锁相环(PLL)电路设计与应用
锁相环PLL基本原理设计与应用
AGC电路接收方框图如图2-1所示。
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图2-1 AGC电路的接收方框图
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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。
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图4-4 鉴相器的线性数学化模型（时域）
2．环路滤波器（Loop Filter，简称LF)
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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。
图4-5 三种常用的环路滤波器
第四节 锁相环路(PLL)
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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。
参考 信号
鉴相器
环路 滤波器
输出
压控
信号
振荡器
图4-1 锁相环系统框图
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锁相环路应用
锁相接收机 微波锁相振荡源 锁相调频器 锁相鉴频器 定时提取（滤波） 锁相频率合成器 ……
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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ui(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。
《应用于LVDS的锁相环电路研究》
《应用于LVDS的锁相环电路研究》一、引言随着现代电子技术的飞速发展，数据传输速率的要求日益提高，低电压差分信号传输（LVDS）技术因其低功耗、高速度和低噪声的特性，在高速数据传输领域得到了广泛应用。
锁相环（PLL）电路作为LVDS系统中的关键部分，其性能的优劣直接影响到整个系统的稳定性和传输质量。
因此，对应用于LVDS的锁相环电路进行研究具有重要的现实意义。
二、锁相环电路的基本原理锁相环电路是一种闭环相位控制系统，主要由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成。
其基本原理是通过鉴相器比较输入信号和压控振荡器输出的信号之间的相位差，将相位差转换为电压或电流信号，经过环路滤波器的滤波后，控制压控振荡器的频率和相位，使输出信号的相位与输入信号的相位保持一致。
三、LVDS中锁相环电路的应用在LVDS系统中，锁相环电路主要用于实现数据的同步传输。
由于LVDS采用差分信号传输方式，要求发送端和接收端之间的时钟信号必须保持严格的同步。
锁相环电路通过捕获输入信号的相位信息，将其与压控振荡器输出的信号进行比对和调整，从而保证数据的准确传输。
四、应用于LVDS的锁相环电路设计要点在应用于LVDS的锁相环电路设计中，需要注意以下几个要点：1. 输入范围和稳定性：设计时应考虑到输入信号的范围、频率波动和噪声干扰等因素，确保鉴相器能够准确捕获输入信号的相位信息。
2. 环路滤波器的设计：环路滤波器的作用是滤除鉴相器输出的高频噪声和杂散信号，为压控振荡器提供稳定的控制信号。
设计时需要考虑滤波器的带宽、阶数和稳定性等因素。
3. 压控振荡器的选择：压控振荡器的性能直接影响到锁相环电路的频率和相位调整范围。
选择时需要考虑其频率范围、相位噪声、功耗和稳定性等因素。
4. 电路布局与调试：在电路布局和调试过程中，需要考虑到电磁干扰（EMI）和电磁兼容性（EMC）等问题，确保锁相环电路的稳定性和可靠性。
五、实验结果与分析通过实验验证了应用于LVDS的锁相环电路的有效性和性能。
毕业设计论文：PLL锁相环电路
1摘 要随着通信及电子系统的飞速发展，促使集成锁相环和数字锁相环突飞猛进。
本次毕业设计的主要任务是，采用0.180.18μμm CMOS 工艺，设计实现一个基于改进的鉴频鉴相器，压控振荡器，环路滤波器的全集成的CMOS PLL 锁相环电路，设计重点为PLL 锁相环电路的版图设计，设计工具为Laker 。
本论文介绍了PLL 锁相环电路的基本原理以及其完整的版图设计结果。
本次设计表明，采用该方案实现的锁相环电路主要功能工作正常，初步达到设计要求。
求。
关键词：PLL 锁相环电路，鉴频鉴相器，压控振荡器，环路滤波器，版图设计，0.180.18μμm CMOS 工艺工艺AbstractWith the development of the communications and electronic systems, the technology of the integrated PLL and digital PLL develops rapidly.The main task of graduation is to design and realize a fully integrated CMOS PLL circuit which is based on an improved phase detector, VCO, loop filter using the 0.18μm CMOS technology 0.18μm CMOS technology. The design focus on the layout of the PLL circuit, and the . The design focus on the layout of the PLL circuit, and the design tools is the Laker.This paper introduces the basic principles of PLL phase locked loop circuit and its comprehensive layout results. This design shows that the program implemented by the main function of PLL circuit is working well, and it meets the design requirements.Key words:PLL phase locked loop circuits, popularly used phase detectors, discrimination, VCO loop filter, layout design, 0.18 μm CMOS process目 录 (11)摘 要.............................................................................................................................. (22)Abstract .......................................................................................................................... (44)第1章 绪论................................................................................................................ (44)1.1 锁相技术的发展.............................................................................................. (44)1.2 锁相环路的主要特性......................................................................................1.3 PLL锁相环的应用领域 (5)第2章 基于CMOS锁相环的电路设计 (7)2.1 锁相环的基本组成.......................................................................................... (77) (77)2.2 锁相环工作原理.............................................................................................. (88)2.3 鉴相器..............................................................................................................2.3.1 鉴频鉴相器（PFD） (9) (110)2.3.2 鉴频鉴相器设计.................................................................................. (110)2.4 环路滤波器....................................................................................................11 (11)2.5 压控振荡器....................................................................................................第3章 关于COMS锁相环的版图设计 (12) (112)3.1 电路设计........................................................................................................3.2 版图设计........................................................................................................ (112) (113)3.2.1 版图设计规则检查.............................................................................. (113)3.2.2 注意事项..............................................................................................3.3 锁相环的版图设计........................................................................................ (115) (117)第4章 结束语............................................................................................................ (118)参考文献...................................................................................................................... (119)致谢..............................................................................................................................第1章 绪论1.1锁相技术的发展 锁相技术起源于20世纪30年代，提出无线电调幅信号的锁相同步检波技术。
锁相环(PLL)原理及其应用中的七大常见问题
当 VCO/VCXO 的控制电压超出了 Vp，或者非常接近 Vp 的时候，就需要用有源滤波器。在对 环路误差信号进行滤波的同时，也提供一定的增益，从而调整 VCO/VCXO 控制电压到合适的 范围。 问：PLL 对于 VCO 有什么要求？以及如何设计 VCO 输出功率分配器？ 答：选择 VCO 时，尽量选择 VCO 的输出频率对应的控制电压在可用调谐电压范围的中点。 选用低控制电压的 VCO 可以简化 PLL 设计。 问：如何设置电荷泵的极性？ 答：在下列情况下，电荷泵的极性为正。 环路滤波器为无源滤波器，VCO 的控制灵敏度为正（即，随着控制电压的升高，输出频率增 大）。 在下列情况下，电荷泵的极性为负。环路滤波器为有源滤波器，并且放大环节为反相放大； VCO 的控制灵敏度为正。环路滤波器为无源滤波器，VCO 的控制灵敏度为负；PLL 分频应用， 滤波器为无源型。即参考信号直接 RF 反馈分频输入端，VCO 反馈到参考输入的情况。 问：为何我的锁相环在做高低温试验的时候，出现频率失锁？ 答：高低温试验失败，可以从器件的选择上考虑，锁相环是一个闭环系统，任何一个环节上 的器件高低温失效都有可能导致锁相环失锁。先从 PLL 频率合成器的外围电路逐个找出原 因，如参考源（TCXO，）是否在高低温试验的范围之内？ 问：非跳频（单频）应用中，最高的鉴相频率有什么限制？ 答：如果是单频应用，工程师都希望工作在很高的鉴相频率上，以获得最佳的相位噪声。数 据手册都提供了最高鉴相频率的值，另外，只要寄存器中 B > A，并且 B > 2，就可能是环 路锁定。通常最高频率的限制是：这里 P 为预分频计数器的数值。
问：环路滤波器采用有源滤波器还是无源滤波器？ 答：有源滤波器因为采用放大器而引入噪声，所以采用有源滤波器的 PLL 产生的频率的相 位噪声性能会比采用无源滤波器的 PLL 输出差。因此在设计中我们尽量选用无源滤波器。 其中三阶无源滤波器是最常用的一种结构。 PLL 频率合成器的电荷泵电压 Vp 一般取 5V 或者稍高，电荷泵电流通过环路滤波器积分后 的最大控制电压低于 Vp 或者接近 Vp。如果 VCO/VCXO 的控制电压在此范围之内，无源滤波 器完全能够胜任。
锁相环的组成,工作原理和应用
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 （t）。
即u C（t）为：C（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。
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。
锁相环路及其在调频-鉴频电路中的应用
锁相环路及其在调频\鉴频电路中的应用摘要：本文主要介绍锁相环工作原理，及其在无线电技术中发挥的优越性能，给出一种实验的方法来测量锁相环的同步带和捕捉带，分析其在调频和鉴频电路中的应用。
关键词：锁相环；原理；同步带；捕捉带在无线电技术中，各种类型的反馈控制电路得到了广泛的应用。
锁相环路就是其中一种，它以其优越的稳频、滤波等性能，在许多反馈控制系统中发挥着重要的作用。
锁相环路在早期电视机同步系统中的应用，使电视图像的同步性能得到了很大的改善。
而在锁相环接收机中，由于中频信号可以锁定，频带可以做的很窄，带宽的大幅下降，使得输出信噪比大大提高了。
在空间技术中，比如接收来自宇宙飞行器的微弱信号，相比超外差式接收机的宽频带，信噪比也很低。
锁相环路简称锁相环（PLL）。
锁相环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。
因锁相环输出信号频率能够自动跟踪输入信号的频率，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，输出信号与输入信号电压保持某种特定的关系，即输出电压与输入电压的相位被锁定，这也是锁相环名称的由来。
锁相环路由三部分组成：鉴相器PD、环路滤波器LF和压控振荡器VCO。
1鉴相器组成鉴相器PD通常鉴相器由模拟相乘器和低通滤波器组成。
设输入信号为Ui （t）和本振信号（压控振荡器输出信号）Uo（t）。
输入、输出信号在鉴相器中进行比较，输出一个与两者相位差成比例的电压，称作误差电压，记为Ud(t)；该电压是两个信号相位差的函数。
环路滤波器LF为线性电路低通滤波器，作用是滤除误差电压Ud（t）中的高频分量及噪声，具有窄带滤波器的特性。
如果电路设计合理，会得到一个极窄的通道。
经过LF输出的电压为Uc（t），将它加给压控振荡器。
压控振荡器VCO 通常由变容二极管和电抗管等组成振荡电路。
VCO的输出频率受Uc（t）的控制。
当Uc（t）变化时，引起二极管结电容的变化，从而振荡器频率发生改变。
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 。
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
锁相环PLL原理与应用
的关系为：
(t)d (t)
dt
(t) (t)dt
根据
u c A d sio ( n t ) t { o ( t ) [ [ ]i ( t ) t i ( t )]
则，瞬时相位差φd为 d ( t ) (i( t ) o ( t ) t )i( t ) o ( t )
说明：以cos(ω(t)t+φ(t))为例
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
相等、相位差保持恒定不变的状态，uc的直流分量为恒定值。 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，uc的直流分量随时间而变。 因压控振荡器的压控特性为线性，该特性说明VCO的振荡频
率ω0(t)以固有频率ωr为中心，随输入信号电压uc的变化而变化。
压控振荡器VCO：是一个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控制电压转换为相位
。
可编辑ppt
3
锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成
也可以由数字电路组成
ui(t) 2sini[(t)ti(t)]
初始的ω0 = ωr ， ωr指环路无输入信号、 环路对VCO无控制作用时VCO的振荡频
uo(t)
2coso([t)to(t)]
率，称为电路的固有振荡频率或自由震荡 频率。
ud Adui(t)uo(t)Ad 2 2coso([t)to(t)]sini[(t)ti(t)]
Adsin{o([t)to(t)][i(t)ti(t)]}
Ad是鉴相器的增益 Adsin{o([t)to(t)][i(t)ti(t)]}
用低通滤波器LPF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
锁相环设计与MATLAB仿真
锁相环设计与MATLAB仿真锁相环（Phase-Locked Loop，PLL）是一种电路设计技术，用于提取输入信号中的相位信息，并在输出信号中保持输入信号与输出信号的相位差稳定。
PLL广泛应用于通信系统、时钟生成器、频率合成器等领域。
锁相环主要由相位检测器（Phase Detector，PD）、环路滤波器（Loop Filter，LF）、振荡器（Voltage-Controlled Oscillator，VCO）和分频器（Divider）组成。
相位检测器用于比较输入信号和VCO输出信号的相位差，并产生一个低频的误差信号。
传统的相位检测器包括异或门相位检测器（XOR PD）和倍频器相位检测器（Multiplier PD）。
异或门相位检测器适用于窄带相位差测量，倍频器相位检测器适用于宽带相位差测量。
MATLAB提供了用于建模和仿真PLL的工具箱，可以方便地进行相位检测器的设计和性能分析。
环路滤波器用于滤波相位误差信号，根据滤波器的设计方法不同，可以实现不同的环路特性。
传统的环路滤波器包括积分环路滤波器和比例积分环路滤波器。
积分环路滤波器对误差信号进行积分，使得环路系统具有很高的稳定性和抗干扰能力，但响应时间较长。
比例积分环路滤波器在积分环路滤波器的基础上引入比例增益，可以更快地响应相位误差的变化。
振荡器（VCO）根据环路滤波器输出的控制电压来生成输出信号，并提供给分频器进行频率除法操作。
振荡器通常采用压控振荡器（VCO）或电流模式逻辑（Current Mode Logic，CML）结构，可以根据应用需求选择合适的振荡器设计。
分频器用于将振荡器输出的高频信号按照设定的分频比例进行分频，生成与输入信号相位对齐的输出信号。
分频器采用计数器和锁存器设计，计数器用于记录输入信号的周期数，锁存器将计数器的值锁定在一个周期，输出给相位检测器进行相位比较。
锁相环的设计和仿真可以通过MATLAB工具箱进行。
首先，设计相位检测器的传输函数和特性，选择适当的相位检测器类型和设计参数。
锁相环PLL原理与应用
V V
2—9KHZ频率合成器
9V 100K 10K 47n
16 13 9
晶振
14
40 46
Uo 4
1K Hz
3
11
67 5 8
10 0K
1n
9V
3 16 RE SET
14
15
40 17
8
13
2 4 7 10 1 5 6 9 11
X2 X4 X6 X8 X1 X3 X5 X7 X9
3）拨盘开关式1—999KHZ
百位
A VD D
4X 100 K
8421
十位
A VD D
4X 100 K
8421
个位
A VD D
4）健盘置数式1—999KHZ频率合 成器 （P12）
• 就是用数字健盘以及某些数字IC替代拨盘 V开关构成1——999KHZ频率合成器。最终
应做到：当顺序按键盘旳任意三个健（如 5.9.2）时，则输出信号旳频率就为592KHz。 置数部分旳框图如图
捕获带旳测量
• 环路失锁后，缓慢变化信号源频率， 从高端或低端向４０４６Ａ旳中心 频率接近，当信号源频率分别为fＰ H和fＰL时，环路又锁定。则环路捕 获带ΔfP ＝ fPH－fPL。
f H f P fL f o L P f H H f H
ωn、ξ旳测量 P（8）
9V
9V
10K
W1
10K
16 15 14 13 12 11 10
9
晶振
14
4
OU T
1K Hz
PD 2
40 46
VC O
3
8
5 11 6
7
EDA技术-VHDL-5.13嵌入式锁相环PLL应用实验
2205.13嵌入式锁相环PLL 应用实验1 实验目的(1) 学习使用Cyclone 器件中的嵌入式锁相环，为以后的设计作准备。
2 实验原理（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。
锁相环电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5.13.1所示。
图5.13.1 锁相环的组成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)(t u D 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)(t u C ，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，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：（5.13.1）（5.13.2）221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D u 为：（5.13.3）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)(t u C 。
即)(t u C 为：（5.13.4）式中的i ω为输入信号的瞬时振荡角频率，)(t i θ和)(0t θ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（5.13.5）则，瞬时相位差D θ为：（5.13.6） 对两边求微分，可得频差的关系式为（5.13.7）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，)(t u C 为恒定值。
锁相环简介
锁相环的原理、电路构成及其在电路设计中作用锁相：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（Phase Locked Loop）。
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。
构成：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。
锁相环可以分为模拟锁相环和数字锁相环。
在电路设计中的作用：自动完成两个电信号的相位的同步。
锁相环:为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（机电自动化控制系统）,压控振荡器给出一个信号,一部分作为输出,另一部分通过分频与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。
它是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。
鉴相器（又称相位比较器）用来鉴别输入信号Ui与输出信号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。
环路滤波器它是滤波器中的一种类型，因为这种滤波器使用在环路中，因此得名环路滤波器，它是PLL(锁相环)电路中的重要组成部分，具有低通性质，滤除Ud 中的噪声和干扰成分。
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。
在锁相环环路中，输入控制电压是误差信号电压，压控振荡器是环路中的一个受控部件。
锁相环路(PLL)电路设计实例
软件实现PLL的代码示例
01
```systemverilog
02
// 定义PLL模块
03
module pll(input wire clk_in, output reg clk_out);
软件实现PLL的代码示例
01
parameter FREF = 100e3; // 参考频率
02
parameter N = 10; // 分频比
相位保持一致。
电荷泵型PLL的电路实现
电荷泵由两个开关和两个电容 组成，一个开关用于充电，另
一个用于放电。
当输入信号与VCO输出信号 的相位存在误差时，电荷泵 的开关会根据误差信号的极 性进行切换，从而在电容上
积累或释放电荷。
电容上的电荷量会转换为电压 信号，该电压信号通过低通滤 波器平滑后，用于调整VCO的
频率。
电荷泵型PLL的性能分析
01
电荷泵型PLL具有较高的带宽和较快的响应速度，因此适用于高 速数据传输和无线通信等应用。
02
由于电荷泵型PLL采用电荷传输方式，因此对电源噪声和电磁干
扰较为敏感，需要采取相应的措施进行抑制。
电荷泵型PLL的另一个优点是易于集成，因此适合于大规模生产
03
和应用。
04
软件实现PLL的代码示例
assign clk_out = div_by_n;
always @(posedge clk_in) begin phase_error <= #1 ($posedge clk_in ? 32'hFFFFFFFF : phase_error 1);
软件实现PLL的代码示例
PLL电路设计实例：模拟型 PLL
基于dq变换的三相软件锁相环设计
基于dq变换的三相软件锁相环设计一、概述在电力系统中，三相软件锁相环（PLL）扮演着至关重要的角色，它能够实现对电网电压、电流等信号的相位和频率的精确跟踪。
随着电力电子技术的不断发展，对三相软件锁相环的性能要求也越来越高。
基于dq变换的三相软件锁相环设计，以其独特的优势，在电力系统中得到了广泛的应用。
dq变换，也称为Park变换，是一种将三相静止坐标系下的电量转换为两相旋转坐标系下的电量的方法。
通过dq变换，我们可以将三相交流信号转化为直流信号，从而简化了信号处理的复杂度。
在三相软件锁相环中，dq变换的应用使得对电网信号的相位和频率跟踪更加准确和快速。
基于dq变换的三相软件锁相环设计，不仅具有高精度、高动态性能的特点，而且能够适应不同电网条件下的运行需求。
通过合理的参数设计和优化算法，可以进一步提高三相软件锁相环的性能，使其在电力系统中发挥更大的作用。
本文将对基于dq变换的三相软件锁相环设计进行详细介绍，包括其基本原理、实现方法、性能分析以及优化策略等方面。
通过本文的阐述，读者可以深入了解基于dq变换的三相软件锁相环的工作原理和实现过程，为其在电力系统中的应用提供有益的参考。
1. 介绍三相电力系统的重要性及其在电力系统中的应用三相电力系统作为现代电力工业的核心组成部分，其重要性不言而喻。
三相电以其独特的优势，如高效性、稳定性和经济效益，在电力系统中占据了举足轻重的地位。
三相电的高效性是其广泛应用的关键所在。
相较于单相电，三相电的功率输出更为稳定，能够有效降低电线损耗，从而提高电能的传输效率。
这种高效性使得三相电在大型电力设备和系统中得到了广泛的应用，如大型发电机组、高压输电线路以及大型工厂的供电系统等。
三相电的稳定性也是其受到青睐的重要原因。
三相电的电压波动相对较小，能够保持较为稳定的输出电压，这对于电力设备的正常运行至关重要。
在大型电气设备中，如电动机、变压器等，三相电的稳定输出能够确保设备的稳定运行，提高设备的使用寿命和运行效率。
锁相环电路及应用
8．4锁相环电路及其应用8．4．1锁相环的组成和工作原理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（t）电压信号输出，该信号经低D（t），对振荡器输出信号的频率通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压uC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）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式中的ω为：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。
pll锁相环频率合成技术
认识有理数教学反思
《认识有理数教学反思》
在学习有理数的这段时间里，我感觉自己就像在数学的海洋里遨游，有时风平浪静，有时却波涛汹涌。
一开始，老师在黑板上写下那些数字，正数、负数、零，我眼睛都看直啦！心想：“这都是些啥呀？”特别是负数，那小小的负号，就像一个调皮的小精灵，总是让我迷糊。
记得有一次课堂上，老师问：“同学们，负数表示的意义你们懂了吗？”我心里直打鼓，不敢吭声。
旁边的同桌却自信满满地说：“老师，我懂！负数就是比零还小的数嘛！”老师笑着点头，我心里那个羡慕呀，反问自己：“我咋就没这么快明白呢？”
后来做练习题的时候，那一道道题目就像一个个小怪兽，张牙舞爪地等着我去打败它们。
有时候我能一下子就把它们解决掉，心里那叫一个美，就好像在炎热的夏天吃到了最爱的冰淇淋；可有时候，我却被它们难住了，抓耳挠腮，急得像热锅上的蚂蚁，嘴里嘟囔着：“这题咋这么难啊！”
小组讨论的时候可热闹啦！大家七嘴八舌地说着自己的想法。
“哎呀，这道题我觉得应该这样做！”“不对不对，你那样做错啦！”“那到底该咋办呀？”我们争得面红耳赤，可最后在大家的共同努力下，难题还是被我们攻克了，那种成就感，简直没法形容！
经过这段时间的学习，我发现有理数其实也没那么可怕。
它们就像我的小伙伴，虽然有时候会调皮捣蛋，但只要我用心去了解它们，就能和它们友好相处。
我觉得学习有理数就像爬山，一开始觉得山好高好难爬，但是只要一步一个脚印，坚持往上走，总会到达山顶，看到美丽的风景。
所以呀，遇到困难别害怕，勇敢面对，总会找到解决办法的！。