锁相环路的基本工作原理
锁相环(PLL)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:
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
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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。
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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。
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
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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
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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。
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。
简述锁相环的基本的原理
锁相环的基本原理1. 介绍锁相环（Phase Locked Loop，简称PLL）是一种广泛应用于电子领域的反馈控制系统。
它通过比较输入信号的相位和参考信号的相位差，并通过相位差的反馈控制，使得输出信号的相位与参考信号保持稳定的关系。
锁相环广泛应用于频率合成器、通信系统中的时钟恢复、频率系数调整等领域。
2. 锁相环的组成锁相环由多个组件组成，包括相位比较器、低通滤波器、电压控制振荡器（Voltage Controlled Oscillator，简称VCO）等。
2.1 相位比较器相位比较器是锁相环的核心部件，用于测量输入信号和参考信号之间的相位差。
常见的相位比较器有边沿比较器、数字比较器和模拟比较器等。
2.2 低通滤波器低通滤波器的作用是将相位比较器输出的脉冲信号转化为直流信号，并滤除不需要的高频成分。
低通滤波器一般采用RC电路实现。
2.3 电压控制振荡器电压控制振荡器（VCO）是锁相环的关键部件，它产生一个电压信号，用于控制输出信号的频率和相位。
VCO的输出频率与输入电压成正比。
一般VCO采用LC谐振电路实现。
2.4 分频器分频器的作用是将VCO的高频信号分频为参考信号的频率，以便与输入信号进行相位比较。
2.5 反馈环反馈环将VCO的输出信号与输入信号进行相位比较，并通过控制电压调整VCO的输出频率和相位。
同时，由于VCO输出信号被分频，所以经过一段时间后，输出信号的相位将与参考信号保持一致。
3. 锁相环的工作原理锁相环按照以下步骤工作：3.1 初始状态锁相环初始状态下，VCO的频率与输入信号的频率存在较大的差异，相位比较器输出的误差信号较大。
3.2 相位比较相位比较器对输入信号和参考信号进行相位比较，得到误差信号，误差信号的幅度与输入信号和参考信号之间的相位差有关。
3.3 误差信号滤波误差信号经过低通滤波器滤除高频成分，得到一个平滑的直流信号。
3.4 控制电压调整滤波后的误差信号作为控制电压，调整VCO的频率和相位。
锁相环的工作原理
锁相环的工作原理
锁相环是一种电子反馈控制系统，其主要用于信号的频率和相位同步。
它的工作原理基于相频检测和调整的闭环反馈机制。
锁相环由三个主要组件组成：相频检测器、相位比较器和控制电路。
其基本工作原理如下：
1. 相频检测器：锁相环将输入信号和一个参考信号送入相频检测器。
相频检测器通过比较两个信号之间的差异来确定输入信号的频率差异。
它产生一个输出信号，该信号的频率与输入信号的频率差异成正比。
2. 相位比较器：相位比较器用于将输入信号的相位与参考信号的相位进行比较。
它输出一个表示相位差异的信号。
3. 控制电路和振荡器：控制电路接收相频检测器和相位比较器的输出信号，并根据这些信号来调整一个振荡器的频率和相位。
振荡器可以是电压控制振荡器（VCO）或其他类型的振荡器。
控制电路通过改变振荡器的频率和相位，以使其与参考信号同步。
锁相环通过反馈和调整的过程，逐渐减小输入信号与参考信号之间的相位和频率差异，从而实现同步。
一旦输入信号与参考信号同步，锁相环将保持该同步状态。
锁相环在通信、测量和控制等领域中有广泛应用。
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。
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。
锁相环PLL的组成和工作原理
锁相环的组成和工作原理#11．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。
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：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。
锁相环工作原理
锁相环工作原理锁相环（Phase-Locked Loop，PLL）是一种常见的电子控制系统，用于将输入信号与参考信号进行同步。
它在许多领域中都有广泛的应用，例如通信系统、数字信号处理、频率合成器等。
本文将详细介绍锁相环的工作原理及其组成部份。
一、锁相环的基本原理锁相环的工作原理是通过不断调整反馈信号的相位和频率，使其与参考信号保持同步。
其基本原理可以概括为以下几个步骤：1. 参考信号产生：锁相环的输入信号通常是一个参考信号，它可以是一个稳定的时钟信号或者其他周期性信号。
2. 相频比较器：相频比较器用于比较输入信号和参考信号的相位差和频率差。
相位差可以通过比较两个信号的零交叉点来测量，频率差可以通过比较两个信号的周期来测量。
3. 错误放大器：错误放大器用于放大相频比较器的输出误差信号。
该误差信号表示输入信号和参考信号之间的相位和频率差异。
4. 低通滤波器：低通滤波器用于滤除错误放大器输出中的高频噪声，得到一个平滑的控制信号。
5. 控制电压产生：控制电压产生电路将滤波后的控制信号转换为控制电压，用于调整反馈信号的相位和频率。
6. 反馈电路：反馈电路将调整后的反馈信号送回相频比较器，与参考信号进行比较，形成闭环控制。
通过以上步骤，锁相环不断调整反馈信号的相位和频率，使其与参考信号同步，实现相位锁定和频率锁定。
二、锁相环的组成部份锁相环通常由以下几个主要组成部份构成：1. 相频比较器：相频比较器用于比较输入信号和参考信号的相位差和频率差。
常见的相频比较器有边沿比较器、乘法器、数字式比较器等。
2. 错误放大器：错误放大器是一个放大器，用于放大相频比较器的输出误差信号。
常见的错误放大器有运算放大器、差分放大器等。
3. 低通滤波器：低通滤波器用于滤除错误放大器输出中的高频噪声，得到一个平滑的控制信号。
常见的低通滤波器有RC滤波器、积分器等。
4. 控制电压产生电路：控制电压产生电路将滤波后的控制信号转换为控制电压，用于调整反馈信号的相位和频率。
《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
锁相环工作原理
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、）PD（鉴相器它由以下三个基本部件组成：自动控制系统。
．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uR进行鉴相的结果，输出一个与uv和uR大，鉴相器对．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。
锁相环工作原理
锁相环工作原理锁相环是一种常用于频率合成和时钟恢复的电路，它能够将输入信号的相位和频率与参考信号同步。
在本文中，我们将详细介绍锁相环的工作原理及其应用。
一、锁相环的基本组成部分锁相环主要由相位比较器、环路滤波器、电压控制振荡器（VCO）以及分频器组成。
1. 相位比较器（Phase Detector）相位比较器是锁相环的核心部分，其作用是将输入信号与参考信号进行相位比较，并输出一个误差信号。
常见的相位比较器有边沿比较器、乘法器和加法器等。
2. 环路滤波器（Loop Filter）环路滤波器的作用是对相位比较器输出的误差信号进行滤波和放大，以产生稳定的控制电压。
通常，环路滤波器由低通滤波器和放大器组成。
3. 电压控制振荡器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）电压控制振荡器是一种根据输入电压的变化而改变输出频率的电路。
在锁相环中，VCO的输出频率受到环路滤波器输出的控制电压的调节。
4. 分频器（Divider）分频器将VCO的输出信号进行分频，以产生参考信号。
分频器通常使用可编程分频器，可以根据需要选择不同的分频比。
二、锁相环的工作原理锁相环的工作原理可以简单地描述为以下几个步骤：1. 初始状态锁相环的初始状态是未锁定状态，VCO的输出频率与参考信号的频率存在差异，相位比较器输出的误差信号不为零。
2. 相位比较相位比较器将输入信号与参考信号进行相位比较，产生一个误差信号。
误差信号的幅度和相位表示了输入信号与参考信号之间的差异。
3. 环路滤波误差信号经过环路滤波器进行滤波和放大，产生一个稳定的控制电压。
该控制电压的大小和极性取决于输入信号与参考信号之间的相位差。
4. 控制VCO控制电压作用于VCO，调节其输出频率。
当控制电压为正时，VCO的输出频率增加；当控制电压为负时，VCO的输出频率减小。
5. 反馈VCO的输出信号经过分频器进行分频，产生一个参考信号。
该参考信号与输入信号进行比较，形成反馈回路。
锁相技术复习要求
锁相技术复习要点第1章 锁相环路的基本工作原理一、考核知识点（一）锁相环路的基本工作原理；（二）锁相环路的相位数字模型及其微分方程；（三）锁相环路的基本性能。
二、考核要求（一）锁定与跟踪的概念1、识记：（1）相位的概念；（2）锁相环路的定义；（3）环路的捕获带（4）环路的同步带。
2、领会：（1）锁相环路是一个相位跟踪系统，它建立了输出信号瞬时相位与输入信号瞬时相位的控制关系（2）几个重要参数：载波相位、瞬时相位、自由振荡角频率、瞬时相差、移稳态相差；（3）环路的两种基本工作状态：捕获过程、锁定状态。
3、应用：（1）环路是处于锁定状态的判定依据；（2）一阶环稳态相差的计算。
（二）环路组成1、识记：（1）环路的基本部件；（2）鉴相器的作用与数学模型；（3）鉴相器的分类：模拟乘法器鉴相器、序列电路（数字鉴相器）；（4）环路滤波器的作用与数学模型；（5）压控振荡器的作用与数学模型；（6）压控灵敏度；（7）压控振荡器的种类。
2、领会：（1）锁相环路的组成及框图；（2）正弦鉴相器及数学模型；（3）几种常用的环路滤波器及传递函数；（4）锁相环路的相位数学模型。
3、应用；（1）理想积分滤波器分析；（2）非常用环路滤波器的传递函数求解。
（三）环路的动态方程1、 识记：（1）瞬时频差；（2）控制频差；（3）固有频差；（4）环路增益K。
2、 领会：（1）锁相环路动态方程3、应用：（1）锁相环路动态方程的含意；（2）稳态相差的求解。
（四）一阶环路的捕获、锁定与失锁。
1、识记：（1）一阶环路；（2）相点；（3）相轨迹（4）相平面。
2、领会：（1）一阶环路的非线性微分方程；（2）相轨迹上相点的含义。
3、应用：（1）频率牵引现象；（2）一阶环路的捕获带、同步带、快捕带。
第二章 环路跟踪性能一、考核知识点（一）锁相环路的线性相位模型及传递函数；（二）锁相环路的性能指标；（三）二阶环路在典型输入下的响应；（四）环路的频率响应。
锁相环原理
§1-2锁相环路的工作原理锁相环路实质上是一个相差自动调节系统。
为了掌握环路的工作原理，理解环路工作过程中发生的物理现象，必须导出环路的相位数学模型和微积分方程。
为此，首先必须了解组成基本锁相环路各部件的功能模型，然后串联起来就组成了锁相环路的相位数学模型，最后列出微积分方程。
§1-2-1 主要部件的功能模型锁相环路由三个基本部件组成如图1－1所示。
图中v i(t)和v o(t)分别表示环路的图1－1基本锁相环路的组成输入、输出信号电压。
现将三个基本部件的工作原理分述如下：1、鉴相器鉴相器的任务是对它的两个输入信号进行比较。
当环路锁定时，鉴相器输出正比于这两个输入信号相位差的直流电压V d。
鉴相器的电路形式很多，有模拟的、取样的和数字的。
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。
原则上，任何一种理想的模拟乘法器都可以作为具有正弦特性的鉴相器，如图1－2所示。
输入信号v i(t)和压控振荡器的输出信号v o(t)分别加到乘法器的两个输入端。
设输入信号为v i(t)=V i sin[ωi t+θi(t)](1-1)式中，V i为输入信号的振幅；ωi为输入信号的角频率；θi(t)为输入信号以其载波相位ωi t为参考的瞬时相位。
压控振荡器输出信号为v o(t)=V o cos(ωo t+θo(t))(1－2)式中，V0为压控荡器输出信号的振幅；ωo为压控荡器固有角频率；θo (t)为压控振荡器输出的信号以其固有振荡相位ωo t 为参考的瞬时相位。
图1－2等效鉴相器(乘法器)一般情况下，两个输入信号的频率是不相同的。
但是，相位比较只有在相同频率情况下才有意义，所以为了适应鉴相器进行同频比相的需要，现统一以压控振荡器固有振荡相位ωo t 为参考。
故需重新定义v i (t)的瞬时相位。
现将输入信号瞬时相位改写为[ωi (t)+θi (t)]=ωo t+[(ωι−ωο)t+θi (t)]=ωo t+θ1(t)(1－3)式中，θ1(t)=(ωι−ωο)t+θi (t)=Δωo t+θi (t)(1－4)这里θ1(t)是以固有振荡相位ωo t 为参考的输入信号瞬时相位。
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，用于将输入信号与参考信号进行比较，并通过反馈控制，使得输出信号与参考信号保持相位一致。
锁相环广泛应用于通信系统、时钟同步、频率合成等领域。
本文将详细介绍锁相环的工作原理及其组成部分。
一、锁相环的组成部分锁相环主要由相位比较器、低通滤波器、控制电压源和振荡器四个主要部分组成。
1. 相位比较器（Phase Detector）相位比较器是锁相环的核心部分，用于比较输入信号与参考信号的相位差，并产生一个误差电压。
常见的相位比较器有异或门、乘法器等。
相位比较器的输出电压正比于输入信号与参考信号的相位差，用于驱动锁相环的控制电路。
2. 低通滤波器（Low Pass Filter）低通滤波器用于对相位比较器输出的误差电压进行滤波，去除高频噪声，得到平滑的控制电压。
低通滤波器通常采用RC滤波器或者积分器。
3. 控制电压源（Voltage Controlled Oscillator）控制电压源是锁相环的输出部分，它根据低通滤波器输出的控制电压来控制振荡器的频率和相位。
控制电压源通常采用电压控制振荡器（VCO）。
4. 振荡器（Oscillator）振荡器是锁相环的参考信号源，它产生一个稳定的参考信号，并与输入信号进行比较。
常见的振荡器有晶体振荡器、LC振荡器等。
二、锁相环的工作原理锁相环的工作原理可以分为两个阶段：捕获阶段和跟踪阶段。
1. 捕获阶段在捕获阶段，锁相环的目标是将输出信号与输入信号的相位差逐渐减小，直到达到稳定的状态。
具体步骤如下：a. 相位比较器比较输入信号与参考信号的相位差，产生一个误差电压。
b. 低通滤波器对误差电压进行滤波，得到平滑的控制电压。
c. 控制电压源根据控制电压调节振荡器的频率和相位，使得输出信号的相位逐渐接近参考信号的相位。
d. 当输出信号的相位与参考信号的相位差小于某个阈值时，进入跟踪阶段。
锁相环工作原理
锁相环工作原理引言概述：锁相环（Phase-Locked Loop，简称PLL）是一种常见的电子电路，用于同步信号的频率和相位。
它在通信系统、数字信号处理、时钟同步等领域被广泛应用。
本文将详细介绍锁相环的工作原理，包括基本原理、主要组成部分、工作过程以及应用场景。
一、基本原理：1.1 反馈环路：锁相环的核心是一个反馈环路，通过不断调整输入信号的频率和相位，使其与参考信号保持同步。
这个环路由比较器、低通滤波器和控制电路组成。
1.2 相位检测器：相位检测器用于比较输入信号和参考信号的相位差，产生一个误差信号。
根据误差信号的大小和方向，控制电路将调整输入信号的相位和频率。
1.3 数字控制：现代锁相环通常采用数字控制，通过数字控制器和数字控制电路，实现对反馈环路的精确控制。
数字控制还可以实现自适应调整，提高锁相环的性能。
二、主要组成部分：2.1 振荡器：振荡器是锁相环的基础，它产生一个参考信号，用于与输入信号进行比较。
常见的振荡器有晶体振荡器和压控振荡器，前者具有稳定的频率，适用于需要高精度的应用，而后者可以通过调节电压来改变频率，适用于需要频率可调的应用。
2.2 分频器：分频器用于将输入信号的频率降低到与参考信号相匹配的频率。
它可以将输入信号分成若干个相等的周期，用于和参考信号进行比较。
2.3 低通滤波器：低通滤波器用于滤除相位检测器输出中的高频噪声，保留误差信号中的低频成分。
它可以使锁相环的输出更加稳定。
三、工作过程：3.1 初始状态：锁相环初始状态下，输入信号和参考信号的频率和相位存在差异。
相位检测器会检测到相位差，并产生一个误差信号。
3.2 调整过程：控制电路根据误差信号的大小和方向，调整输入信号的相位和频率。
通过不断调整，误差信号逐渐减小，直到达到稳定状态。
3.3 稳定状态：当输入信号和参考信号的频率和相位完全一致时，锁相环进入稳定状态。
此时，输出信号与参考信号保持同步，相位差为零。
四、应用场景：4.1 通信系统：锁相环在通信系统中用于频率合成、时钟恢复和信号调制等方面。
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令p=jΩ，并代入(1-18)式，即可得滤波器的频率特
性
1 F ( j) 1 j 1
(1-19)
《 锁相技术》
第1章 锁相环路的基本工作原理
图1-8 RC积分滤波器的组成与对数频率特性
《 锁相技术》 (a)组成； (b)频率特性
第1章 锁相环路的基本工作原理
2、 无源比例积分滤波器无源比例积分滤波器如 图1-9(a)所示，它与RC积分滤波器相比，附加了一个与 电容器串联的电阻 R2 ，这样就增加了一个可调参数， 它的传输算子为
第1章 锁相环路的基本工作原理
第1章 锁相环路的基本工作原理
第1节 锁定与跟踪的概念 第2节 环路组成 第3节 环路的动态方程 第4节 一阶锁相环路的捕获、锁定与失锁
《 锁相技术》
第1章 锁相环路的基本工作原理
第1节 锁定与跟踪的概念
锁相环路(PLL)是一个相位跟踪系统，方框表示如 图1-1(a)。设输入信号
《 锁相技术》
第1章 锁相环路的基本工作原理
由上可知，在输入固定频率信号的条件之下，环
路进入同步状态后，输出信号与输入信号之间频差等 于零，相差等于常数，即
e (t ) 0 e (t ) 常数
(1-13)
《 锁相技术》
第1章 锁相环路的基本工作原理
四、环路的基本性能要求
(1-12)
下面讨论环路输入固定频率信号，即dθi(t)／dt=0时
的特殊情况。这是环路分析中经常遇到的一种情况。
此时
1 (t ) ot i e (t ) ot i o (t ) e (t ) o o (t )
式中θi为常数，是输入信号的起始相位。而
(1-17)
《 锁相技术》
第1章 锁相环路的基本工作原理
图1-6 正弦鉴相器特性 《 锁相技术》
第1章 锁相环路的基本工作原理
二、环路滤波器
环路滤波器具有低通特性，它可以起到图 1-5(a)中 低通滤波器的作用，更重要的是它对环路参数调整起 着决定性的作用。环路滤波器是一个线性电路，在时 域分析中可用一个传输算子F(p)来表示，其中p(≡d／dt) 是微分算子；在频域分析中可用传递函数 F(s)表示，其 中s(a+jΩ)是复频率；若用s=jΩ代入F(s)就得到它的频率 响应F(jΩ)，故环路滤波器模型可表示为图1-7。
第1章 锁相环路的基本工作原理
1 p 2 F ( p) A 1 p 1 1 p 2 A 1 pAR1C 1 p 2 A pAR1C 1 p 2 pR1C
《 锁相技术》
第1章 锁相环路的基本工作原理
负号对环路的工作没有影响，分析时可以不予考
《 锁相技术》
第1章 锁相环路的基本工作原理
图1-2 输入信号和输出信号的相位关系 《 锁相技术》
第1章 锁相环路的基本工作原理
二、捕获过程
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。一般情况， 输入信号频率 ωi 与被控振荡器自由振荡频率 ωo 不同， 即两者之差Δωo≠0。若没有相位跟踪系统的作用，两信 号之间相差
i t i (t ) ot (i o )t i (t ) o i o
(1-4)
(1-5)
《 锁相技术》
第1章 锁相环路的基本工作原理
为输入信号频率与环路自由振荡频率之差，称为
环路的固有频差。
再令
1 (t ) ot i (t )
(1-6)
《 锁相技术》
第1章 锁相环路的基本工作原理
第2节 环路组成
锁相环路为什么能够进入相位跟踪，实现输出与 输入信号的同步呢？因为它是一个相位的负反馈控制 系统。这个负反馈控制系统是由鉴相器 (PD) 、环路滤 波器(LF)和电压控制振荡器(VCO)三个基本部件组成的, 基本构成如图1-4。
《 锁相技术》
《 锁相技术》 (a)组成；(b)频率特性
第1章 锁相环路的基本工作原理
据此可作出对数频率特性,如图1-9(b)所示。这也是 一个低通滤波器，与RC积分滤波器不同的是，当频率 很高时
F ( j)
R2 R1 R2
《 锁相技术》
第1章 锁相环路的基本工作原理
3、有源比例积分滤波器有源比例术》
第1章 锁相环路的基本工作原理
式中θ2(t) 也是以ωot 为参考的输出瞬时相位。利用
(1-6) 式和 (1-9) 式可表示输入和输出信号的相位。由于 有了共同的参考，就很便于比较。将 (1-6) 式和 (1-9) 式 代入(1-3)式，得到环路的瞬时相位差
e (t ) 1 (t ) 2 (t )
ui (t ) Ui sin[it i (t )]
(1-1)
图1-1 相位跟踪系统框图
《 锁相技术》
第1章 锁相环路的基本工作原理
式中Ui是输入信号的幅度；
ωi是载波角频率； θi(t)是以载波相位ωit为参考的瞬时相位。 若输入信号是未调载波， θi(t) 即为常数，是 ui(t) 的 初始相位；若输入信号是角调制信号(包括调频调相)，
信号ui(t)与反馈信号uo(t)经相乘作用
K mui (t )uo (t ) K mU i sin[ot 1 (t )]U o cos[ot 2 (t )] 1 K mU iU o sin[2ot 1 (t ) 2 (t )] 2 1 K mU iU o sin[1 (t ) 2 (t )] 2
另一个指标是捕获时间Tp，它是环路由起始时刻t0 到进入同步状态的时刻ta之间的时间间隔。即
Tp ta to
(1-15)
捕获时间 Tp 的大小除决定于环路参数之外，还与 起始状态有关。一般情况下输入起始频差越大， Tp 也
就越大。通常以起始频差等于Δωp，来计算最大捕获时
间，并把它作为环路的性能指标之一。
θo(t)即为时间的函数。
《 锁相技术》
第1章 锁相环路的基本工作原理
图1-2(a)所示。从图上可以得到两个信号的瞬时相
位之差
e (t ) [it i (t )] [ot o (t )] (i o )t i (t ) o (t )
(1-3)
前面已经说到，被控振荡器的自由振荡角频率 ωo 是 系统的一个重要参数，它的载波相位ωot可以作为一个参 考相位。这样一来，输入信号的瞬时相位可以改写为
《 锁相技术》
第1章 锁相环路的基本工作原理
图1-7 环路滤波器的模型
《 锁相技术》
第1章 锁相环路的基本工作原理
1 、 RC 积分滤波器这是结构最简单的低通滤波器，
电路构成如图1-8(a)， 其传输算子
1 F ( p) 1 p 1
(1-18)
式中τ1=RC是时间常数，这是这种滤波器唯一可调 的参数。
如上所述，环路有两种基本的工作状态。 其一是捕获过程。评价捕获过程性能有两个主要 指标。一个是环路的捕获带Δωp，即环路能通过捕获过 程而进入同步状态所允许的最大固有频差Δωo｜max。若
Δωo>Δωp，环路就不能通过捕获进入同步状态。故
p o max
(1-14)
《 锁相技术》
第1章 锁相环路的基本工作原理
e (t ) ot i (t ) o (t )
将随时间不断增长。
《 锁相技术》
第1章 锁相环路的基本工作原理
图1-3 捕获过程中瞬时相差与瞬时频差的典型时间图 《 锁相技术》
第1章 锁相环路的基本工作原理
三、锁定状态
捕获状态终了，环路的状态稳定在
e (t ) e (t ) 2n
《 锁相技术》
第1章 锁相环路的基本工作原理
o (t ) ot i e o (t ) o
将此式代入输出信号表达式(1-2)，得
uo (t ) U o cos[ot ot i e ] U o cos[ot (i o )t i e ] U o cos[i t i e ]
第1章 锁相环路的基本工作原理
图1-4 锁相环路的基本构成
《 锁相技术》
第1章 锁相环路的基本工作原理
一、鉴相器
鉴相器是一个相位比较装置，用来检测输入信号 相位θ1(t)与反馈信号相位θ2(t)之间的相位差θe(t)。输出 的误差信号ud(t)是相差θe(t)的函数，即
ud (t ) f [e (t )]
θi(t)即为时间的函数。设输出信号
uo (t ) Uo cos[ot o (t )]
(1-2)
《 锁相技术》
第1章 锁相环路的基本工作原理
式中Uo是输出信号的幅度；
ωo是环内被控振荡器的自由振荡角频率，它是环路 的一个重要参数； θo(t)是以自由振荡的载波相位ωot为参考的瞬时相位， 在未受控制以前它是常数，在输入信号的控制之下，
统的瞬时相差θe(t)=θ1(t)-θ2(t)，瞬时频差
(1-10)
应用上述描述方法，矢量图可以画成图1-2(b)。系
d e (t ) di (t ) d 2 (t ) e (t ) 1 (t ) 2 (t ) o dt dt dt
(1-11)
12 p F ( p) 1 1 p
式中τ1=(R1+R2)C；τ2=R2C。这是两个独立的 可调参数，其频率响应为
(1-20)
1 j 2 F ( j) 1 j 1
(1-21)
《 锁相技术》
第1章 锁相环路的基本工作原理
图1-9 无源比例积分滤波器的组成与对数频率特性
为输入信号以ωot为参考的瞬时相位，因此，(1-4)式 可以改写为