锁相环(PLL)基本原理
锁相环PLL（PhaseLockedLoop）
锁相环PLL（PhaseLockedLoop）
锁相环PLL
目前我见到的所有芯片中都含有PLL模块，而且一直不知道如何利用PLL对晶振进行倍频的，这次利用维基百科好好的学习了下PLL 的原理。
1. 时钟与振荡电路
在芯片中，最重要的就是时钟，时钟就像是心脏的脉冲，如果心脏停止了跳动，那人也就死亡了，对于芯片也一样。了解了时钟的重要性，那时钟是怎么来的呢？时钟可以看成周期性的0与1信号变化，而这种周期性的变化可以看成振荡。因此，振荡电路成为了时钟的来源。
振荡电路的形成可以分两类：
1. 石英晶体的压电效应：电导致晶片的机械变形，而晶片两侧施加机械压力又会产生电，形成振荡。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，可以做得精确，因此其振荡电路可以获得很高的频率稳定度。
2. 电容Capacity的充电放电：能够存储电能，而充放电的电流方向是反的，形成振荡。可通过电压等控制振荡电路的频率。
2. PLL与倍频
由上面可以知道，晶振由于其频率的稳定性，一般作为系统的外部时钟源。但是晶振的频率虽然稳定，但是频率无法做到很高（成本与工艺限制），因此芯片中高频时钟就需要一种叫做压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator）的东西生成了（顾名思义，VCO 就是根据电压来调整输出频率的不同）。可压控振荡器也有问题，其频率不够稳定，而且变化时很难快速稳定频率。哇偶，看到这种现象是不是很熟悉？嘿嘿，这就是标准开环系统所出现的问题，解决办法就是接入反馈，使开环系统变成闭环系统，并且加入稳定的基准信号，与反馈比较，以便生成正确的控制。
芯片pll
芯片pll
PLL（Phase-Locked Loop，锁相环）芯片是一种电路组件，用
于生成稳定的时钟信号或频率合成信号。它包含一个比较器、一个VCO（Voltage Controlled Oscillator，电压控制振荡器）
和一个反馈回路。
PLL芯片的工作原理如下：首先，输入一个参考信号和PLL
芯片的参考频率。比较器将比较参考信号与VCO输出信号的
相位差，并产生一个错误信号。错误信号经过滤波器进行滤波，然后通过一个控制电压转化器转换成控制VCO频率的电压。
VCO根据控制电压的变化来调整输出频率，使得与参考信号
的相位差最小化。当相位差达到最小时，就称为锁定状态，此时VCO输出的频率与参考信号频率一致。通过不断调整控制
电压，PLL芯片可以追踪参考信号的频率变化，使得输出信号始终与参考信号保持同步。
PLL芯片具有以下优点：首先，它可以在输入和输出频率之间进行频率合成，从而扩大信号的频率范围。其次，PLL芯片具有较高的频率稳定性和抗噪声能力。此外，由于使用了反馈回路进行频率比对，PLL芯片可以实现对输入信号的准确跟踪。
综上所述，PLL芯片是一种用于生成稳定的时钟信号或频率合成信号的电路组件，通过反馈机制实现与输入信号的频率跟踪与同步。它广泛应用于通信、数据传输、音视频设备等领域。
锁相环的工作原理
锁相环的工作原理
锁相环是一种控制器件，其主要的工作原理是通过比较参考信号和反馈信号的相位差异，并通过反馈调节来达到将两个信号相位同步的目的。具体工作原理如下：
1. 参考信号生成：锁相环中需要提供一个参考信号，一般通过参考信号发生器产生一个稳定的频率信号。
2. 相频检测与比较：通过相频检测器进行参考信号和反馈信号的相位差检测。相频检测器通常使用一个比较器进行相位比较，输出一个误差信号，表示相位差偏离。
3. 误差调节：根据相频检测器输出的误差信号，通过滤波器和放大器等组成的控制电路进行调节。调节的方式可以是改变反馈信号的延时、幅度或频率等。
4. 信号生成与反馈：控制电路输出的调节信号作用于振荡器或VCO（Voltage Controlled Oscillator），调节振荡器的频率、相位等，使得反馈信号与参考信号的相位差逐渐减小。
5. 循环反馈：经过一段时间的调节，反馈信号的相位与参考信号趋于同步，此时锁相环达到稳定状态。同时，稳定状态下的输出信号也可以作为反馈信号传回控制电路，参与后续的相频检测和误差调节，形成一个闭环反馈系统。
通过反复的相频检测和误差调节，锁相环能够将输出信号与参
考信号同步，并具有抑制噪声、消除相位漂移、提高系统稳定性等优点。它广泛应用于通信、精密测量、控制系统等领域。
pll锁相环原理
pll锁相环原理
PLL锁相环原理
PLL锁相环是一种常见的电路，它可以将输入信号的频率和相位与参考信号同步。PLL锁相环的原理是通过反馈控制，使输出信号的频率和相位与参考信号保持一致。PLL锁相环广泛应用于通信、计算机、音频、视频等领域。
PLL锁相环由相位检测器、低通滤波器、振荡器和分频器组成。相位检测器用于比较输入信号和参考信号的相位差，输出一个误差信号。低通滤波器用于滤除误差信号中的高频成分，得到一个平滑的误差信号。振荡器用于产生输出信号，其频率和相位受到误差信号的控制。分频器用于将输出信号分频，以便与参考信号进行比较。 PLL锁相环的工作原理如下：首先，输入信号和参考信号经过相位检测器比较，得到一个误差信号。然后，误差信号经过低通滤波器滤除高频成分，得到一个平滑的误差信号。接着，平滑的误差信号控制振荡器产生输出信号，其频率和相位受到误差信号的控制。最后，输出信号经过分频器分频，与参考信号进行比较，得到一个新的误差信号，反馈给相位检测器，形成一个闭环控制系统。
PLL锁相环的优点是具有高精度、高稳定性、快速响应等特点。它可以将输入信号的频率和相位与参考信号同步，实现信号的精确控制和处理。PLL锁相环在通信系统中广泛应用，例如频率合成器、
时钟恢复器、调制解调器等。在计算机系统中，PLL锁相环用于时钟同步、数据传输等方面。在音频、视频系统中，PLL锁相环用于数字信号处理、数字时钟恢复等方面。
PLL锁相环是一种重要的电路，它可以实现信号的精确控制和处理。它的原理是通过反馈控制，使输出信号的频率和相位与参考信号保持一致。PLL锁相环在通信、计算机、音频、视频等领域都有广泛的应用。
锁相环pll原理与应用
PLL面临的挑战
噪声干扰
在实际应用中，锁相环PLL容 易受到各种噪声干扰的影响 ，如电源噪声、电磁干扰等
，这些干扰会影响PLL的性能 和稳定性。
快速锁定时间
在一些应用中，如雷达、高 速数据传输等，需要锁相环 PLL具有快速的锁定时间，但 快速锁定技术仍是一个挑战
。
调谐范围
在一些应用中，需要锁相环 PLL具有较大的调谐范围，但 调谐范围的扩大也会带来稳 定性下降等问题。
PLL未来的研究方向
01
低噪声技术
研究更低噪声的PLL电路结构和 控制算法，以提高PLL的性能和 稳定性。
02
03
快速锁定技术
多频段技术
研究更快速、更稳定的锁定技术， 以满足高速数据传输和雷达等应 用的需求。
研究多频段PLL的电路结构和控 制算法，以满足不同通信系统的 需求。
05
锁相环PLL的设计与实现
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 。
锁相环工作原理
锁相环工作原理
锁相环（Phase-Locked Loop，简称PLL）是一种常见的电子系统控制技术，广
泛应用于通信、信号处理、时钟同步等领域。它通过对输入信号进行频率和相位的调整，使得输出信号与参考信号保持同步，从而实现信号的稳定和精确的控制。
锁相环主要由三个基本组件组成：相频比较器、环路滤波器和控制电压控制振
荡器（Voltage Controlled Oscillator，简称VCO）。
首先，相频比较器对输入信号和参考信号进行相位和频率的比较，产生一个误
差信号。这个误差信号表示了输入信号与参考信号之间的相位差距和频率差距。
然后，误差信号经过环路滤波器进行滤波和放大处理。环路滤波器的作用是平
滑误差信号，并将其转换为一个稳定的直流电压，作为控制电压。
最后，控制电压通过控制VCO的频率和相位，使得VCO的输出信号与参考信号同步。VCO是一种电压控制的振荡器，其输出频率和相位受到控制电压的调节。通过不断调整控制电压，使得VCO的输出频率和相位与参考信号保持一致。
锁相环的工作原理可以简单描述为：通过比较输入信号和参考信号的相位和频
率差异，将误差信号转换为控制电压，进而调节VCO的输出信号，使其与参考信
号同步。这样，锁相环可以实现输入信号频率和相位的稳定和精确控制。
锁相环在实际应用中具有广泛的用途。例如，在通信系统中，锁相环可以用于
时钟恢复、频率合成和频率调制解调等方面。在信号处理中，锁相环可以用于频率跟踪、相位调节和信号同步等任务。此外，锁相环还可以应用于雷达、无线电、雷达测距、激光测距等领域。
锁相环工作原理
锁相环工作原理
锁相环（Phase-Locked Loop，简称PLL）是一种常用的电子电路，用于在信号
处理和通信系统中实现频率合成、时钟恢复、频率解调等功能。它可以通过自动调整输出信号的相位和频率，使其与输入信号保持稳定的相位关系。
锁相环主要由相位比较器、环路滤波器、电压控制振荡器（Voltage-Controlled Oscillator，简称VCO）和分频器组成。
1. 相位比较器（Phase Detector）：相位比较器是锁相环的核心部件之一，它用
于比较输入信号与反馈信号的相位差，并产生相应的误差信号。常见的相位比较器有边沿触发型、恒幅型和恒频型等。
2. 环路滤波器（Loop Filter）：环路滤波器用于对相位比较器输出的误差信号
进行滤波和放大处理，以提供稳定的控制电压给VCO。它通常由滤波电容和滤波
电阻组成，根据需要可以采用不同的滤波器结构。
3. 电压控制振荡器（Voltage-Controlled Oscillator）：VCO是锁相环的另一个
关键组成部份，它根据输入的控制电压来产生相应频率的输出信号。VCO的频率
与控制电压成正比关系，通过调节控制电压可以实现对输出频率的精确控制。
4. 分频器（Divider）：分频器用于将VCO的输出信号分频，以产生反馈信号
供相位比较器使用。分频器通常采用可编程分频比，可以根据需要设置不同的分频比。
锁相环的工作原理如下：
1. 初始状态下，输入信号经过相位比较器与反馈信号进行比较，产生误差信号。
2. 误差信号经过环路滤波器进行滤波和放大处理，得到控制电压。
锁相环原理
锁相环原理
锁相环（Phase-Locked Loop，简称PLL）是一种广泛应用于通信、电子设备中
的控制系统，它可以将输入信号的相位和频率锁定在特定的数值上。锁相环由相位比较器、环路滤波器、控制电压发生器、振荡器等组成，通过这些部件的协同作用，实现了对输入信号的跟踪和控制。下面我们将详细介绍锁相环的工作原理。
首先，锁相环的核心部件是相位比较器，它用来比较输入信号和反馈信号的相
位差，并输出一个误差信号。这个误差信号随后被送入环路滤波器，滤波器起到平滑误差信号的作用，使得控制电压发生器的输出更加稳定。控制电压发生器产生的电压信号会调节振荡器的频率，从而使得反馈信号的相位和频率与输入信号保持一致。
在锁相环运行过程中，当输入信号的频率发生变化时，相位比较器会检测到相
位差的变化，并产生相应的误差信号，通过环路滤波器和控制电压发生器的调节，最终使得振荡器的频率跟随输入信号的变化而变化，从而实现了频率的锁定。同样，当输入信号的相位发生变化时，相位比较器也会产生误差信号，通过控制电压发生器调节振荡器的相位，实现相位的锁定。
除了频率和相位的锁定外，锁相环还具有频率合成、信号再生、时钟提取等功能。通过合理设计锁相环的参数和部件，可以实现对不同频率、不同相位的信号进行跟踪和控制，从而满足各种通信和控制系统的需求。
总之，锁相环作为一种重要的控制系统，在现代通信、电子设备中得到了广泛
的应用。它通过精密的相位比较和频率调节，实现了对输入信号的跟踪和锁定，为各种信号处理和控制提供了可靠的技术支持。希望通过本文的介绍，读者对锁相环的工作原理有了更深入的了解。
锁相环的工作原理
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）。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：
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：
VCO
LF
PD
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。
一文让你彻底明白“什么是锁相环PLL及其工作原理”
一文让你彻底明白“什么是锁相环PLL及其工作原理”
锁相环（Phase-Locked Loop，简称PLL）是一种广泛应用于通信、
数据传输、时钟同步等领域的电子电路。它在这些应用中起着重要的作用，可以解决信号同步、频率合成、相位调制等问题。本文将详细介绍什么是
锁相环、它的工作原理，以及一些常见的应用场景。
一、什么是锁相环
锁相环是一种反馈控制系统，通过比较输入信号的相位与参考信号的
相位之间的差异来调整输出信号的相位和频率，使得输出信号与参考信号
保持相位和频率的一致。原理上，锁相环通过不断采样输入信号，并将其
与参考信号进行比较，然后根据比较结果调整输出信号的相位和频率。通
过这种方式，锁相环可以将输入信号的频率和相位稳定在与参考信号一致
的状态下。一般来说，锁相环由锁相检测器、低通滤波器、电压控制振荡
器和频率分割器等主要组成。
二、锁相环的工作原理
1. 锁相检测器（Phase Detector）：锁相检测器是锁相环的核心部分。它用于比较输入信号的相位差异，并产生一个误差信号。常见的锁相
检测器有相位比较器、采样比较器等。相位比较器将输入信号和参考信号
进行比较，并输出一个高电平或低电平的信号，表示输入信号相位与参考
信号的相位关系。
2. 低通滤波器（Low Pass Filter）：低通滤波器用于平滑锁相检测
器输出的误差信号，减小噪声的影响。它通过将误差信号经过滤波器，然
后输出平滑后的信号给电压控制振荡器。
3. 电压控制振荡器（Voltage-Controlled Oscillator，简称VCO）：电压控制振荡器是锁相环的另一个关键组件。它的输出频率与输入电压成
锁相环PLL原理与应用
锁相环PLL原理与应用
锁相环(Phase-Locked Loop, PLL)是一种常用的控制系统，广泛应用于电子和通信领域。它可以用于频率合成、时钟恢复以及相位同步等应用中。本文将对PLL的原理和常见的应用进行详细介绍。
PLL的原理：
首先，参考信号经过相位比较器与VCO的输出信号进行比较。相位比较器的输出为一个控制电压，表示两个信号之间的相位差。这个控制电压经过低通滤波器进行滤波处理，得到一个平滑的控制电压，该电压用于调节VCO的频率。
VCO产生的频率与输入的控制电压成正比，通过调节控制电压，可以改变VCO的输出频率。通过反馈控制的方式，当VCO的频率与参考信号接近时，相位比较器的输出误差会减小，最终收敛到零，实现了锁相环的目标。
在PLL中，分频器的作用是将VCO的高频输出信号分频得到一个相位稳定的低频信号，用作相位比较器的参考信号。通过适当选择分频比，可以实现对VCO输出频率的精确控制。
PLL的应用：
1.频率合成器：PLL经常被用于频率合成器的设计。通过选择适当的参考频率和分频比，可以实现对输出频率的精确控制。例如，在通信系统中，PLL被用于合成不同的载波频率用于不同用户之间的信号传输。
2.时钟恢复：在数字通信中，接收端需要从接收到的数据中恢复时钟
信号。PLL可以通过将接收到的数据作为参考信号，并控制VCO的频率，
使得输出的时钟信号与发送端时钟同步。
3.数字时钟锁定：在数字系统中，不同的模块可能具有不同的时钟源，为了实现数据的正确和稳定传输，需要将不同的时钟源进行同步。PLL可
以用于将这些时钟同步，并控制其频率和相位，以便实现正确的数据传输。
锁相环工作原理
锁相环工作原理
锁相环（PLL）是一种常见的控制系统，用于同步电路中的时钟和数据信号。
它的工作原理涉及到频率比较器、相位检测器、环路滤波器和振荡器等元件，通过这些元件的相互作用，锁相环可以实现信号的精准同步和稳定输出。接下来，我们将详细介绍锁相环的工作原理。
首先，锁相环的核心部分是频率比较器，它用来比较输入信号和反馈信号的频
率差异。当两者频率不一致时，频率比较器会输出一个误差信号，这个误差信号将被送入相位检测器。
相位检测器的作用是将误差信号转换成相位差，然后送入环路滤波器。环路滤
波器用来滤除误差信号中的高频成分，同时增强低频成分，以保证锁相环的稳定性和收敛速度。
经过环路滤波器处理后的信号将被送入振荡器，振荡器的频率和相位将根据输
入信号和反馈信号的比较结果进行调整，最终实现输入信号和反馈信号的同步。
除了频率比较器、相位检测器、环路滤波器和振荡器外，锁相环还包括分频器
和反馈回路。分频器用来将振荡器的输出信号分频，以生成反馈信号；反馈回路则将反馈信号送回频率比较器，形成闭环控制系统。
总的来说，锁相环的工作原理是通过不断比较输入信号和反馈信号的频率差异，将误差信号转换成相位差，经过滤波和调整后最终实现信号的同步。它在通信、控制系统和数字信号处理等领域有着广泛的应用，能够提高系统的稳定性和抗干扰能力。
在实际应用中，锁相环的参数调节和设计是非常重要的，需要根据具体的系统
要求和信号特性进行合理选择和优化。同时，锁相环也存在一些问题，如振荡器的相位噪声、环路滤波器的稳定性等，需要在设计和实现中加以考虑和解决。
PLL电路的基本工作原理
PLL电路的基本工作原理
PLL（Phase-Locked Loop）电路是一种用于鉴频、频率合成和时钟提
取等应用的电路。其基本组成部分包括相锁环比较器、低通滤波器、VCO （Voltage Controlled Oscillator）和反馈电路。PLL电路能够通过对
输入信号进行锁定，保持输出频率与输入信号频率之间的固定差值。
PLL的基本工作原理可以通过以下步骤描述：
1.稳定状态：在PLL电路的初始状态下，VCO的输出频率被设定为一
个初始值。锁相环比较器将输入信号和VCO的输出信号进行比较，然后将
比较结果送入低通滤波器。
2.锁定过程：当输入信号的频率略有变化时，比较器的输出信号会发
生变化。低通滤波器通过滤除比较器输出的高频成分，只保留其直流分量，然后将其送入VCO的控制端。通过控制输入给VCO的直流电压，VCO的输
出频率可以随之调整。
3.锁定稳态：经过一段时间后，VCO的输出频率将与输入信号频率之
间保持一个固定的差值，这个差值称为相位差。低通滤波器在此过程中起
到平滑响应的作用，保证VCO的控制电压逐渐稳定。
总结起来，PLL的基本工作原理可以概括为通过不断比较输入信号和VCO输出信号的相位差，然后通过调整VCO的输入电压来实现相位差的稳定。通过反馈电路和低通滤波器的作用，使得VCO的输出频率与输入信号
的频率之间相差一个固定的相位差。
1.鉴频功能：PLL电路可以对输入信号进行鉴频，即可以提取输入信
号的频率信息。通过测量输入信号和VCO输出信号的相位差，可以得到输
入信号的频率。
2.频率合成：通过改变VCO的控制电压，可以实现VCO输出频率是输入信号频率的整数倍。这可以用于产生高稳定性的时钟信号或者合成特定的频率信号。
锁相环的基本原理
锁相环的基本原理
引言
锁相环（Phase-Locked Loop，简称PLL）是一种常见的控制系统，广泛应用于通信、测量、时钟同步等领域。它通过对输入信号进行相位比较和调整，使输出信号与参考信号保持一定的相位关系。本文将详细介绍锁相环的基本原理。
锁相环的组成
一个典型的锁相环系统主要由三个基本部分组成：相位比较器（Phase Detector），低通滤波器（Loop Filter）和振荡器（VCO）。下面我们将分别对这三个部分进行解释。
相位比较器
相位比较器是锁相环的核心部件之一，它用于将输入信号与参考信号进行比较，并产生一个误差信号。常见的相位比较器有两种类型：边沿触发型（Edge-Triggered）和连续型（Continuous）。边沿触发型相位比较器在输入信号和参考信号上升沿或下降沿时产生脉冲输出；而连续型相位比较器则通过计算两个信号之间的差值来生成误差信号。无论是哪种类型，其目的都是测量输入信号和参考信号之间的相位差异。
低通滤波器
低通滤波器主要用于对相位比较器输出的误差信号进行滤波处理，以去除高频噪声和不稳定性。其作用是将高频成分抑制，只保留低频成分。常见的低通滤波器有三种类型：积分器（Integrator），比例积分器（Proportional-Integral）和比例
滤波器（Proportional Filter）。积分器主要对误差信号进行积分运算，从而产
生一个与相位差累积相关的控制信号；比例积分器在积分操作的基础上加入了比例项，可以更好地控制系统的动态响应；而比例滤波器则只保留误差信号的比例部分，适用于简单的锁相环系统。
锁相环原理及应用
锁相环原理及应用
锁相环（Phase-Locked Loop，PLL）是一种电子电路，主要用于调整
频率和相位，使其与输入信号同步，并用来提供高精度的时钟和频率合成。
锁相环的原理是通过不断比较参考信号和输出信号的相位差，并通过
反馈控制来调整输出信号的频率和相位，使输出信号与参考信号保持稳定
的相位关系。锁相环通常由相位比较器、低通滤波器、控制电压发生器、
振荡器等组成。
锁相环的工作过程可以简单描述为以下几个步骤：
1.相位比较：输入信号与参考信号经过相位比较器，比较它们之间的
相位差。
2.滤波调整：比较结果经过低通滤波器，得到一个控制电压，该控制
电压用于调整振荡器的频率和相位。
3.振荡器反馈：通过控制电压调整振荡器的频率和相位，使输出信号
与参考信号保持稳定的相位关系。
4.输出信号：输出信号作为锁相环的输出，可以用于时钟同步、频率
合成等应用。
锁相环具有许多应用。以下是一些常见的应用案例：
1.时钟同步：在数字系统中，锁相环常用于同步时钟信号，确保各个
子系统的时钟一致，避免数据传输错误和时序问题。
2.频率合成：通过锁相环可以将一个低频信号合成为一个高频信号，
常用于通信系统、雷达、音视频处理等领域。
3.相位调制和解调：锁相环可以用于实现相位调制和解调，常用于无线通信系统和调制解调器等。
4.频率跟踪和捕获：锁相环可以自动跟踪输入信号的频率变化并调整输出信号的频率，用于跟踪和捕获频率变化较快的信号。
锁相环的优点是可以实现高精度的频率和相位调整，对于精密测量、通信系统等需要高稳定性、高精度的应用非常重要。然而，锁相环也存在一些局限性，比如锁定时间相对较长，对噪声和干扰较敏感，需要合适的滤波器和设计来提高性能。
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锁相环(PLL)基本原理 设计与应用
第一节 第二节 第三节 第四节
反馈控制电路简介 自动增益控制电路（AGC） 自动频率控制（AFC）电路 锁相环路(PLL)基本原理
第 2 页
一、PLL概述 二、基本锁相环的构成 三、锁相环的基本原理 四、锁相环各组成部分分析 五、环路的锁定、捕获和跟踪，同步带和捕捉带
第 5 页
AGC电路接收方框图如图2-1所示。
图2-1 AGC电路的接收方框图
第 6 页
工作原理: 它的工作过程是输入信号 经放大、变频、再放大后，到 中频输出信号，然后把此输出电压经检波和滤波，产生控制电压 ， 反馈回到中频、高频放大器，对他们的增益进行控制。所以这种增 益的自动调整主要由两步来完成：第一，产生一个随输入 信号而变 化的直流控制电压 (叫AGC电压)；第二，利用AGC电压去控制某些 部件的增益, 使接收机的总增益按照一定规律而变化。
第六节 锁相环路的应用
一、集成锁相环芯片 二、 方波发生器 三、PLL在调制解调技术中的应用 四、PLL在空间技术上的应用 五、PLL在稳频技术中的应用 六、PLL在频率合成器中的应用
第 3 页
第一节 锁相环路(PLL)及其反馈控制电路简介
在无线电技术中，为了改善电子设备的性能，广泛采用各种 的反馈控制电路。常用的有自动相位控制（APC）电路，也称为锁 相环路（PLL-Phase Locked Loop），自动增益控（AGC）电路以 及自动频率控制（AFC）电路。
图4-5 三种常用的环路滤波器
第 26 页
环路滤波器的作用是滤除 ud(t) 中的高频分量及噪声，以保证环 路所要求的性能。
环路滤波器如果用的是图4-5（b）或（c）所示的比例积分器时， 比例积分器把鉴相器输出的即使是非常微小的电压积累起来，形成 一个相当大的VCO控制电压，并保持到 φo(t)=φi(t) 时刻。只要改变 环路滤波器的R1 、R2、C 就能改变环路滤波器的性能，也就方便的 改变了锁相环的性能。
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3．压控振荡器VOC
压控振荡器受环路滤波器输出电压uc(t) 的控制，使振荡频 率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频率相同，使得VCO输 出信号的相位和输入信号的的相位保持某种关系，达到相位锁定 的目的。
图4-2 基本锁相环框图
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鉴相器是相位比较装置，用来比较输入信号ui(t)与压控振荡 器输出信号uo(t) 的相位，它的输出电压ud(t)是对应于这两个信号 相位差的函数。
环路滤波器的作用是滤除ud(t)中的高频分量及噪声，以保 证环路所要求的性能。
压控振荡器受环路滤波器输出电压uc(t)的控制，使振荡 频率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频率相同，使得VCO 输出信号的相位和输入信号的相位保持某种特定的关系，达 到相位锁定的目的。
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四、锁相环各组成部分分析
1．鉴相器 鉴相器是锁相环路的关键部件，它的形式很多,我们仅介绍其 中常用的“正弦波鉴相器”。 1）正弦波鉴相器的数学模型 任何一个理想模拟乘法器都可以作为有正弦特性的鉴相 器。设输入信号为:
ui (t ) U1m sini t i (t )
uo (t ) U 2m coso t o (t )
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第四节
锁相环路(PLL)
一、PLL概述
锁相环路是一个相位误差控制系统，是将参考信号与输出信号 之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整输出信号的相位， 以达到与参考信号同频的目的。
环路 滤波器 压控
振荡器 输出信 号
参考信 号
鉴相器
图4-1 锁相环系统框图
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锁相接收机 微波锁相振荡源
高频成分
低频成分
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通过环路滤波器，把上式中高频分量滤除。则鉴相器的输出为
u d (t ) 1 AmU 1mU 2 m sin i (t ) o (t ) 2
ud (t ) K d sin (t )
式中 K d
1 AmU 1mU 2 m 2
其中Am 为乘法器的增益系数，量纲为1/V。
锁相环路应用
锁相调频器
锁相鉴频器
定时提取（滤波） 锁相频率合成器 ……
在锁相频率合成器中，锁相环路具有稳频作用，能够完成频 率的加、减、乘、除等运算，可以作为频率的加减器、倍频器、 分频器等使用。
二、基本锁相环的构成
基本的锁相环路组成
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鉴相器(PD-Phase Detector) 环路滤波器(LF-Loop Filter) 压控振荡器(VOC: Voltage Controlled Oscillater)
第 9 页 Ui与增益K的关系曲线 Ui与增益K的关系曲线
Ui与UO的关系曲线
加上AGC后，放大 器增益K随Ui的增加而减 小(曲线1)，因而输出电 压UO 和输入电压Ui不再 是线性关系，振幅特性 UO～ Ui不再是一条直线， 而是如 图2-3 所示的曲 线2’。
图2-3 简单的AGC特性
从曲线可知:当Ui 较小时，控制电压Up 也较小, 这时增益可K虽略有减小，但变化 不大，因此振幅曲线基本上仍是一段直线；当 足够大时，Up的控制作用较强，增益K 显著减小。这时UO基本保持不变，振幅特性曲线2‘的bc段所示。通常把UO基本上保持 不变这部分叫做AGC的可控范围。可控范围越大，AGC的特性越好。
(t ) i (t ) o (t )
鉴相器的作用：将两个输入信号的相位差φ(t) 转变为输出电压 ud(t)。
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由式
u d (t ) K d sin (t )可得出鉴相特性，如图4-3所示。
图4-3 正弦特性曲线 由于 ud(t) 随 φ(t) 作周期性的正弦变化，因此这种鉴相器称为 正弦波鉴相器。
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第三节 自动频率控制（AFC）电路
AFC电路也是一种反馈控制电路。他控制的对象是信号的频 率，其主要作用是自动控制振荡器的振荡频率。例如，在调频发射 机中如果振荡频率漂移，则利用AFC反馈控制作用，可以适当减少 频率变化，可以提高频率稳定度。又如在超外差接收机中，依靠 AFC系统的反馈调整作用，可以自动控制本振频率，使其与外来信 号频率之差值维持在接近中频得数值。
所以，当φ(t)≤30°时,鉴相器特性近似为直线，ud(t)与φ(t)成 正比。
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在时域中鉴相器数学模型如图4-4所示
图4-4 鉴相器的线性数学化模型（时域）
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2．环路滤波器（Loop Filter，简称LF)
环路滤波器是线性电路，由线性元件电阻、电感和电容组成， 有时还包括运算放大器在内。它是低通滤波器。在锁相环路中， 常用的滤波器有以下的三种，如图4-5所示。
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设输入信号ui(t)和本振信号(VCO输出信号）uo(t)分别是正弦和 余弦信号，它们在鉴相器内进行比较，鉴相器的输出是一个与两者 间的相位差成比例的电压ud(t)，一般把ud(t)称为误差电压。 环路低通滤波器滤除鉴相器中的高频分量，然后把输出电压ud(t) 加到VCO的输入端，VCO送出的本振信号频率随着输入电压的变化而 变化。如果二者频率不一致，则鉴相器的输出将产生低频变化分量 并通过低通滤波器使VCO的频率发生变化。只要环路设计恰当，则这 种变化将使本振信号的频率一致起来。 最后如果本振信号的频率和输入信号的频率完全一致，两者的 相位差将保持某一恒定值，则鉴相器的输出将是一个恒定直流电压 （高频分量忽略），环路低通滤波器的输出也是一个直流电压，VCO 的频率将停止变化，这时，环路处于“锁定状态”。
环路滤波器的作用是滤除ud(t)中的高频分 量及噪声，以保证环路所要求的性能。 环路 滤波器 压控
输出信号
鉴相器是相位比较装置，用来比较输入 信号ui(t)与压控振荡器输出信号uo(t) 的 相位，它的输出电压ud(t)是对应于这两 个信号相位差的函数。 参考信号
鉴相器
振荡器
压控振荡器受环路滤波器输出电压uc(t)的控制，使振 荡频率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频率相同， 使得VCO输出信号的相位和输入信号的相位保持某种 特定的关系，达到相位锁定的目的。
它们所起的作用不同，电路构成也不同，但它们同属于反馈 控制系统，其基本工作原理和分析方法是类似的。
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第二节 自动增益控制电路（AGC）
自动增益控制电路是某些电子设备特别是接收设备的重要辅 助电路之一，其主要作用是使设备的输出电平保持一定的数值。 所以也叫自动电平控制（ALC）电路。 自动增益控制电路是一种反馈控制电路，当输入信号电平变 化时，用改变增益的方法，维持输出信号电平基本不变的一种反 馈控制系统。
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2）鉴相器线性化的数学模型
当 i (t ) o (t ) 30o 时，
sin i (t ) o (t ) i (t ) o (t )
因此可以把式
u d (t ) K d sin (t ) 写成
ud (t ) K d i (t ) o (t ) K d (t )
压控振荡器: 指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路(VCO)，频率是 式中C0是零反向偏压时 输入信号电压的函数的振荡器VCO，振荡器的工作状态或振荡回 变容二极管的电容量；φ 路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器 是变容二极管的结电压； γ 是结电容变化指数。
三、锁相环的基本原理
压控振荡器的输出信号为:
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在一般情况下，ωi 不一定等于ωo ，所以为了便于比较两者 之间的相位差，现都以ωo t 为参考相位。这样 ui(t) 的瞬时相位 为:
it i (t ) ot i o t i (t )
ot i (t )
其中:
i (t ) i o t i (t ) t i (t )
i o 是输入信号角频率与VCO振荡器信号角频率之差， 称之为固有频差。
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按上面的新定义，可将式PLL输入、输出信号改写为
ui (t ) U1m sino t i (t )
uo (t ) U 2 m cos0t o (t ) U 2 m cos0t o (t )
式中 o (t ) o (t ) ，经乘法器相乘后，其输出为
1 ui (t ) uo (t ) Am AmU1mU 2 m sin 2o t i (t ) o (t ) sin i (t ) o (t ) 2
产生控制信号的简单的AGC电路如图1-2所示。
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图2-2 简单的AGC电路
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工作原理: 图2-2是简单AGC电路, 这是一种常用的电路。 是中 频放大管，中频输出信号经检波后，除了得到音频信号外，还 有一个平均分量（直流） ，它的大小和中频输出载波幅度成正 比，经滤波器 ，把检波后的音频分量滤掉，使控制电压 不受音 频电压的影响，然后把此电压（AGC控制电压）加到 的基极， 对放大器进行增益控制。
第 11 页ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
•自动频率控制(AFC)的原理框图
图3-1 AFC的原理方框图
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工作原理: 图3-1是AFC的原理框图。被稳定的振荡器频率f0 与标准 频率fr 在频率比较器中进行比较。当f0 = fr时，频率比较器无输出， 控制元件不受影响；当 f0 ≠ fr时，频率比较器有误差电压输出，该电 压大小与| f0 - fr | 成正比。此时，控制元件的参数即受到控制而发生 变化，从而使 发生变化，直到使频率误差 减小到某一定值Δ f ，自 动频率微调过程停止，被稳定的振荡器就稳定在 f0 = f0± Δf 的频率 上。 AFC电路是以消除频率误差为目的的反馈控制电路,由于它的基本 原理利用频率误差电压去消除频率误差,这样,当电路达到平衡时,必然 有剩余的频率误差存在,无法达到现代通信中对高精度频率同步(频差 为0)和相位跟踪的广泛要求.要实现频率和相位的跟踪,必须采用自动 相位控制电路,即锁相环(PLL: Prase Locked Loop)