锁相环路的分析
锁相环输入与输出相位误差范围
锁相环输入与输出相位误差范围1.概述锁相环是一种常用的控制系统，在通信、导航、雷达等领域中有着广泛的应用。
锁相环的输入输出相位误差范围是一个十分重要的参数，它决定了锁相环系统的性能和稳定性。
本文将围绕锁相环输入与输出相位误差范围展开讨论，并对其影响因素和优化方法进行分析。
2.锁相环输入相位误差范围的影响因素锁相环输入相位误差是指锁相环输入信号的相位偏离理想值的范围。
其大小受到多种因素的影响，主要包括：2.1 输入信号的频率稳定性：输入信号的频率稳定性直接影响了输入相位误差的大小。
频率稳定性越高，输入相位误差范围越小。
2.2 输入信号的幅度稳定性：输入信号的幅度稳定性对输入相位误差范围也有一定影响。
幅度稳定性差的输入信号可能会引起信号抖动，从而导致输入相位误差增大。
2.3 信噪比：信噪比低的输入信号容易受到噪声的干扰，从而引起输入相位误差的增大。
2.4 环路滤波器的带宽：锁相环环路滤波器的带宽与输入相位误差范围之间存在一定的关系，带宽越宽，输入相位误差范围越小。
3.锁相环输出相位误差范围的影响因素锁相环输出相位误差是指锁相环输出信号的相位偏离理想值的范围。
其大小受到多种因素的影响，主要包括：3.1 锁相环环路带宽：锁相环环路带宽决定了输出相位误差的范围。
带宽越宽，输出相位误差范围越小。
3.2 锁相环环路延迟：环路延时对输出相位误差也有一定的影响。
延时越大，输出相位误差范围越大。
3.3 VCO非线性：若锁相环中的VCO非线性较大，可能导致输出相位误差范围增大。
3.4 锁相环环路噪声：锁相环环路中的噪声也会对输出相位误差造成一定的影响。
4.优化锁相环输入与输出相位误差范围的方法针对锁相环输入与输出相位误差范围较大的问题，可以采取以下优化方法：4.1 提高输入信号的频率稳定性和幅度稳定性，减小噪声对输入相位误差的影响。
4.2 调整锁相环环路带宽和延时，优化环路滤波器的设计。
4.3 采用低非线性的VCO模块，并加强对环路中噪声的抑制与滤除。
锁相环的组成和原理及应用
锁相环的组成和原理及应用一.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uD(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uC(t)，对振荡器输出信号的频率实施控制。
二.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uD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uC(t)。
即uC(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，uc(t)为恒定值。
锁相环的工作原理与电路分析
锁相环的工作原理与电路分析在通用的锁相环频率合成器集成电路中，品种较多，采用MBl504(16脚)MB1511（20脚）等锁相环集成电路较多，而KENWOOD的不少产品中才用1511,和15A02的芯片,图1为该电路采用MBl511锁相环路IC，直插式20脚，从MPU（微处理机）经过CK、DA、LE线路，将脉冲同步，数据信号串行输送到锁相集成电路的11，13，14脚，IC1分频因子数由输入的串行信号所决定，而PLL电路输出频率受控于选通，同步数据传输来的信号。
压控振荡器产生的发射频率，接收机的本振频率，这个频率导通开关三极管被送到IC1的10(Fin)脚上，在IC1内部的程控分频器将10脚(Fin)的输入频率降为5kHz送入鉴相器。
基准晶体振荡器X1产生一个12.8MHZ的频率送到IC1的1、2脚，进入内部的前置分频器，将12.8MHz频除2560后，变成5kHz送入鉴相器，两个5kHz频率在鉴相器内进行相位比较，产生一个相差信号通过内部的电源泵从第8脚(DO)输出。
输出经过低通滤器滤去5k Hz的低频波成为相应的直流分量，这个直流分流分别送到RXVCO的变容二极管上同时也送到TXVCO 变容二极，这个直流电压（CV）手台一般为0.6-4.8V为锁定电压，有的车台为0.6-7.8V视3脚的泵电源的大小而定（有的手台经过DC-DC升压变为12V）。
VCO的震荡频率被锁定后经射频缓冲放大器送到发射或混频，IC1的8脚（LD）是失锁检测，5V的电压经R1、D1 加给IC1的8脚（LD）正常时为高电平，失锁时为低电平，MPU通过检测到低电平时将通过IC114（LE）使数据锁存失效（关闭）电源泵会维持在一个高电平或低电平。
停止锁相。
以上是个人的理解由于资料有限，如有错误望指出谢谢此主题相关图片如下：此主题相关图片如下：。
【非常好】锁相环原理解析
随时间摆动。
6.4
当 o r 时， e t 随时间 i o 减小，pe小， 增长慢。
当o r 时，
pe大， i o 增大，
e t 随时间增长快。
如图6.4.2（a）所示。
显然， d (t ) 不再是正弦 波，而是正半周长、负半周
锁定。
（B）i 比（A）大
d 经LF后的衰减更大，加到VCO上的 c很小。 显然，
VCO的 o在 r 上、下摆动的幅度更小。使o 不能摆到 i
上，但由于i是恒定的，而 o 又在r 、下摆动，因而
6.4
他们之间的差拍 i o 将相应随时间摆动。使d 不再 是正弦波，而是正半周长负半周短的不对称波形。
i 30 103 o e arcsin arcsin 48.59 Ad A0 4 104
要维持此相差的误差电压为
c d Ad sin e (t ) 2sin 48.59o 1.5(V)
2、当 i Ad A0 时 设 i i r ，闭合前：VCO的角频率为 r 环路闭合的瞬间，由PD产生 d t Ad sin e t 此时
在二阶环路中，由于有低通滤波器作为环路滤波器，
它相当于一个积分器，将鉴相器输出的直流分量积分。 从而使环路滤波器输出的控制电压不断增加，使压控振
荡器的振荡频率不断向输入信号频率靠近，直至环路进
入相位锁定状态。如果有源积分滤波器为理想积分滤波 器，那么不管固有频差为多大，经过频率牵引总能使环 路达到锁定状态.
1 1 c RC
2
1 RC 的条件
∴ AF c
1 c RC
1 代入计算 c 的公式中： c Ad Ao c RC
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
锁相技术知识点
第一章锁相环路的基本工作原理：1.锁相环路是一个闭环的相位控制系统；锁相环路（PLL）是一个相位跟踪系统，它建立了输出信号顺时相位与输入信号瞬时相位的控制关系。
2. 若输入信号是未调载波，θi(t)即为常数，是u i(t)的初始相位；若输入信号时角调制信号（包括调频调相），θi(t)即为时间的函数。
3．ωo是环内被控振荡器的自由振荡角频率；θo(t)是以自由振荡的载波相位ωo t为参考的顺时相位，在未受控制以前它是常数，在输入信号控制之下，θo(t)即为时间的函数。
4. 输入信号频率与环路自由振荡频率之差，称为环路的固有频率环路固有角频差：输入信号角频率ωi与环路自由振荡角频率ωo之差。
瞬时角频差：输入信号频率ωi与受控压控振荡器的频率ωv之差。
控制角频差：受控压控振荡器的频率ωv与自由振荡频率ωo之差。
三者之间的关系：瞬时频差=固有频差-控制频差。
5. 从输入信号加到锁相环路的输入端开始，一直到环路达到锁定的全过程，称为捕获过程。
6. 对一定环路来说，是否能通过捕获而进入同步完全取决于起始频差。
7. 锁定状态又叫同步状态：①同频②相位差固定8. 锁定之后无频差，这是锁相环路独特的优点。
9. 捕获时间T p的大小除决定于环路参数之外，还与起始状态有关。
10.若改变固有频差∆ωo，稳定相差θe(∞)会随之改变。
11.锁相环路基本构成：由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和电压控制振荡器（VCO）组成。
12.鉴相器是一个相位比较装置，鉴相器的电路总的可以分为两大类：第一类是相乘器电路，第二类是序列电路。
13.环路滤波器具有低通特性。
常见的环路滤波器有RC积分滤波器、无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器三种。
（会推导它们的传输算子）14.电压振荡器是一个电压-频率变换装置，它的振荡频率应随输入控制电压u c(t)线性的变化。
15.压控振荡器应是一个具有线性控制特性的调频振荡器。
要求压控振荡器的开环噪声尽可能低，设计电路时应注意提高有载品质因素和适当增加振荡器激励功率，降低激励级的内阻和振荡管的噪声系数。
锁相环工作原理
锁相环工作原理锁相环路是一种反馈电路，锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop,简称PLL。
其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位差同步。
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。
在数据采集系统中，锁相环是一种非常有用的同步技术，因为通过锁相环，可以使得不同的数据采集板卡共享同一个采样时钟。
因此，所有板卡上各自的本地 80MHz和20MHz时基的相位都是同步的，从而采样时钟也是同步的。
因为每块板卡的采样时钟都是同步的，所以都能严格地在同一时刻进行数据采集。
锁相环路是一个相位反馈自动控制系统。
它由以下三个基本部件组成：鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）。
锁相环的工作原理：1. 压控振荡器的输出经过采集并分频；2. 和基准信号同时输入鉴相器；3. 鉴相器通过比较上述两个信号的相位差(注顾名思义为相位差,非频率差)，然后输出一个直流脉冲电压；4. 控制VCO，使它的频率改变；5. 这样经过一个很短的时间，VCO 的输出就会稳定于某一期望值。
锁相环可用来实现输出和输入两个信号之间的相位差同步。
当没有基准（参考）输入信号时，环路滤波器的输出为零（或为某一固定值）。
这时，压控振荡器按其固有频率fv进行自由振荡。
当有频率为fR的参考信号输入时，uR 和uv同时加到鉴相器进行鉴相。
如果fR和fv相差不大，鉴相器对uR和uv进行鉴相的结果，输出一个与uR和uv的相位差成正比的误差电压ud，再经过环路滤波器滤去ud中的高频成分，输出一个控制电压uc，uc将使压控振荡器的频率fv（和相位）发生变化，朝着参考输入信号的频率靠拢，最后使fv= fR，环路锁定。
环路一旦进入锁定状态后，压控振荡器的输出信号与环路的输入信号（参考信号）之间只有一个固定的稳态相位差，而没有频差存在。
PLL锁相环详解-经典收藏
PLL的概念我们所说的PLL。
其实就是锁相环路，简称为锁相环。
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。
目前锁相环主要有模拟锁相环，数字锁相环以及有记忆能力（微机控制的）锁相环。
PLL的组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，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uD（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uC（t），对振荡器输出信号的频率实施控制。
压控振荡器（VCO）的基本概念调节可变电阻或可变电容可以改变波形发生电路的振荡频率，一般是通过人的手来调节的。
而在自动控制等场合往往要求能自动地调节振荡频率。
常见的情况是给出一个控制电压（例如计算机通过接口电路输出的控制电压），要求波形发生电路的振荡频率与控制电压成正比。
这种电路称为压控振荡器，又称为VCO或u-f转换电路。
压控振荡器是锁相环中关键部件，在实际应用中有很多种结构。
压控振荡器（VCO）电路的举例和原理利用集成运放就可以构成精度高、线性好的压控振荡器。
我们知道积分电路输出电压变化的速率与输入电压的大小成正比，如果积分电容充电使输出电压达到一定程度后，设法使它迅速放电，然后输入电压再给它充电，如此周而复始，产生振荡，其振荡频率与输入电压成正比。
即压控振荡器。
模拟电子技术基础 7.3锁相环路(PLL)PPT课件
LF
VCO
输入调频信号
输出解调信号
uＣ(t)
捕捉带 ＞ 输入调频信号的最大频偏
环路带宽＞输入调频信号中调制信号的频谱பைடு நூலகம்度
为实现不失真解调，要求：
2. 调幅波的同步检波
乘积型同步检波框图
AMXY
LPF
uO(t)
ur(t)
us(t)
同步信号利用PLL提取
2. 调幅波的同步检波
PDⅡ的输入信号只在上升沿起作用，故该PD能处理非常窄的脉冲。
工作波形
VCO输入
VDD
PDⅡ输出
u14
u3
u13
锁定指示：锁定时高电平 失锁时低电平
u1
u9
PDⅡ称为鉴频鉴相器，因为：
o
uD(t)
PLL基本方程 的含义？
PLL基本方程 的含义？
7.3 锁相环路
可以锁定相位，可以消除频率误差,实现频率的无误差跟踪
主要要求：
掌握PLL的基本组成、工作原理和锁定的概念。
了解PLL的相位模型和基本方程。
了解PLL的捕捉与跟踪。
7.3 锁相环路
了解集成PLL和PLL的应用。
7.3.1 锁相环路基本原理
一、 锁相环路基本组成
鉴相器（PD）：用以比较ui、 uo相位， 输出反映相位误差 的电压uD(t)
CMOS锁相环路CD4046简介
为数字PLL。内有两个PD、VCO、缓冲放大器、输入信号放大与整形电路、内部稳压器等。
具有电源电压范围宽（5~15V）、功耗低、输入阻抗高等优点。工作频率0~1MHz
内部VCO产生50%占空比的方波。输出电平可与TTL电平或CMOS电平兼容。
解调电压输出
锁相环的基本原理锁相环基本原理及其应用
锁相环的基本原理锁相环基本原理及其应用锁相环的基本原理锁相环基本原理及其应用锁相环及其应用所谓锁相环路，实际是指自动相位控制电路（APC），它是利用两个电信号的相位误差，通过环路自身调整作用，实现频率准确跟踪的系统，称该系统为锁相环路，简称环路，通常用PLL表示。
锁相环路是由鉴相器(简称PD)、环路滤波器（简称LPF或LF）和压控振荡器（简称VCO）三个部件组成闭合系统。
这是一个基本环路，其各种形式均由它变化而来PLL概念设环路输入信号v= Viomimsin(ωit+φi)环路输出信号v= Vosin(ωot+φo)——其中ωo=ωr+△ωo通过相位反馈控制，最终使相位保持同步，实现了受控频率准确跟踪基准信号频率的自动控制系统称为锁相环路。
PLL构成由鉴相器（PD）环路滤波器（LPF）压控振荡器（VCO）组成的环路。
PLL原理从捕捉过程→锁定A.捕捉过程（是失锁的）a. b.φi┈φi均是随时间变化的，经相位比较产生误差相位φe=φi-φo,也是变化的。
φe(t)由鉴相器产生误差电压v(t)=f(φde)完成相位误差—电压的变换作用。
v(t)为交流电压。
dc.v(t)经环路滤波，滤除高频分量和干扰噪声得到纯净控制电压，由VCO产生d控制角频差△ω0,使ω0随ωi变化。
B.锁定（即相位稳定）a. b.一旦锁定φe(t)=φe∞（很小常数）v(t)= V（直流电压）ddω0≡ωi输出频率恒等于输入频率（无角频差，同时控制角频差为最大△ω0max, 即ω0=ωr＋△ω0max。
ωr为VCO固有振荡角频率。
）锁相基本组成和基本方程(时域)各基本组成部件鉴相器(PD)数学模式v(t)=AsinφdDe(t)相位模式环路滤波器(LPF) 数学模式v(t)=A(P) v(t)cFd相位模式压控振荡器(VCO)数学模式相位模式环路模型相位模式：指锁相环(PLL)输入相位和输出相位的反馈调节关系。
相位模型：把鉴相器,环路滤波器和压控振荡器三个部件的相位模型依次级联起来就构成锁相相位模型。
锁相实验心得(通用5篇)
锁相实验心得(通用5篇)锁相实验心得篇1锁相实验是一种用于研究信号处理和系统同步的重要实验方法。
在本次实验中，我们主要探讨了锁相环路的原理、设计及其在控制系统中的应用。
通过本次实验，我对锁相环路的原理和设计有了更深入的理解，并在实践中提高了自己的技能。
在实验中，我们首先介绍了锁相环路的背景和意义。
作为一种常见的信号处理方法，锁相环路在许多领域中都有着广泛的应用，如通信、控制和测量等。
通过对其工作原理和特性的学习，我对锁相环路的应用有了更清晰的认识。
接着，我们详细讲解了锁相环路的原理和设计。
通过模拟仿真和实际电路搭建，我对锁相环路的性能和参数调整有了更深入的了解。
我学会了如何根据具体应用场景选择合适的环路带宽、相位裕度等参数，以实现系统同步和稳定。
在实验过程中，我遇到了一些问题，如电路调试不成功、参数调整不当等。
通过查阅资料和与同学讨论，我找到了问题的原因并加以解决。
这些问题让我更加深入地理解了锁相环路的原理和设计，提高了我的实践技能。
通过本次实验，我收获颇丰。
我深刻理解了锁相环路的原理和设计，掌握了其应用技巧。
同时，我也发现了自己在实验中的不足之处，如对电路理论知识的欠缺、实验技能的提升等。
在未来的学习和工作中，我将继续努力，提高自己的理论水平和实践能力，以更好地应对各种挑战。
总之，本次实验让我对锁相环路的原理和设计有了更深入的理解，提高了我的实践技能。
我将继续深入学习相关理论，并将其应用于实践中，为未来的研究和工作打下坚实的基础。
锁相实验心得篇2在进行锁相实验的过程中，我不仅加深了对相关理论知识的理解，还提高了自己的实验技能。
这次经历使我对信号处理和自动控制有了更深入的认识。
在实验中，我首先根据实验要求，搭建了锁相实验的电路。
我仔细检查了电路连接，确保无误。
然后，我输入待测信号，并观察了实验结果。
通过对比实验结果和预期结果，我发现自己的实验技能有了显著提高。
在实验过程中，我遇到了一些问题。
例如，在调整电路参数时，我无法使输入信号与反馈信号保持相位同步。
电荷泵锁相环的模型研究和电路设计
结论
本次演示对电荷泵锁相环的模型研究和电路设计进行了详细探讨。通过建立 数学模型并简化分析，我们发现电荷泵锁相环的性能主要受到电荷泵增益、环路 滤波器时间常数以及输入信号频率的影响。在此基础上，我们设计了一款电荷泵 锁相环电路，并对关键元件进行了选择和优化。然而，该电路仍存在一些不足之 处，需要进一步改进。
2、低功耗：该设计方案采用了先进的工艺和电路设计，使得芯片的功耗较 低，延长了设备的使用寿命。
3、高集成度：所设计的锁相环集成电路芯片具有高集成度，减小了设备的 体积和重量，方便了实际应用。
结论：
本次演示通过对高速锁相环集成电路芯片的深入研究和实验验证，提出了一 种针对高速条件下的高效设计方案。实验结果表明，所设计的芯片在高速条件下 具有良好的性能和可靠性。但是，我们也意识到该设计方案仍存在一些不足之处， 例如在复杂电磁环境下的稳定性等问题。
近年来，随着太阳能技术的快速发展，光伏并网逆变器在太阳能发电系统中 得到了广泛应用。三相锁相环设计在光伏并网逆变器控制中具有重要意义，是实 现并网稳定运行的关键技术之一。本次演示将阐述三相锁相环设计及光伏并网逆 变器控制的研究内容和方法。
在光伏并网逆变器控制领域，文献综述表明，现有的研究主要集中在逆变器 拓扑结构、控制策略和并网保护等方面。其中，三相锁相环设计是逆变器控制策 略中的重要组成部分。已有的三相锁相环设计方法主要包括基于PI调节器和基于 同步检测器的设计方法。然而，这些方法在实时性、准确性和稳定性方面仍存在 一定的问题，特别是在复杂环境和恶劣条件下。
模型研究
1、电荷泵锁相环的原理和内部 机制
电荷泵锁相环主要由电荷泵、环路滤波器（Loop Filter）和电压控制振荡 器（VCO）三个主要部分组成。其工作原理是，通过电荷泵将输入信号的相位差 转化为电压，再经环路滤波器滤除高频成分，得到控制VCO的直流电压，最终实 现输出信号与输入信号的相位和频率同步。
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。
锁相环分析
几种常见锁相环分析并网变换器对锁相环的基本要求：（1）电网电压经常发生跌落、闪变等动态电能质量问题，并且这些异常的出现均是不可预计而且需要及时补偿的。
所以要求并网变换器能够对电网电压相位的变化在ms级的时间内能做出快速的响应，即要求并网变换器的锁相方法要有良好的动态性能，保证当电压跌落和骤升时不对锁相性能造成太大影响。
（2）三相电压不平衡时，要求电力电子装置的锁相方法能够捕获正序基波分量的相位，对三相不平衡情况有很强的抑制作用。
（3）锁相环应该能快速检测到电网电压发生相位、频率突变等问题。
（4）要求锁相方法对畸变电压要有很强的抑制作用。
（5）对于一些电力补偿装置如动态电压恢复器，锁相方法不仅要实时检测网侧电压的相位，而且要实时监测网侧电压的幅值变化状况用来判断并决定电力补偿装置的工作模式1、基于低通滤波器的锁相方法Karimi-Ghartemani.M和Reza Iravani.A提出了基于低通滤波器的锁相方法，其原理如图所示。
三相电网电压从三相静止坐标系转换为两相静止坐标系，利用常见的低通滤波器滤除电网中的谐波干扰，然后对信号进行标么化处理，从而得到电网电压的相位，旋转矩阵R用于补偿滤波器所造成的相位滞后。
原理及R优点：避免检测过零点带来的问题缺点：1、在设计低通滤波器时，需要在系统滤波器的鲁棒性和动态响应之间做出折中的选择，较低的截止频率可以抑制系统谐波对相位检测的干扰，但是也相应的降低了系统的响应速度。
2、这种方法需求得反三角函数值，计算速度较慢，尤其在系统频率变动和三相电压不平衡时，对畸变电压的抑制作用弱，因此无法正确锁相。
参考文献Method for Synchronization of Power Electronic Converters in Polluted and Variable-Frequency2、基于空间矢量滤波器(SVF)的锁相方法空间矢量滤波器是一种用于空间矢量滤波的新型滤波器，它是基于电网电压的αβ分量相互关系相互影响的基础上提出的。
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线性关系，即输出频率随着输入电压的变化而变化。
通过改变电压控制振荡器的输入电压，即通过低通滤波器输出的信号，可以调整输出信号的频率，从而使得输出信号与参考信号的频率一致。
4. 频率分割器（Frequency Divider）：频率分割器用于将电压控制振荡器的输出频率分割成较低的频率。
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。
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。
综上所述，锁相环是一种基于反馈控制的电子电路，通过比较输入信号和参考信号的相位差来调整输出信号的频率和相位。
它在时钟同步、频率合成、相位调制解调、频率跟踪捕获等应用中起到重要作用。
锁相环的原理和应用对于理解和设计高精度的电子系统非常关键。
锁相环环路带宽和鉴相带宽
锁相环环路带宽和鉴相带宽锁相环（Phase-Locked Loop，PLL）是一种广泛应用于通信、控制系统等领域的电子电路。
它通过比较输入信号和输出信号的相位差异，并通过反馈调整输出信号的频率和相位，使得输出信号与输入信号保持稳定的相位关系。
在锁相环中，环路带宽和鉴相带宽是两个重要的参数，它们在锁相环的设计和性能分析中起着关键作用。
我们来了解一下环路带宽。
环路带宽是指锁相环中的控制回路所能跟踪的输入信号频率变化的最大范围。
它直接影响着锁相环的动态响应速度和稳定性。
环路带宽越大，锁相环对输入信号的变化越敏感，响应速度也越快；反之，环路带宽越小，锁相环对输入信号的变化越不敏感，响应速度也越慢。
在实际应用中，选择合适的环路带宽非常重要。
如果环路带宽过小，锁相环对输入信号的变化反应不及时，会导致输出信号的相位偏差过大，甚至无法锁定输入信号；而如果环路带宽过大，锁相环对噪声和干扰信号的抑制能力较差，容易受到外界干扰而失去锁定。
因此，在实际设计中，需要根据具体应用场景和性能要求来选择适当的环路带宽。
接下来，我们来看一下鉴相带宽。
鉴相带宽是指锁相环中的鉴相器所能跟踪的输入信号频率变化的最大范围。
鉴相带宽与环路带宽密切相关，它决定了锁相环的工作范围和稳定性。
鉴相带宽越大，锁相环可以跟踪的输入信号频率范围也就越广；反之，鉴相带宽越小，锁相环只能跟踪较窄范围内的输入信号频率。
在实际应用中，选择合适的鉴相带宽同样非常重要。
如果鉴相带宽过小，锁相环无法跟踪输入信号的频率变化，会导致输出信号的相位偏差过大，无法保持稳定的锁定；而如果鉴相带宽过大，锁相环对于噪声和干扰信号的抑制能力较差，容易受到外界干扰而失去锁定。
因此，在设计锁相环时，需要合理选择鉴相带宽，以确保锁相环的稳定性和性能。
总结一下，锁相环的环路带宽和鉴相带宽是决定锁相环性能的重要参数。
合理选择环路带宽和鉴相带宽，可以确保锁相环对输入信号的跟踪和锁定能力，提高系统的稳定性和性能。
《锁相环路》课件
环路滤波器
01
环路滤波器是锁相环路中的重要组成部分，用于滤除
鉴相器输出信号中的高频分量，以减小噪声和干扰。
02
它通常由RC电路或运算放大器构成，能够实现低通
滤波功能。
03
环路滤波器的参数设置对锁相环路的性能有很大影响
，需要根据实际情况进行调整。
压控振荡器
01
压控振荡器是锁相环路中的输出信号源，用于产生调频或调相 的输出信号。
05
锁相环路的设计与实现
设计原则与步骤
设计原则：稳定性、准确 性、可靠性、易实现性。
1. 确定系统参数和性能指 标。
3. 进行理论分析和仿真验 证。
设计步骤
2. 选择合适的元件和电路 结构。
4. 优化设计并进行实验测 试。
实现方法与技巧
实现方法：硬件实现、软件实现、软硬件结合 实现。
01
1. 选择合适的元件和电路，确保稳定性。
跟踪速的频率与相位精度
频率精度
锁相环路输出信号的频率与输入信号的频率之间的误差。
相位精度
锁相环路输出信号的相位与输入信号的相位之间的误差。
抗干扰性能与稳定性
抗干扰性能
锁相环路在存在噪声或干扰的情况下，保持锁定状态的能力。
稳定性
锁相环路在各种工作条件下，性能参数的变化情况，以及环路对参数变化的适应能力。
输出信号的调整与控制
调整环路参数
根据误差信号调整环路参数，如环路滤波器的增益、相位滞后等，以控制环路输 出信号的相位。
控制环路状态
通过调整环路参数，控制环路的锁定状态，使环路输出信号的相位与输入信号保 持一致。
04
锁相环路的性能指标
锁定时间与跟踪速度
锁定时间
锁相环
留差频分量作为压控振荡器的输入控制电压 ud(t)，则ud(t)为：
3 锁相环的基本组成分析
1、鉴相器（PD）（续） （1）正弦波鉴相器（基于模拟乘法器）（续）
ud
(t)
1 2
AmU1mU 2m
sin{[it
i
(t)]
[ot
o (t)]}
Kd sin{(i o )t [i (t) o (t)]}
其中：
1 Kd 2 AmU1mU2m
令 d (t) (i o )t [i (t) o (t)]
则有：
ud (t) Kd sin d (t)
表明 ud (t) 具有正弦特性。
3 锁相环的基本组成分析
1、鉴相器（PD）（续）
（2）正弦波鉴相器（基于模拟乘法器）的功能模型
全国电视台的锁相连播同步系统，高保真度设备中的立体声多路解码（MPX）、频 率合成式调谐器、四声道解调器（CD-4）及走带电机速度控制系统中。
1 锁相环路概述
二 应用概述（续）
（6）在测量仪表中的应用 主要用于频率合成器、自锁信号发生器、相位振幅仪（矢量电压表、微波网络分
析仪）、相位噪声测试仪、频谱分析仪、锁相计数器、阻抗测试仪、电平振荡器、 频偏仪、微波固态源、微波功率放大器以及微波相位调整器等仪表中。
外夜视瞄准设备中。
（9）在生物、医疗电子学中的应用 主要用于医疗仪表中，目前国外还提出用锁相理论来探讨癫痫病理，以寻找物理
治疗的方法等。
（10）计算机应用
在计算机系统中，时钟信号的产生电路中，采用锁相环技术，可根据系统的运行
状态，调节系统的时钟。
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2 锁相环的基本结构和工作原理
锁相环路（PLL）组成框图如下图所示：
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12.5.1 一阶锁相环路12.5.2 二阶锁相环路
频电子线路》（第四版）张肃文主编
高等教育出版
)()()()()(s KF s s KF s s s H +==1V θθ)()
()(1)()()(s KF s s s s s s s H e +=-==1V 1e θθθθ传递函数的阶数取决于滤波器的传输函数F (ｓ)的形式，亦即取决于环路滤波器的形式。
根据F (ｓ)的不同，可将锁相环路分为一阶、二阶以至更高阶的形式。
频电子线路》（第四版）张肃文主编高等教育出版
K s K s s s H +==)()()(1V θθK
s s s s s s s H +=-==)()(1)()()(1V 1e e θθθθ1)(=s F )()()()()(s KF s s KF s s s H +==1V θθ)()()(1)()()(s KF s s s s s s s H +=-==1V 1e e θθθθ频电子线路》（第四版）张肃文主编
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图12.5.1 一阶锁相环路频率特性
1)频率特性频电子线路》（第四版）张肃文主编
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(1) 环路传输函数Ｈ(j ω)具有低通特性，其物理意义是：输入信号θ1(t )中的各种频率分量，经过环路传输后，只有低频成分出现在输出信号θV (t )中。
(2) 误差传输函数１－Ｈ(j ω) 具有高通特性，其物理意义是：误差信号θe (t)中含有θ1(t)中的高频成分，这是因为θ1(t)在环路之外，因此它的高频成分不能被滤除。
结论：频电子线路》（第四版）张肃文主编
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２）环路的锁定0
)()(sin )(=-+t t t K t t d d d d 1e e θθθ现在来研究锁相环路的锁定问题，这时必须考虑环路的非线性，这主要是由鉴相器的非线性所引起的。
)()(1t t t R θω∆θ+=0)(sin )(=-+ω∆θθt K t
t e e d d 常数常数；==)(t R θω∆频电子线路》（第四版）张肃文主编
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(1) 环路的锁定条件是：(2) 当环路闭合时，在任何瞬间的环路瞬时频差都等于环路的固有频差与控制频差的差值。
或者说，瞬时频差与控制频差的代数和等于固有频差。
结论：0)(lim =∞→t t t d d e θK t t ω∆θ=∞→)(sin lim e 1<K ω∆)(sin )(t K t t e e d d θω∆θ-=ω∆θθ=+)(sin )(t K t
t e e d d 频电子线路》（第四版）张肃文主编高等教育出版
(3) 环路锁定后，有一个固定的剩余相位差，即稳态相位差结论：K ω∆θarcsin )(=∞e 频电子线路》（第四版）张肃文主编高等教育出版
3）捕捉带与同步带当锁相环路本来处于失锁状态时，由于环路的作用，使压控振频率逐渐向标准参考频率靠近，靠近到一定程度后，环路即能进入锁定。
这一过程叫做捕捉过程。
系统能捕捉的最大频率失谐范围称为捕捉带或捕捉范围。
当环路已锁定后，如果由于某种原因引起频率变化，这种频率变化反映为相位变化，则通过环路的作用，可使VCO 的频率和相位不断跟踪变化。
这时环路即处于跟踪状态。
环路所能保持跟踪的最大失谐频带称为同步带，又称同步范围或锁定范围。
频电子线路》（第四版）张肃文主编高等教育出版
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从闭环开始，由不同步到达同步所需的时间叫做捕捉时
间。
可以证明，在小扰动的条件下，一阶环路的捕捉时间为
2
21ω∆τ-=K p 由此可见，要缩短捕捉时间（锁定时间），就要提高环路的总增益Ｋ。
K
t t ω∆θ=∞→)(sin lim e 1<K
ω∆K
=H ω∆频电子
线
路》
（
第四
版）
张
肃文
主
编高
等教育出版
４）差拍状态
图12.5.5 一阶锁相环路的相图
1
>K
ω
∆频电子线路》（第四版）张肃文主编高等教育出版
频电子线路》（第四版）张肃文主编高等教育出版
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从以上对一阶环路的分析可知，这种环路只有一个可供调整的参数Ｋ，而环路的各种重要特性都由它来决定。
这就遇到了不可克服的矛盾，因为若希望环路的同步范围大和稳态相差θe 小，则要求增益Ｋ大。
但在增大Ｋ值的同时，环路的截止频率ωｃ也提高了，因此环路的滤波性能变坏。
一阶环路不能解决这样的矛盾，所以实际使用的锁相环路总是要有适当的滤波器，以克服上述困难，并改善
环路的性能。
加入滤波器后，环路即变成高阶的，
频电子线路》（第四版）张肃文主编高等教育出版
2
2212)(n n n
ω
ζω
ω++=s s s H 采用不同的一阶低通滤波器，锁相环路的基本方程式的频域形式有
22222)/2()(n n n n n ωζωωωζω+++-=s s K s s H 2
2
2
322)(n
n n n ωζωω
ζω+++=s s s s H ωn 称为锁相环路的固有角频率；ζ称为环路的阻尼系数。
频电子线
路》
（第四
版
）张肃文
主编
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对于不同滤波器的参数表示式见表12.５.１。
RC
n
ωζ
无源比例
有源比例
τ
K
2
1ττ+K 1
τK
K τ121)
1(21221τττ++K K 1
2
2
ττK
频电子线路》（第四版）张肃文主编高等教育出版
2
2
22)(n
n n
RLC ωζωω
++=s s s H 图12.5.8 RLC 串联谐振电路
无阻尼。
,0=ζ过阻尼。
,1>ζ欠阻尼。
,1<ζ频电子线路》（第四版）张肃文主编高等教育出版
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出版
无振荡。
指数衰减,
图12.5.9 高增益二阶环路的频率响应
1
)12()12(2
22++++=ζζωωdB
3-频电子线路》（第四版）张肃文主编高等教育出版
最后简略讨论一下二阶环路的同步带、捕捉带等问题。
2n n p ωζωω∆-=K 22n ω>>K K n p ζωω∆2=n L ζωω∆2=End 《高频电子线路》（第四版）张肃文主编高等教育出版社。