大 一定的相位差。

变化范围的二分之一称为捕捉带。

环路能保持锁定状态的输入信号频 变化范围的二分之一称为捕捉带。

率最大变化范围的二分之一称为同步带。

率最大变化范围的二分之一称为同步带。

捕捉带通常小于同步带， 捕捉带通常小于同步带， 在 极限情况下二者相等。

捕捉带与同步带是锁相环的重要参数， 前者影 极限情况下二者相等。

捕捉带与同步带是锁相环的重要参数， 响入锁的可靠性， 后者决定入锁后相位误差的大小， 因而实用的锁相 响入锁的可靠性， 后者决定入锁后相位误差的大小， 因而实用的锁相 环应具有足够大的捕捉带与同步带。

环应具有足够大的捕捉带与同步带。

锁相环 锁相环最初用于改善电视接收机的行同步和帧同步， 锁相环最初用于改善电视接收机的行同步和帧同步， 视接收机的行同步和帧同步 以提高抗干 扰能力。

后来，锁相环用于彩色电视机，使彩色副载波振荡器与输入 扰能力。

后来，锁相环用于彩色电视机， 信号同步，用来恢复彩色信号。

年代后期随着空间技术的发展， 信号同步，用来恢复彩色信号。

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。

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、 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。

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。

年代初发展起来的。

在电子仪器方面， 在电子仪器方面， 锁相环在频率合成器和相位计 等仪器中起了重要的作用。

等仪器中起了重要的作用。

环路部件 鉴相器有多种类型， 余弦型鉴相器最为常用,其特性 鉴相器有多种类型， 余弦型鉴相器最为常用,
是两个输入信号之间的相位差 入信号之间的相位差， 如图 2。

其中墹ψ是两个输入信号之间的相位差，U 是误差电压 ud 的最大值。

的最大值。

鉴相特性的表示式为 ud=U cos 墹ψ。

鉴相特性正向过零 点的斜率 kd 称为鉴相器灵敏度（伏/弧度）,对于余弦型鉴相器 kd 的 称为鉴相器灵敏度（ 弧度） 数值等于 U 。

压控振荡器的控制特性如图 3。

图中 f0 是压控振荡器 输出信号频率, 是控制电压为零时的频率， 输出信号频率,f 是控制电压为零时的频率， 称为压控振荡器的自由 振荡频率。

称为压控振荡器的灵敏度（ 振荡频率。

特性曲线在 f 处的斜率 k0 称为压控振荡器的灵敏度（弧 伏 。

度/秒· ）常用的环路滤波器电路如图 4。

它们的传递函数为 kFF(s)。

对于图 4a


锁相环
锁相环


锁相环
式中
对于图 4b
式中
二阶模拟锁相环
根据描述环路动态过程的微分方程的阶数， 根据描述环路动态过程的微分方程的阶数，
可将锁相环分为一阶、 二阶与高阶环路。

没有环路滤波器的锁相环为 可将锁相环分为一阶、 二阶与高阶环路。

一阶锁相环，用途不多。

滤波器的环路即为二阶锁相环。

一阶锁相环，用途不多。

采用图 4 滤波器的环路即为二阶锁相环。

采用余弦型鉴相器的锁相环入锁后， 鉴相器两端的剩余相位差墹 采用余弦型鉴相器的锁相环入锁后，
ψs 的计算公式为
称为开环频差; 式中墹 f0=fi-f ，称为开环频差;kDC=kdkFF(0)k0,称为环路直流总增 如果环路内只有鉴相器是非线性部件， 则锁相环的同步带就等于 益。

如果环路内只有鉴相器是非线性部件， 采用无源比例积分滤波器的环路通常取 kDC。

采用无源比例积分滤波器的环路通常取 R1>>R2,这时捕捉带与同
步带的比值近似等于。

对于高频信号,比例积分滤波器的传 对于高频信号,
称为环路高频交流总增益， 递函数蜕化为 kF,因而乘积 kdkFk0 称为环路高频交流总增益，简称交 表示。

的环路，称为高增益二阶锁相环； 流总增益， 流总增益，用 k 表示。

对于 kDC>>k 的环路，称为高增益二阶锁相环； 大多数实际应用的锁相环属于高增益二阶锁相环。

以输入信号相位ψ 大多数实际应用的锁相环属于高增益二阶锁相环。

以输入信号相位
i
为输入量、 为输出量时， 为输入量、压控振荡器信号相位ψ0 为输出量时，二阶高增益锁相环
的传递函数为
是环路阻尼系数， 式中ζ 是环路阻尼系数，它决定环内过渡过程的性质是属于振荡型 还是指数型; 是环路无阻尼自由振荡角频率, 还是指数型; ωn 是环路无阻尼自由振荡角频率,简称环路自然角频 是决定环路动态性能的重要参数， 率；ζ 和 ωn 是决定环路动态性能的重要参数，通常取 ,ω n
的取值随用途不同差别很大, 值小,反之则大。

的取值随用途不同差别很大,窄带环路的ωn 值小,反之则大。

ζ和ωn 的计算公式分别为


当环路输入为白噪声调相当环路输入为白噪声调相信号时信号时信号时，，
环路可等效地看成是一个滤除相位噪声的带通滤波器噪声的带通滤波器。

单边等效噪声带宽B n 是衡量环路对输入相位白噪声滤除能力的重要参数噪声滤除能力的重要参数，，它的定义是它的定义是
在各种锁相环中二阶锁相环应用最广在各种锁相环中二阶锁相环应用最广，，原因是原因是：：
①稳定性与参数选择无关选择无关；；②兼有大的同步带和强的输入噪声滤除能力兼有大的同步带和强的输入噪声滤除能力；；
③设计和制作比较简单作比较简单，，能满足多数情况下的使用要求能满足多数情况下的使用要求。

在输入信号频率变化剧烈的场合下烈的场合下，，二阶环路不能胜任二阶环路不能胜任,,需要采用比图4更复杂的环路滤波器，以改善跟踪性能以改善跟踪性能，，这时的环路就变成了高阶锁相环这时的环路就变成了高阶锁相环。

采样锁相环采样锁相环 用采样保持电路作鉴相器的环路用采样保持电路作鉴相器的环路（（图5）,亦称脉冲锁相环冲锁相环。

采样保持电路由采样器和保持电路两部分组成采样保持电路由采样器和保持电路两部分组成。

采样器是一个电子开关一个电子开关，，在采样脉冲存在的时间内输出被采信号的瞬时值电压。

保持电路使离散的采样器输出电压变成时间上连续的阶梯电压保持电路使离散的采样器输出电压变成时间上连续的阶梯电压，，此电压取决于采样脉冲和被采信号之间的相位关系此电压取决于采样脉冲和被采信号之间的相位关系,,故可作为误差信号以控制压控振荡器号以控制压控振荡器,,使环路入锁使环路入锁。

对于被采信号对于被采信号，，可以每周采样一次，也可以每隔N 个周期采样一次个周期采样一次，，
因此图5的环路等效于一个分频器，入锁后有f 0=f i /N 。

如果把图5中的脉冲形成电路移到环路输入
端，使输入信号形成采样脉冲并使之对压控振荡器信号采样使输入信号形成采样脉冲并使之对压控振荡器信号采样，，则可形成f 0=Nf i 的倍频环的倍频环。

调整f
锁相环锁相环
数字锁相环数字锁相环 数字锁相环种类繁多数字锁相环种类繁多。

图6是一类常用的数字锁相环的框图相环的框图，，图中u i 和u O 都是数字信号都是数字信号，，用鉴相器比较它们的上升
沿（或下降沿或下降沿））,如果u O 领先于u i ,则输出
“超前“信号信号,,反之输出“滞后”信号信号。

由于u i 中混有噪声和干扰中混有噪声和干扰,,这种这种““超前超前””、“滞后滞后””信号不一定都反应环路输入不一定都反应环路输入、、输出信号间的真实相位关系输出信号间的真实相位关系。

序列滤波器的作用是去伪存真作用是去伪存真，，当序列当序列滤波器判断滤波器判断u O 确实领先于u i ，则向调相器
输出输出““减”信号信号，，扣除一个扣除一个((或几个或几个))加到分频器去的脉冲加到分频器去的脉冲，，从而使u O 滞后一个规定的相角滞后一个规定的相角。

如果序列滤波器判断u O 滞后于u i ,就给出“加”信号信号,,使调相器多输出一个额外的脉冲使调相器多输出一个额外的脉冲,,于是u O 向前移一个规
定的相角定的相角。

反复进行这一过程便使u O 的上升沿的上升沿（（或下降沿或下降沿））在u i 的相应沿前后摆动相应沿前后摆动，，二者基本上对齐二者基本上对齐，，即环路入锁即环路入锁。

数字锁相环已在数字通信系统的位同步电路中得到较多的应用系统的位同步电路中得到较多的应用，，
但仍限于码速较低的使用环境用环境。

锁相环锁相环
锁相环是建立同步的一种有效手段锁相环是建立同步的一种有效手段。

微波锁相环进一步提高工作
频率频率，，便可在激光领域内获得应用便可在激光领域内获得应用。

高阶锁相环的发展高阶锁相环的发展，，可适应空间科学技术的新需要科学技术的新需要。

数字锁相环的发展方向是提高工作频率数字锁相环的发展方向是提高工作频率，，采用微处理器件和微电子技术处理器件和微电子技术，，发展新型序列滤波器发展新型序列滤波器，，改善环路性能（提高抗噪声能力抗噪声能力，，加快捕捉加快捕捉，，减少输出相位抖动减少输出相位抖动）。

）。

）。

单片集成的锁相环将单片集成的锁相环将得到普遍应用得到普遍应用，，如其工作频段继续向上扩展如其工作频段继续向上扩展，，
压控振荡器的频率稳定度和调频范围的矛盾会得到更好的解度和调频范围的矛盾会得到更好的解
Verilog 程序代码
module pll(reset,clk,signal_in,signal_out,syn);
parameter para_K=4;
parameter para_N=16;
input reset;
input clk;
input signal_in;
output signal_out;
output syn;
reg signal_out;
reg dpout;
reg delclk;
reg addclk;
reg add_del_clkout;
reg [7:0]up_down_cnt;
reg [2:0]cnt8;
reg [8:0]cnt_N;
reg syn;
reg dpout_delay;
reg [8:0]cnt_dpout_high;
reg [8:0]cnt_dpout_low;
/******phase detector*****/
always@(signal_in or signal_out)
begin
dpout<=signal_in^signal_out;
end
/******synchronization establish detector*****/ always@(posedge clk or negedge reset)
begin
if(!reset) dpout_delay<='b0;
else dpout_delay<=dpout; end
always@(posedge clk or negedge reset)
begin
if(!reset)
begin
cnt_dpout_high<='b0; cnt_dpout_low<='b0;
end
else if(dpout)
if(dpout_delay==0) cnt_dpout_high<='b0;
else
if(cnt_dpout_high==8'b11111111)
cnt_dpout_high<='b0;
else cnt_dpout_high<=cnt_dpout_high+1;
else if(!dpout)
if(dpout_delay==1) cnt_dpout_low<='b0;
else
if(cnt_dpout_low==8'b11111111)
cnt_dpout_low<='b0;
else cnt_dpout_low<=cnt_dpout_low+1;
end
always@(posedge clk or negedge reset)
begin
if(!reset) syn<='b0;
else if((dpout&&!dpout_delay)||(!dpout&&dpout_delay))
if(cnt_dpout_high[8:0]-cnt_dpout_low[8:0]<=4||cnt_dpout_low[8:0]-cnt_
dpout_high[8:0]<=4) syn<='b1;
else syn<='b0;
end
/****up down couter with mod=K****/ always@(posedge clk or negedge reset) begin
if(!reset)
begin
delclk<='b0;
addclk<='b0;
up_down_cnt<='b00000000;
end
else
begin
if(!dpout)
begin
delclk<='b0;
if(up_down_cnt==para_K-1)
begin
up_down_cnt<='b00000000;
addclk<='b0;
end
else
begin
up_down_cnt<=up_down_cnt+1;
addclk<='b0;
end
end
else
begin
addclk<='b0;
if(up_down_cnt=='b0)
begin
up_down_cnt<=para_K-1;
delclk<='b0;
end
else
if(up_down_cnt==1)
begin
delclk<='b1;
up_down_cnt<=up_down_cnt-1;
end
else
up_down_cnt<=up_down_cnt-1;
end
end
end
/******add and delete clk*****/
always@(posedge clk or negedge reset)
begin
if(!reset)
begin
cnt8<='b000;
end
else
begin
if(cnt8=='b111)
begin
cnt8<='b000;
end
else
if(addclk&&!syn)
begin
cnt8<=cnt8+2;
end
else
if(delclk&&!syn)
cnt8<=cnt8;
else
cnt8<=cnt8+1;
end
end
always@(cnt8 or reset)
begin
if(!reset)
add_del_clkout<='b0;
else
add_del_clkout<=cnt8[2];
end
/******counter with mod=N******/
always@(posedge add_del_clkout or negedge reset) begin
if(!reset)
begin
cnt_N<='b0000;
signal_out<='b0;
end
else
begin
if(cnt_N==para_N-1)
begin
cnt_N<='b0000;
signal_out<='b0;
end
else
if(cnt_N==(para_N-1)/2)
begin
signal_out<='b1;
cnt_N<=cnt_N+1; end
else
cnt_N<=cnt_N+1; end
end
endmodule。