PLL 锁相环原理
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。
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。
PLL倍频电路因此，为了将频率锁定在一个固定的期望值，锁相环PLL出现了！一个锁相环PLL电路通常由以下模块组成：·鉴相鉴频器PFD（Phase Frequency Detector）：对输入的基准信号（来自频率稳定的晶振）和反馈回路的信号进行频率的比较，输出一个代表两者差异的信号·低通滤波器LPF（Low-Pass Filter）：将PFD中生成的差异信号的高频成分滤除，保留直流部分·压控振荡器VCO（Voltage Controlled Oscillator）：根据输入电压，输出对应频率的周期信号。
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。
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。
锁相环的工作原理
锁相环的工作原理锁相环（PLL）是一种常见的控制系统，它被广泛应用于通信、电子、自动控制等领域。
它的工作原理基于信号的频率比较和相位调整，能够使输出信号与输入信号保持稳定的频率和相位关系。
下面将详细介绍锁相环的工作原理。
首先，锁相环的核心部分是相位比较器。
相位比较器用来比较输入信号和反馈信号的相位差，然后输出一个误差信号。
这个误差信号的大小和方向表示了输入信号和反馈信号之间的相位差，是锁相环调节的依据。
其次，误差信号经过环路滤波器，得到一个平滑的控制电压。
环路滤波器的作用是去除误差信号中的高频噪声，使得控制电压更加稳定。
这个控制电压将作为VCO（Voltage Controlled Oscillator）的输入，控制VCO的输出频率。
接着，VCO是锁相环中的另一个重要组成部分。
VCO的输出频率受控制电压的影响，当控制电压增大时，VCO的输出频率也增大；反之，控制电压减小时，VCO的输出频率减小。
通过这种方式，VCO能够实现对输出频率的精确调节。
最后，VCO的输出信号经过分频器，得到反馈信号。
这个反馈信号与输入信号经过相位比较器进行比较，产生误差信号，闭环控制系统开始工作。
通过不断调节VCO的控制电压，使得输入信号和反馈信号的相位差趋近于零，从而实现了锁相环的稳定工作。
总结一下，锁相环的工作原理是通过相位比较器比较输入信号和反馈信号的相位差，产生误差信号；经过环路滤波器得到控制电压，控制VCO的输出频率；VCO的输出信号经过分频器得到反馈信号，闭环控制系统开始工作，不断调节VCO的控制电压，使得输入信号和反馈信号的相位差趋近于零，实现了锁相环的稳定工作。
通过对锁相环的工作原理进行了解，我们可以更好地应用它在通信、电子、自动控制等领域，实现信号的稳定控制和处理。
希望本文能够帮助大家更好地理解锁相环的工作原理，为相关领域的工程应用提供帮助。
PLL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。
一个典型的锁相环（PLL）系统，是由鉴相器（PD），压控荡器（VCO）和低通滤波器（LPF）三个基本电路组成，如图1，图1一、鉴相器（PD）构成鉴相器的电路形式很多，这里仅介绍实验中用到的两种鉴相器。
1．异或门鉴相器异或门的逻辑真值表示于表1，图2是逻辑符号图。
从表1可知，如果输入端A和B分别送入占空比为50%的信号波形，则当两者存在相位差Dθ时，输出端F的波形的占空比与Δθ有关，见图3。
将F输出波形通过积分器平滑，则积分器输出波形的平均值，它同样与Δθ有关，这样，我们就可以利用异或门来进行相位到电压的转换，构成相位检出电路。
于是经积分器积分后的平均值（直流分量）为：U = Vdd * Δθ/π (1)不同的Δθ，有不同的直流分量Vd。
Δθ与V的关系可用图4来描述。
从图中可知，两者呈简单线形关系：Ud = Kd *Δθ(2)Kd 为鉴相灵敏度图3图42．边沿触发鉴相器前已述及，异或门相位比较器在使用时要求两个作比较的信号必须是占空比为50%的波形，这就给应用带来了一些不便。
而边沿触发鉴相器是通过比较两输入信号的上跳边沿（或下跳边沿）来对信号进行鉴相，对输入信号的占空比不作要求。
二、压控振荡器（VCO）压控振荡器是振荡频率ω0受控制电压UF（t）控制的振荡器，即是一种电压——频率变换器。
VCO的特性可以用瞬时频率ω0（t）与控制电压UF（t）之间的关系曲线来表示。
未加控制电压时（但不能认为就是控制直流电压为0，因控制端电压应是直流电压和控制电压的叠加），VCO的振荡频率，称为自由振荡频率ωom，或中心频率，在VCO线性控制范围内，其瞬时角频率可表示为：ωo（t）= ωom + K0 UF（t）式中，K0——VCO控制特性曲线的斜率，常称为VCO的控制灵敏度，或称压控灵敏度。
锁相环pll原理与应用
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目 录
• 锁相环PLL的基本原理 • 锁相环PLL的种类与特性 • 锁相环PLL的应用 • 锁相环PLL的发展趋势与挑战 • 锁相环PLL的设计与实现
01
锁相环PLL的基本原理
PLL的基本结构
鉴相器（PD）
用于比较输入信号和反馈信号的相位 差。
压控振荡器（VCO）
相位同步
锁相环PLL用于电力系统的相位同步，确保不同电源之间的相位一 致，提高电力系统的稳定性。
频率跟踪
锁相环PLL用于电力系统的频率跟踪，实时监测电网频率变化，确 保电力系统的正常运行。
故障定位
通过分析电网信号的相位和频率变化，结合锁相环PLL实现电力故 障的快速定位和排查。
其他领域的应用
电子测量
PLL的发展趋势
高速化
随着通信技术的发展， 对信号的传输速率要求 越来越高，锁相环PLL 的频率合成速度和跟踪
速度也在不断加快。
数字化
随着数字信号处理技术 的进步，越来越多的锁 相环PLL开始采用数字 控制方式，提高了系统 的稳定性和灵活性。
集成化
为了减小电路体积和降 低成本，锁相环PLL的 集成化程度越来越高， 越来越多的功能被集成
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 。
PLL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：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。
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什么是锁相环（PLL）工作原理及对硬件电路连接的要求锁相环是一种反馈电路，其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同
步。
PLL通过比较外部信号的相位和由压控晶振（VCXO）的相位来实现同步的，在比较的过程中，锁相环电路会不断根据外部信号的相位来调整本地晶振的时钟相位，直到两个信号的相位同步。
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。
通过锁相环同步多块板卡的采样时钟所需要的编程技术会根据您所使用的硬件板卡的不同而不同。
对于基于PCI总线的产品（M系列数据采集卡，PCI数字化仪等），所有的同步都是通过RTSI总线上的时钟和触发线来实现的；这时，其中一块版板卡会作为主卡并且输出其内部时钟，通过RTSI线，其他从板卡就可以获得这个用于同步的时钟信号，对于基于PXI总线的产品，则通过将所有板卡的时钟于PXI内置的
10MHz背板时钟同步来实现锁相环同步的。
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
（t）电压信号输出，该信号经低通滤波器滤差，并将检测出的相位差信号转换成u
D
波后形成压控振荡器的控制电压u
（t），对振荡器输出信号的频率实施控制。
C
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ω
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ω
i 为输入信号的瞬时振荡角频率，θ
i
（t）和θ
O
（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θ
d
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ω
u 以ω
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
（8-4-6）
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ω
0=ω
i
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u
i 来控制载波信号u
C
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ω
相
等时，压控振荡器输出信号的频率将保持ω
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ω
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ω
v
(t)
与FM波的瞬时频率ω
FM
(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ω
o
’，则当有控制电压时，VCO的瞬时角频率为
令上两式相等，即ω
v (t)≈ω
FM
(t)，可得
其中ω
o 为FM波的载频，ω
o
’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，
直元件消除，或者开始时已经把压控振荡器的频率调整为ω
o =ω
o
’。
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。