锁相环路的特性及其应用
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。
什么是锁相环电路？
什么是锁相环电路？一、锁相环电路的定义及原理锁相环电路是一种电子电路系统，通过不断调整输入信号与参考信号之间的差异，使得输出信号与参考信号同步的技术。
锁相环电路一般由相位检测器、低通滤波器、控制环节和输出环节组成。
其原理是利用反馈控制的方式，使得输出信号的相位与参考信号的相位保持一致。
锁相环电路在通信领域、测量仪器、音频处理等方面有着广泛的应用。
它能够消除信号传输过程中的相位误差，提高信号的稳定性和准确性。
二、锁相环电路的工作原理1. 相位检测器相位检测器是锁相环电路的核心部件之一，其作用是检测输入信号与参考信号之间的差异，并将差异信号转化为控制电压。
常见的相位检测器有边沿触发器、比较器和专用的数字相位检测器。
（1）边沿触发器：边沿触发器是一种简单实用的相位检测器，通过比较输入信号与参考信号的边沿差异来实现相位检测。
（2）比较器：比较器通过比较输入信号与参考信号的幅值大小来实现相位检测。
比较器常用于高频应用中。
（3）数字相位检测器：数字相位检测器通过将输入信号与参考信号转化为数字信号，并利用计算机算法来实现相位检测。
它具有高精度和稳定性的特点。
2. 低通滤波器低通滤波器用于消除相位检测器输出中的高频噪声，提取出有效的控制信号。
低通滤波器常用于锁相环电路的控制环节。
3. 控制环节控制环节通过获取低通滤波器输出的控制信号，并根据差异信号进行调节，使得输出信号的相位逐渐趋于参考信号的相位。
常用的控制方式有比例控制、积分控制和微分控制。
4. 输出环节输出环节将锁相环电路的输出信号转化为所需的形式，如模拟信号、脉冲信号或数字信号。
输出环节的设计对于锁相环电路的应用至关重要。
三、锁相环电路的应用1. 通信领域锁相环电路在通信领域中被广泛应用于时钟恢复、频率合成、时基稳定性控制以及数据调整等技术。
它可以提高通信系统的抗干扰能力和信号质量，保证数据的可靠传输。
2. 测量仪器锁相环电路在测量仪器中的应用主要体现在频率测量、相位测量和时间测量等方面。
简述锁相环的作用
简述锁相环的作用
锁相环是一种用于电子设备和信号处理系统中的一种电路元件，
它具有抗干扰性能好、稳定性强、可靠性高等特点。
它的主要用途是
用于精确检测和跟踪信号的振幅变化和相位变化，以及用于精确的时
间同步控制。
锁相环的工作原理是，当信号的频率与设定的基准频率接近时，
锁相环就会把信号的频率锁定到设定的基准频率上。
为了使得锁相环
的效果更好，通常采用比较器来检测和比较信号的振幅和相位变化，
然后产生控制信号，以保持信号的频率与设定的基准频率保持一致。
锁相环也可以用于正弦波的形成和调制等操作，其关键在于检测
和比较信号的振幅和相位的变化，然后根据变化的情况产生控制信号。
此外，锁相环还可以用于执行电力系统间的精确时间同步控制，使得
电网系统中的发电机组能够实现准确的同步。
总之，锁相环是电子设备和信号处理系统中不可缺少的电路元件，它的作用在于检测和跟踪信号的振幅和相位变化，以及实现精确时间
同步控制等应用，为电子设备和信号处理系统的正确运行提供了强有
力的技术支撑。
锁相环的应用
oscillator
PD
调制信号uF(t)/uF(t)
FM/PM信号
LF
VCO
合理设计使得PLL工作在载波跟踪状态下， 环路输出信号的载波频率跟踪晶体振荡器的变 化，可提供高稳定度的载波信号；调制信号控 制VCO的瞬时输出频率，以实现FM或PM调制。
根据实现框图可推出调制信号uF(t)与输出相位 θ2之间的关系满足：
3.有源比例积分Filter
R2 C
I1
R1
I2
-A
ui
ua
uo
F(jΩ)=(1+jΩτ )/jΩτ 2
1Hale Waihona Puke τ=1 (R+AR
1
+R
) C τ =R C
12
2
2
幅频特性 相频特性
|F(jΩ)| =
22
1+Ωτ 2 Ωτ
1
Φ(jΩ) = arctgΩτ –π/2 2
高增益的有源比例积分滤波器又称为理想积分滤波器。
PLL包括： 1. PD： Phase Detector 2. LF： Loop Filter 3. VCO： Voltage Controlled
Oscillator 受控对象
控制器
基本构成如下图:
PD
LF
VCO
H(P)=1
1. 鉴相器 PD 输出的误差信号
即：
是相差θe(t)的函数，
正弦鉴相器用模拟相乘器与低通滤波器的 串接作为模型。
3. 解调器的实现 由前分析可知，当环路工作于调制跟踪状态
时，PLL就是一个FM解调器，其中VCO的输出是 已调信号，则其控制信号为调制信号。
(1)当输入信号为FM信号时： 令信号载频ωc等于VCO自由振荡频率ωo， 则输入信号的瞬时频率：
锁相环pll原理与应用
$number {01}
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
锁相环原理及应用PLL
锁相环原理及应用PLL（Phaze Locked Loop）锁相环自1932年问世以来，其应用领域遍及频率相位跟踪控制的各个领域，如通信、雷达、航天、测量、电视、控制等。
随着集成技术的发展，其应用的重要性已成为从事检测、通信、控制工作人员非常重要的应用工具手段，成为电子设备中常用的一种基本部件。
鉴于上述情况，非常有必要学习和掌握这门技术。
它是什么器件有如此大的威力呢？锁相环：是一个闭环的相位控制系统，它跟踪输入信号的相位，并自动锁定。
实现对输入信号频率和相位的自动跟踪。
它跟踪固定频率的输入信号时无频差，跟踪信号的相位时（锁相控制）精度很高；跟踪信号的频率变化的输入信号时（收音机）精度也很高。
它对输入信号恰似一个窄带跟踪滤波器，能够跟踪淹没在噪声之中的微弱信号。
鉴于上述种种独特功能，它在电子设备中越来越广泛地被采用。
它的窄带跟踪滤波和低门限特性，使它成为从噪声中检测调频调相合调幅信号的最佳方法之一。
§1 锁相环工作原理一、组成：锁相环由三个基本部件组成：鉴相器（PD）、低通滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）构成。
与相敏检测器的不同之处在于参考信号由输出的信号闭环形成。
1.鉴相器：是一个相位比较环节，它把输入信号与压控振荡器输出信号的相位进行比较，产生对应两信号相位差的误差电压。
是两信号相位差鉴相器特性可以是多种多样的，有正弦形、方波、三角形、锯齿形特性。
它的电路有各种形式，主要有两类：1）相乘器电路2）序列电路：它的输出电压是输入信号过零点与反馈电压过零点之间时间差的函数。
这类鉴相器的输出只与波形的边沿有关，适用于方波，通常用电路构成。
2.低通滤波器（环路）：具有低通特性，滤除中的变频成分和噪声，以保证环路要求的性能，增加环路的稳定性，产生对应的一个直流控制电压。
常用的环路滤波器有：RC积分滤波器、无源比例积分滤波器和有源比较积分滤波器3.VCO（Voltage Controlled Oscillator）：它是一个电压—频率转换器，由控制产生相应频率，使其频率朝着输入信号的频率靠拢，由于相位负反馈的作用直至消除频差实现环路锁定。
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。
锁相环的基本原理和应用
锁相环的基本原理和应用1. 什么是锁相环锁相环（Phase-Locked Loop，简称PLL）是一种电路模块，其基本原理是通过对输入信号和参考信号的相位进行比较和调节，以使输出信号与参考信号保持稳定的相位差。
锁相环广泛应用于通信、测量、频率合成等领域，因其能够实现信号调频、时钟控制等功能而备受关注。
2. 锁相环的基本结构锁相环由相位比较器（Phase Comparator）、环路滤波器（Loop Filter）、振荡器（VCO）和分频器（Divider）组成。
其基本结构如下所示：•相位比较器：相位比较器用于比较输入信号和参考信号的相位差，并产生一个与相位差成正比的控制电压。
•环路滤波器：环路滤波器用于平滑相位比较器输出的控制电压，并将其转换成稳定的直流电压。
•振荡器：振荡器根据环路滤波器输出的控制电压来调节其输出频率，使其与参考信号频率保持一致。
•分频器：分频器将振荡器输出的信号进行频率分频，以产生一个与参考信号频率一致且稳定的输出信号。
3. 锁相环的工作过程锁相环的工作过程可以分为四个阶段：捕获（Capture）、跟踪（Track）、保持（Hold）和丢失（Lose）四个阶段。
•捕获阶段：在捕获阶段，锁相环通过不断调节VCO的频率，使其与参考信号频率逐渐接近，并将相位差逐渐减小。
•跟踪阶段：当锁相环的输出频率与参考信号频率相等时，进入跟踪阶段。
在该阶段，VCO的频率和相位与输入信号保持一致。
•保持阶段：在保持阶段，锁相环维持着与输入信号相同的相位和频率。
任何相位和频率的变化都会通过反馈回路进行补偿。
•丢失阶段：如果输入信号的频率超出锁相环的捕获范围，锁相环无法跟踪该信号，进入丢失阶段。
在该阶段，锁相环输出的信号频率与输入信号频率不一致。
4. 锁相环的应用锁相环在各个领域有着广泛的应用，下面列举几个常见的应用：•频率合成器：锁相环可以将稳定的参考频率合成为其他频率，广泛用于通信、雷达、测量等领域。
锁相环技术原理及其应用
锁相环技术原理及其应用一、锁相环技术原理1.1 基本概念锁相环（Phase-Locked Loop，PLL）是一种调节电路，能够通过控制其输出信号相位与参考信号相位之间的差值，使输出信号频率与参考信号频率一致，并且其输出信号相位与参考信号精确同步。
锁相环可以用于频率合成、时钟恢复、数字信号处理、射频通信等领域。
1.2 工作原理锁相环主要由相位比较器、低通滤波器、时钟发生器、可变增益放大器和电压控制振荡器等组成。
其中，相位比较器的作用是将参考信号和反馈信号进行比较，然后得到相位误差信号。
低通滤波器的作用是将相位误差信号进行平滑处理，得到直流误差信号。
时钟发生器的作用是产生参考信号。
可变增益放大器的作用是将误差信号放大后作为电压控制振荡器的控制电压。
电压控制振荡器的作用是产生锁相环输出信号，并且通过调节电压来控制输出信号的频率和相位。
1.3 稳定性分析锁相环的稳定性与参考信号的稳定性和相位比较器的带宽以及低通滤波器的截止频率等因素有关。
稳定性分析主要是评估锁相环输出信号的频率精度和相位噪声。
二、锁相环技术应用2.1 频率合成频率合成是利用锁相环技术将一个较低频率信号转换为高频率信号。
其中，参考信号是一个较低频率信号，产生参考信号的时钟发生器经过倍频器将参考信号的频率增加到所需的合成频率，然后经过相位比较器和滤波器控制电压控制振荡器的输出频率。
频率合成广泛应用于通信、广播、雷达、卫星导航等领域。
2.2 时钟恢复时钟恢复是一种将时钟信号从数据信号中恢复出来的技术。
锁相环可以通过将数据信号作为反馈信号，将时钟信号从数据信号中恢复出来。
时钟恢复广泛应用于数字通信和数字音频领域。
2.3 数字信号处理锁相环可以通过将输入信号与锁相环输出信号相比较，将输入信号变换的频率和相位误差降到很小，从而使输入信号的相位和频率与输入信号一致。
锁相环广泛应用于数字信号处理，例如数字滤波器、数字混频器、数字降噪器等。
2.4 射频通信锁相环在射频通信中的应用非常广泛，主要用于频率合成、时钟恢复等领域。
单片机 锁相环
单片机锁相环【最新版】目录1.单片机概述2.锁相环的概念与原理3.锁相环在单片机中的应用4.锁相环的优势与局限性正文【1.单片机概述】单片机（Microcontroller Unit，简称 MCU）是一种集成了 CPU、存储器、外设接口等多种功能于一体的微型计算机。
由于其体积小、成本低、功耗低、功能强大等特点，被广泛应用于嵌入式系统中，如智能家居、自动控制、消费电子等领域。
【2.锁相环的概念与原理】锁相环（Phase-Locked Loop，简称 PLL）是一种用于同步两个频率信号的电路，主要由相位检测器、滤波器和电压控制振荡器（VCO）等部分组成。
当输入信号的频率与参考信号的频率相差较小时，锁相环能够实现两个信号的同步。
【3.锁相环在单片机中的应用】锁相环在单片机中的应用非常广泛，主要体现在以下几个方面：（1）时钟同步：在嵌入式系统中，时钟同步对于数据的准确传输和处理器的稳定运行至关重要。
锁相环可以用于将外部高速时钟信号同步到单片机内部时钟，从而保证系统稳定性。
（2）频率合成：锁相环可以用于生成不同频率的信号，以满足系统中多种信号的需求。
（3）通信领域：在无线通信中，锁相环可以用于实现信号的同步和解调，提高通信质量。
【4.锁相环的优势与局限性】锁相环的优势主要体现在以下几个方面：（1）同步精度高：锁相环能够实现输入信号与参考信号的精确同步，提高系统性能。
（2）适应性强：锁相环能够适应不同频率信号的同步需求，具有较广泛的应用范围。
然而，锁相环也存在一定的局限性：（1）对输入信号质量要求较高：当输入信号质量较差时，锁相环的同步性能会受到影响。
（2）易受干扰：锁相环的工作原理使其容易受到外部干扰，如电磁干扰等。
综上所述，锁相环在单片机中具有广泛的应用，可以实现时钟同步、频率合成等功能。
锁相环原理及应用
锁相环原理及应用嘿，朋友们！今天咱来聊聊锁相环原理及应用，这可有意思啦！你看啊，锁相环就像是一个超级有耐心的协调大师。
它能让两个本来不太合拍的东西，变得和谐一致，就好比让两个舞步不太协调的人慢慢找到节奏，一起跳出优美的舞蹈。
锁相环主要由相位比较器、环路滤波器和压控振荡器这几个部分组成。
相位比较器就像是一双敏锐的眼睛，时刻盯着输入信号和反馈信号的相位差异。
环路滤波器呢，则像一个温柔的缓冲器，把那些比较器发现的小波动给抚平啦。
而压控振荡器，那可是关键角色呀，它能根据滤波器的调整，乖乖地改变自己的频率和相位，努力去和输入信号保持一致。
那锁相环都有啥用呢？哎呀，用处可多啦！在通信领域，它就像个默默无闻的幕后英雄。
比如说，手机信号的接收和发送，没有锁相环可不行呢。
它能让手机准确地锁定信号频率，让我们能清晰地通话、流畅地上网。
再想想那些高级的音响设备，锁相环在里面也发挥着大作用呢！它能让声音更加稳定、清晰，不会有那种让人不舒服的杂音。
就好像给声音穿上了一件合身的衣服，让它变得更加好听。
还有啊，在一些精密的测量仪器中，锁相环也是不可或缺的。
它能让测量结果更加准确可靠，就像给测量加上了一把精准的锁。
咱就说，这锁相环是不是很神奇？它就像一个小小的魔法盒子，里面蕴含着大大的能量。
它能让各种电子设备变得更加出色，给我们的生活带来那么多的便利。
而且啊，随着科技的不断发展，锁相环的应用也会越来越广泛。
说不定以后我们生活中的方方面面都离不开它呢！难道你不觉得这很令人期待吗？总之呢，锁相环原理虽然有点复杂，但它的应用真的是无处不在。
我们享受着它带来的便利，却可能都没意识到它的存在。
所以啊，大家可得好好了解了解它，感受一下这个小小的东西背后的大魅力呀！。
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 i= V im sin(ωi t+φi)环路输出信号v o= V om sin(ωo t+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.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。
b.φe(t)由鉴相器产生误差电压v d(t)=f(φe)完成相位误差—电压的变换作用。
v d(t)为交流电压。
c. vd(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产生控制角频差△ω0,使ω0随ωi变化。
B.锁定（即相位稳定）a.一旦锁定φe(t)=φe∞（很小常数）v d(t)= V d（直流电压）b.ω0≡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 d(t)=A D sinφe(t)相位模式环路滤波器(LPF)数学模式v c(t)=A F(P)v d(t)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。
第6章---锁相环路的应用
cos
2ct
mA 2
sin[(2c
)t
]
mA 2
sin[(2c
)t
]
(6-10) (6-11)
《锁相技术》
第6章 锁相环路的应用
《锁相技术》
图 6-7 AM信号的PLL同步解调
第6章 锁相环路的应用
《锁相技术》
图 6-7 AM信号的PLL同步解调
第6章 锁相环路的应用
二、模拟调频和调相信号的调制与解调
f p
1( 2
f3
f2)
1 (120.8 72.5) 2
24.15kHz
《锁相技术》
第6章 锁相环路的应用
二、频率特性 锁相环路对输入高频信号的带通特性是由环路传 递函数的低通特性所决定的。设输入信号被正弦音频 信号调频，则输入瞬时频率为
i (t) c sin t
(6-1)
式中ωc是载频；
第6章 锁相环路的应用
《锁相技术》
图 6-2 锁相环路跟踪特性的测量
第6章 锁相环路的应用
当输入频率下降时得到图中实线，在
fi=f3=1208kHz处环路捕获，在fi=f1=41kHz处失锁。由 此可算得环路的同步带
捕获带
f H
1( 2
f4
f1 )
1 (161.5 41)0 2
60.25kHz
U c {sin ct
mA 2
cos[(c
)t
]
mA 2
cos[(c
)t
]
(6-8)
《锁相技术》
第6章 锁相环路的应用
2调制器 用集成锁相环路很容易构成一个性能良 好的AM调制器。这时，环中的相乘器不再作鉴相器应 用，而是直接用它的相乘功能；压控振荡器也不再作 被控振荡器，而是直接产生载波信号。 由此构成如图 6-4框图。
8.5锁相环及其应用
8.5 锁相环及其应用组成和工作原理用于频率合成电路用于调制和解调电路一、锁相环的组成和工作原理1. 基本组成PDLFVCO++-()t u I ()t u D ()t u C ()t u o 锁相环能够在一定范围内，使输出信号和输入信号保持固定的相位差，达到输出信号频率跟踪输入信号频率的目的。
鉴幅器环路滤波器压控振荡器2. 锁相环的工作原理环路是通过“频率牵引”进入锁定状态的，称此过程为“捕捉过程”设通过频率牵引而能够进入锁定状态所允许的最大固定频差为±Δωomax则锁相环的捕捉带Δωp 为max2opωω∆=∆当锁相环进入锁定状态时，只要ωi的变化范围在捕捉带内时锁相环通过“捕捉”，都能够使ωo 始终跟踪ωi的变化二、锁相环用于调制和解调电路1. 锁相环用于调频电路PD LF VCOIu Cu ou 石英晶体振荡电路载波信号调制信号调频信号2. 锁相环用于解调电路PDLFVCOIu ()t Q o ou 调频信号解调信号只要压控振荡器的频率控制特性是线性的低通滤波器的输出就是还原的调制信号1、锁相倍频器三、锁相环用于频率合成电路PD LF VCOIu )(i f ou f 0 / N)(o f Nf f o i =io Nf f =PD LF VCOIu )(i f ou Nf 0)(o f Nf f i o =oi Nf f =sc o f f f -=PDLF VCO()t u I sf ()t u o 混频器of 中频放大器本机振荡器()t u c c f ()t u D oc f f -。
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。
为什么在电路中要使用锁相环
为什么在电路中要使用锁相环锁相环（Phase-Locked Loop，简称PLL）是一种常见的电路技术，广泛应用于通信、数字信号处理、时钟同步等领域。
它的主要功能是对输入信号与本地信号进行频率和相位的比较和调整，以实现信号的同步和稳定。
以下将从几个方面探讨为什么在电路中要使用锁相环。
一、频率合成在通信和无线电领域，频率合成是非常重要的。
锁相环可以实现频率的精确合成，即将一个低频的、不稳定的参考信号转换为一个高频的、稳定的输出信号。
这在无线电发射器的调频合成、数字时钟和音频设备的频率合成等方面都具有重要的应用。
通过锁相环实现的频率合成，保证了通信信号的稳定性和一致性。
二、时钟恢复与同步在数字信号处理中，如数字音频和视频应用，锁相环可用于时钟恢复和同步。
数字音频和视频信号通常会经过采样和编码，然后传输或存储，在接收端或播放端需要恢复正确的时序和同步。
锁相环可以根据输入信号的相位和频率信息，对局部时钟进行控制，使其与输入信号保持同步。
这样可以避免时钟偏移和抖动，确保音频和视频的清晰和准确性。
三、抖动抑制在电路中，信号的抖动是指其相位或频率发生的随机变化。
抖动会导致信号的不稳定和失真，影响系统的性能。
锁相环可以通过负反馈控制的方式，抑制信号的抖动。
它能够实时监测输入信号的相位差，通过调整本地信号的相位和频率，使得输入和输出信号保持一致，从而达到抖动抑制的目的。
四、频率偏移测量在一些应用中，需要测量输入信号的频率偏移。
锁相环可以通过频率和相位的比较，得到输入信号的频率偏移值。
这对于频率校准和误差检测非常有用。
例如，在GPS定位系统中，锁相环可以用于测量接收信号的频率偏移，并进行纠正，提高定位的准确性。
总结起来，锁相环在电路中的应用非常广泛。
它能够实现频率合成、时钟同步、抖动抑制和频率偏移测量等功能，为各种电子设备和通信系统提供了稳定和可靠的信号处理能力。
随着技术的不断发展，对锁相环的研究和应用也在不断深入，相信在未来的发展中，锁相环将发挥更加重要的作用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
锁相环路的特性及其应用
锁相环路(Phase Lock Loop，PLL)是一种自动相位控制(APC)系统，是现代电子系统中应用广泛的一个基本部件。
它的基本作用是在环路中产生一个振荡信号(有时也称本地振荡)，这个信号的频率受控制电压的作用，当环路锁定时，振荡信号的输出频率与输入信号的频率完全相等，两个信号的相位差保持恒定。
实现了无频率误差的信号跟踪，合理地选择PLL的直流增益、振荡频率和相应带宽可有效地改善环路性能，达到理想的效果。
l 锁相环路的组成与特性 1.1 锁相环路的组成锁相环路由3部分组成：鉴相器PD(Phase Detector)、环路滤波器LF(Loop Fillter)和压控振荡器VCO(Voltage-Controlled Oscillator)。
组成框图：
鉴相器PD 通常鉴相器由模拟相乘器和低通滤波器组成；作用是将输入信号的相位与VCO 的输出信号相位进行比较，并比较结果转化为误差电压Ud(t)；该电压是两个信号相位差的函数。
环路滤波器LF 是低通滤波器，作用是滤除误差电压Ud(t)中的高频分量后得到控制电压Uc(t)，并加给压控振荡器。
压控振荡器VCO 通常由变容" target="_blank">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。
当输入信号和输出信号频率相同相差恒定时，鉴相器输出中的低频分量为零，环路滤波器的输出也为零，压控振荡器的振荡频率不发生变化。
如果二者的频率不一致，则鉴相器将产生低频分量，并通过环路滤波器使压空振荡器的频率发生变化。
环路设计得恰当，这种变化将不断使输出信号的频率与输入信号的频率趋于一致，最终二者频率相等相位差恒定，Ud(t)，Uc(t)均为直流电压，VCO的输出频率将停止变化，环路处于“锁定”状态。
当输入信号的频率发生变化时(VCO的控制范围)，VCO的输出就能跟上这个变化，实施跟踪和捕捉的过程，达到频率相等的要求。
1.2 锁相环路的基本特性正常工作时锁相环路具有以下基本特性：(1)良好的窄带特性：当环路处于锁定状态时，鉴相器输出的误差电压Ud(t)是一个能顺利通过环路滤波器的直流电压，如果此时输入信号中有干扰成分，则干扰信号与VCO的输出信号在鉴相器PD中比较所形成的误差电压受到环路滤波器的抑制(处于低通的通频带外)，于是VCO的输出信号中的干扰成分大为减少，此时环路相当于一个滤除噪声的高频窄带滤波器，其通频带可以做得很窄，如在几十兆赫兹至几百兆赫兹的中心频率上实现几赫兹至几十赫兹的窄带滤波。
这种窄带滤波特性是LC，RC、石英晶体等滤波器很难达到的。
(2)锁定后没有频差：在环路处于锁定状态时，环路的输出信号和输入信号的频率相等，没有剩余频差，只有剩余相位差。
它比AFC系统更好地实现了频率控制，因而在自动频率控制、频率合等技术方面获得了广泛的应用。
(3)自动跟踪特性：一个已经处于锁定状态的环路，当输入信号的频率稍有变化时，VCO的频率立即发生相应的变化，使输出频率与输入频率接近并最终达到相等。
有时环路虽未达到锁定状态，经过自身的调节作用可以捕捉到输入信号并最终锁定。
(4)易于集成化：组成锁相环路的基本部件都易于采用集成电路，随着集成技术的发展，整个环路包括一些放大元件、控制元件等均可集成在1块芯片上，目前常用的主要有L562，L565，L564，CD4046等集成锁相环。
集成化可以减小设备体积、降低成本、提高设备的可靠性和稳定性，大大提高整机性能。
2 锁相环路的应用由于锁相环路性能优越，现广泛用于无线电通信技术中，可实现滤波、模拟和数字信号的调制与解调、倍频、分频、混频、频率合成等方面。
2.1 锁相倍频、分频和混频在基本锁相环路中，若将VCO的振荡频率锁定在所需要的频率上，就可进行倍频、分频和混频。
(1)倍频：在反馈环路中接入一分频器，当环路处于锁定状态时，ωi=ωo／n，输出的频率ωo=nωi 为输入信号频率的n倍。
(2)分频：同理要在反馈环路中接入一倍频器，当环路处于锁定状态时，ωi=nωo，ωo=ωi／n，VCO输出的频率为输入频率的1／n。
(3)混频：在反馈环路中加入混频器或中频放大器，就可实现混频功能。
当环路处于锁定状态时ωi=ωo-ωL，ωo=ωL+ωi。
2.2 锁相调频与鉴频(1)调频用锁相环路调频，能够得到中心频率高度稳定的调频信号。
锁相环路的VCO中心频率稳定在晶振频率上，同时调制信号也加到VCO上，从而实现频率调制获得所需的调频信号。
调制信号的频谱应处于LF的带通之外，并且调频系数不能太大，因此不形成调制信号的环路，锁相环路仅是载波的跟踪环，调制频率对锁相环路无影响，只对VCO的中心频率不稳定起作用。
这样锁定后VCO的中心频率就锁定在晶振频率上，输出的调频波中心频率稳定度很高。
克服了直接调频中心频率稳定度不高的缺点。
(2)鉴频根据锁相环路的频率跟踪特性，在系统处于调频跟踪状态时，可用于调频信号的解调，其框图。
若输入为调频波，且其最大瞬时频率满足跟踪条件，则当输入调频波的频率发生变化时，经过PD和LF后，将产生一个与输入信号频率变化规律相对应的控制电压，以保证VCO的输出频率与输入频率相同，经环路滤波输出的控制电压就是解调信号。
2.3 调幅波的同步解调对于DSB和SSB调幅信号进行解调时，必须使用同步检波，即保证本振产生的载波信号与调幅信号中的载波信号同频同相，此外在数字通信中还有位同步、帧同步、网同步等，可见同步信号的产生非常重要。
利用滤波法、导频法、重生法所产生的本振信号很难做到与载波信号同频同相。
而利用载波跟踪型的锁相环路就能得到这样的信号，再将其移相90°与输入的调幅信号相乘，通过低通滤波就可解调出调制信号。
2.4 锁相接收机锁相接收机实质是一个窄带跟踪锁相环路，其框图。
对于一般的超外差接收机，当接收机的信号载波频率不稳定，而本振频率又不能自动跟踪时，必将引起混频器输出的中频信号频率的变动，为了适应这种变化，中频放大器的频带应有一定的带宽。
对在空间技术中应用的通信机，这个问题就更显得突出，当地面接收站接收卫星发送到无线电信号时，由于卫星离地距离远，再加上卫星发射功率小，天线在增益低，地面接收站收到的信号是极微弱的。
卫星环绕地球飞行时，由于多普勒效应，地面接收站收到的信号频率将偏离卫星发射的信号频率，并且其值往往在较大范围内变化。
对于这种中心频率在较大范围内变化的微弱信号若采用普通接收机，势必要求有足够的带宽，这样接收机的输出信噪比将严重下降，无法有效地检出信号，若采用锁相接收机，利用环路的窄带跟踪特性，就可有效地提高输出信噪比，获得满意的接收效果。
2.5 频率合成无线电通信技术的迅速发展，对振荡信号源的要求在不断提高，不但要求它的频率稳定度的准确高度，而且要求能方便地改换频率，频率合成技术就能满足上述要求。
在锁相环路的鉴相器中进行相位比较的2个频率应该相等，而参考晶振频率是固定值，而频率合成器所需输出的频率(即VCO的频率)则是多个数值。
为了使这二者的频率在鉴相器处相等，以便比较它的相位，可采用脉冲控制锁相法、模拟锁相环路法与数字锁相环路法。
脉冲锁相法是利用参考晶振频率的某次谐波(通过脉冲形成电路来获得)与VCO输出频率在鉴相器中比较。
模拟锁相环路法与数字锁相环路法则是利用适当的降频电路将VCO的频率降低(PD工作于较低的频率)，然后与参考频率在鉴相器中相比较，实现锁相功能。
二者的区别在于二者的降频方式不同，模拟式采用加减法降频，数字式采用除法降频。
锁相环路的应用不仅如此，
还有可以解决专门问题锁相环，如彩电电视彩色副载波的提取，振荡器的频率稳定与提能，相关应答器等，在电子设备，无线电通信，航空航天，雷达等领域被广泛采用。