锁相环路PLL及其他反馈控制电路
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。
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的电路原理以及基本构成
锁相环PLL的电路原理以及基本构成锁相环（phase locked loop），顾名思义，就是锁定相位的环路。
学过自动控制原理的人都知道，这是一种典型的反馈控制电路，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，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，一般用于闭环跟踪电路。
是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 （锁相环集成电路），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，达到锁相的目的。
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。
PLL（锁相环）电路原理在通信机等所使用的振荡电路，其所要求的频率范围要广，且频率的稳定度要高。
无论多好的LC振荡电路，其频率的稳定度，都无法与晶体振荡电路比较。
但是，晶体振荡器除了可以使用数字电路分频以外，其频率几乎无法改变。
如果采用PLL（锁相环）（相位锁栓回路，PhaseLockedLoop）技术，除了可以得到较广的振荡频率范围以外，其频率的稳定度也很高。
此一技术常使用于收音机，电视机的调谐电路上，以及CD唱盘上的电路。
PLL（锁相环）电路的基本构成PLL（锁相环）电路的概要图1所示的为PLL（锁相环）电路的基本方块图。
此所使用的基准信号为稳定度很高的晶体振荡电路信号。
此一电路的中心为相位此较器。
相位比较器可以将基准信号与VCO （V oltage Controlled Oscillator电压控制振荡器）的相位比较。
如果此两个信号之间有相位差存在时，便会产生相位误差信号输出。
（将VCO的振荡频率与基准频率比较，利用反馈电路的控制，使两者的频率为一致。
）。
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 。
锁相环实验报告
锁相环实验报告锁相环实验报告一、实验目的本次实验的目的是了解锁相环（PLL）的原理和应用，掌握PLL电路的设计和调试方法，以及了解PLL在通信系统中的应用。
二、实验原理1. PLL原理锁相环是一种基于反馈控制的电路，由比例积分环节、相位检测器、低通滤波器和振荡器等组成。
其基本原理是将输入信号与参考信号进行比较，并通过反馈调整振荡频率，使得输入信号与参考信号同步。
2. PLL应用PLL广泛应用于通信系统中，如频率合成器、时钟恢复器、数字调制解调器等。
三、实验设备和材料1. 实验仪器：示波器、函数发生器等。
2. 实验元件：电阻、电容等。
四、实验步骤1. 搭建PLL电路并连接到示波器上。
2. 调节函数发生器输出正弦波作为参考信号，并将其输入到PLL电路中。
同时，在函数发生器上设置另一个正弦波作为输入信号，并将其连接到PLL电路中。
3. 调节PLL参数，包括比例积分系数和低通滤波器截止频率等，使得输入信号与参考信号同步。
4. 观察示波器上的输出波形，记录下PLL参数的取值。
五、实验结果与分析1. 实验结果通过调节PLL参数，成功实现了输入信号与参考信号的同步，并在示波器上观察到了稳定的输出波形。
记录下了PLL参数的取值，如比例积分系数和低通滤波器截止频率等。
2. 实验分析通过本次实验，我们深入了解了锁相环的原理和应用，并掌握了PLL电路的设计和调试方法。
同时，我们也了解到PLL在通信系统中的重要作用，如时钟恢复、数字调制解调等。
六、实验结论本次实验成功地实现了输入信号与参考信号的同步，并掌握了PLL电路的设计和调试方法。
同时也加深对于PLL在通信系统中应用的认识。
七、实验注意事项1. 在搭建电路时应注意接线正确性。
2. 在调节PLL参数时应注意逐步调整，避免过度调整导致系统失控。
3. 在观察示波器输出波形时应注意放大倍数和时间基准设置。
锁相环路是一种反馈电路
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。
第8章反馈控制电路
式中，τ1=(R1+R2)C， τ2=R2C，R1>> R2。与RC积分滤波器不 同的是，当频率很高时，F(jΩ)|Ω→∞=R2/(R1+R2)是电阻的分压 比，这就是滤波器的比例作用。
第8章 反馈控制电路
无源比例积分滤波器 的频率特性
从相频特性上看，当频率很高时有相位超前校正的作用， 可以 改善环路的稳定性。
提取检测信号，通过检波和直流放大，控制高频(或中频)放大 器的增益。
后置AGC： AGC处于解调以后，是从解调后提取检测信 号来控制高频(或中频)放大器的增益。
基带AGC: 整个AGC电路均在解调后的基带进行处理。基 带AGC可以用数字处理的方法完成。
第8章 反馈控制电路
三 AGC的性能指标
1. KV（可控放大器的增益）：
y r时，应该减小振荡频率
因为此时uc 0,所以KC为负值
第8章 反馈控制电路
2.鉴频特性
斜率为Kd
第8章 反馈控制电路
3.无偏差的AFC特性 假设低通滤波器的传 输系数为1，即误差电 压等于控制电压
y0 r时
第8章 反馈控制电路
4.有偏差的AFC特性
y0 r时
稳定频差：
1 Kd Kc
ωy=ωy0+Kcuc 其中ωy0是控制信号uc=0时的振荡角频率，称为VCO的固有振 荡角频率，Kc是压控灵敏度。
注意：环路锁定时，ωy固定不变，但是不等于ωr，还有 剩余频差Δω＝|ωy－ωr|，否则无控制信息。
第8章 反馈控制电路
二 AFC电路特性分析
1.VCO的压控特性 y y0 KCuc
说明：1。由于PD的存在，锁相环只对相位进行比较。 2。锁相环是靠剩余相差进行工作（无剩余频差） 3。系统为相位负反馈环路。
笫7章--锁相环路4
▪ 频率漂移严重（因存在多普勒效应与振荡器中心频率不稳）。
例如：频率为100MHZ，多普勒频移为 3KHZ。
▪ 信标信号本身频带宽度较窄。约为6HZ左右。 若使用普通接收机，带宽至少6KHZ左右。接收机带宽比信号 带宽大1000倍，接收的噪声大1000倍，在接收机解调器前的信 噪比－10～－30dB。信号被噪声淹没。
VCO--变流式电容充放电VCO, R1 C1 决定VCO中心频率 滤波器—滤波电容外 接。 VCO输出端与鉴相器反馈输入端是断开的
集成锁相环NE565介绍(续2) NE565 PLL内部电路
集成锁相环NE565介绍(续3) 利用附录中PLL的宏模型对NE565进行PSPICE仿真
R1＝12 K， C1 ＝10NF ,VCOf0＝2.5KHz， VCO的压控灵敏度为1KHz/V左右。 Rf为片内电阻，其值为3.6 K，电容外接
PLL的基本特性与应用举例
PLL的基本特性 （1）优良的窄带滤波特性 －－普通滤波器无法实现 PLL锁定时，位于输入信号频率附近的干扰成分将以低频干扰 形式进入环路，而绝大部分的干扰会受到环路滤波器低通特性 的抑制，使误差信号得到平滑不再抖动，VCO输出得到提纯。 环路对干扰的抑制作用就相当于一个很窄的高频带通滤波器， 它的带宽可以做得很窄。另一方面，由于PLL能自动跟踪输入 信号频率，以保证窄带的实现。而普通滤波器无法跟踪。
（2）优良的载波跟踪和调制跟踪特性
无论输入信号是已调制或未调制的，只要含有载波分量，
用载波跟踪环可获得频率稳定度很高的载波。
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
什么是PLL？
什么是PLL？PLL的意思是Phase-locked Loop，中⽂意思即为锁相环。
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。
锁相环(PLL)是由鉴相器(PD),环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)组成的⾃动相位控制系统。
如图1所⽰。
其中鉴相器是相位⽐较装置，⽤来⽐较参考信号Ur(t)与压控振荡器输出信号Uo(t)的相位，产⽣对应于这两个信号相位差的误差电压Ue(t)。
环路滤波器的作⽤是滤除误差信号Ue(t)中的⾼频成分及噪声，以保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性。
压控振荡器受环路滤波器输出电压Uo(t)的控制，使振荡频率向参考频率靠拢，⼆者的差拍频率越来越低，直⾄⼆者的频率相同、保持⼀个较⼩的剩余相差为⽌。
下⾯介绍锁相环⼯作的⼤致过程：锁相环路(PLL)和AGC、AFC电路⼀样，也是⼀种反馈控制电路。
它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率的⽬的，从⽽实现了对信号的频率漂移进⾏跟踪。
在达到同频率的状态下，两个信号之间的稳定相差亦可做得很⼩。
鉴相器是个相位⽐较装置。
它把输⼊信号和压控振荡器的输出信号Uo(t)的相位进⾏⽐较，产⽣对应于两个信号相位差的误差电压Ue(t)。
环路滤波器的作⽤是滤除误差电压、Ue(t)中的⾼频成分和噪声，以保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性。
锁相环PLL基本原理
第 16 页
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ud(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。
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
在锁相频率合成器中，锁相环路具有稳频作用，能够完成频 率的加、减、乘、除等运算，可以作为频率的加减器、倍频器、 分频器等使用。
二、基本锁相环的构成se Detector) 环路滤波器(LF-Loop Filter) 压控振荡器(VOC: Voltage Controlled Oscillater)
高频成分
低频成分
第 21 页
通过环路滤波器，把上式中高频分量滤除。则鉴相器的输出为
u d(t)1 2A m U 1 m U 2 m sin i(t)o(t)
ud(t)Kdsin(t)
式中 Kd 12AmU1mU2m 其中Am 为乘法器的增益系数，量纲为1/V。
(t)i(t)o(t)
锁相环pll基本原理设计与应用第一节反馈控制电路简介第二节自动增益控制电路agc第三节自动频率控制afc电路第四节锁相环路pll基本原理一pll概述二基本锁相环的构成三锁相环的基本原理四锁相环各组成部分分析五环路的锁定捕获和跟踪同步带和捕捉带第六节锁相环路的应用一集成锁相环芯片方波发生器三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
输出信号的相位和输入信号的相位保持某种特定的关系，达
通信电子线路第7章 反馈控制电路
Uc(s)
Kc
r(s) 信 号
AFC工作原理框图
ue (y r)
2020/4/24
输 出 振 荡 频 率 ： yy 0 K c u c
27
7.2.2 AFC 电路的主要性能指标
1. 暂态和稳态响应
可控频率器件通常是压控振荡器（VCO）,其输出振荡角频率
可写成：
y y0kcuc
由图可得AFC电路的闭环传递函数
2020/4/24
10
4.控制过程说明
设输出信号振幅Uy与控制电压Uc的关系为
Uy = Uy0+kcuc=Uy0+Δ Uy 根据：Uy =Ａg (uc) Ux 得到：Uy =Ag(uc)Ux =［Ag(0)+kguc］Ux 其中：Ag(uc) = Ag (0)+ kguc 又有：Uy0= Ag (0) Ux0
荡频率使之中心频率稳定。
2020/4/24
31
7.3 自动相位控制电路——锁相环路
锁相环路的基本工作原理 锁相环的性能分析 单片集成锁相环路 锁相环的应用
2020/4/24
32
锁相环路的基本工作原理
锁相环路也是一种以消除频率误差为目的的反馈 控制电路。但它的基本原理是利用相位误差电压 去消除频率误差, 所以当电路达到平衡状态之后, 虽然有剩余相位误差存在, 但频率误差可以降低到 零, 从而实现无频差的频率跟踪和相位跟踪。 而 且, 锁相环还具有可以不用电感线圈、易于集成化、 性能优越等许多优点, 因此广泛应用于通信、雷达、 制导、导航、仪表和电机等方面。
增益动态范围和响应时间是AGC电路的两个主要性能指标。
2020/4/24
15
例7.1 某接收机输入信号振幅的动态范围是62dB, 输出信号振幅 限定的变化范围为30%。若单级放大器的增益控制倍数为20dB, 需要多少级AGC电路才能满足要求？
反馈控制电路
路是一种无误差旳频率跟踪系统(存在相位误差)。
i
Ui
ji(t)
Uo
o
jo(t)
环路失锁情况
o>i i
Ui
j0(t)
环路锁情况o=i
o =i
Uo
图6-1-11 用旋转矢量阐明锁相环路旳控制过程
6.2.1 基本环路方程
一、鉴相器
其作用是检测出两个输入电压之间旳瞬时相位差，
应用。
6-1 概述
在多种通信、雷达等电子系统中，广泛地采用多 种类型旳反馈控制电路。
参照信号
Xi
误差信号
反馈控制器 Xe (误差元件)
对象 (执行元件)
输出信号 Xo
图 6-1-1 反馈控制电路基本构成框图
6-1 概述
参照信号
Xi
误差信号
输出信号
反馈控制器 Xe (误差元件)
对象 (执行元件)
Xo
自动相位控制电路(APC)。需要比较旳量为
相位，误差元件多为鉴相器，执行元件也是受控 振荡器，经过变化振荡器电抗参数来锁定振荡器 输出信号旳相位。作用是使振荡器输出信号旳相 位稳定。APC电路能够实现无频率误差跟踪。 自动相位控制电路又称锁相环路(PLL)，是一种 应用很广旳反馈控制电路，利用锁相环路能够实 现许多功能，例如实现无误差频率跟踪、频率合 成器等。
jjoo((t)t)
jjo(ot()t)
图 7-2-5 锁相环路模型
je
(t)
ji
(t)
j
o
(t)
ji
(t)
Ad
Ao
AF
(
p)
1 p
锁相环电路设计
锁相环电路设计：让你的电路更稳定锁相环（PLL）电路是一种常用的控制电路，可以用来实现频率合成、时钟与信号恢复等功能。
在电子设备中，PLL电路的使用非常广泛，因为它能够使电路的频率更加精确、稳定，使电路的性能更优秀。
本文将介绍PLL电路的基本原理、设计方法和应用技巧。
一、PLL电路的基本原理PLL电路的基本构成包括：相锁环（Phase-Locked Loop，PLL）模块、反馈电路和指令电路。
根据反馈信号的不同，又可以将PLL电路分为：模拟PLL和数字PLL两类。
模拟PLL是指使用模拟电路实现的PLL电路，适用于处理频率较低、波形较简单的信号。
数字PLL是把PLL电路中的关键部分数字化，使用数字处理技术实现PLL电路，适用于对高速、复杂信号的处理。
PLL电路的基本原理是通过比较两个不同频率的信号，调节反馈电路的传递函数，使输出信号与参考信号保持同步，最终达到同步稳定的效果。
二、PLL电路的设计方法设计PLL电路时需要注意以下几点：1. 选择适合的锁相范围锁相范围一般是指锁相环能够自动跟踪的信号频率范围。
选择适合的锁相范围可以使PLL电路更加灵活、稳定。
2. 选择适合的环路带宽和相位裕度环路带宽是锁相环的工作频带范围，它决定了PLL电路的速度和稳定性。
相位裕度是指锁相环输出信号相位与参考信号相位的差值，它直接影响锁相环的稳定性。
选择适合的环路带宽和相位裕度可以使PLL电路更加稳定、可靠。
3. 选择合适的滤波器为了降低PLL电路输出信号中的噪声和抖动，需要在反馈电路中添加合适的滤波器。
选择合适的滤波器可以使PLL电路的性能更加优秀。
三、PLL电路的应用技巧1. 尽量避免信号功率幅度过大或过小PLL电路对信号功率幅度很敏感，过大或过小的信号功率都会对PLL电路的稳定性产生不良影响。
因此，在设计和应用时，应尽量避免信号功率偏离正常值。
2. 注意环路稳定性PLL电路不同于普通反馈电路，它需要有信号的引导才能正常工作。
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。
高频电子线路第12章反馈控制电路
▪ 改写输入和输出信号表示式：
v i( t) V is mio 0 n t 1 ( [ t) ] V is mii( t n )] [
v o ( t ) V o c mo o 0 t o s ( t ) [ V ] o c mo o 0 t 2 s ( t )
的正弦波，则 i(t) i0 是一常数， 即 v i (t ) 的初始相位。
▪ 假设输出信号为：
v o ( t) V oc mo o 0 t s o ( t) [ ] V oc mo o ( t)s ][
V 式 频 瞬中时率，相，位oo(m。t )为是余输弦出信信号号的以振其幅自，由振o 0荡为相环位路VCo0Ot 自为由参振考荡的角
大，将无法捕捉信号频率。能由失锁进入锁定所允许的最大角
频差的两倍称为环路的捕捉带。
两种不同的跟踪状态
锁相环的两种跟踪状态：载波跟踪与调制跟踪。
（1）参考信号不变：压控振荡器的输出信号频率只跟踪 输入信号的载频，那么就称之为载波跟踪状态，这叫载波 跟踪环，或称“窄带跟踪环”。
（2）参考信号改变：压控振荡器的输出信号跟踪输入的 调制信号变化。这种状态就是调制跟踪状态，这种环路称 为“调制跟踪环路”。调制跟踪环路可实现高质量的调角 信号的解调。
三、PLL各部件的特性与数学模型 1、鉴相器 （PD）
▪ 常用的鉴相器有以下几类：数字鉴相器、模拟相乘器、抽样 鉴相器和鉴频鉴相器等。 ▪ 作为原理分析，通常使用具有正弦鉴相特性的鉴相器。
vd(t)f[i(t)o(t)]
式中， i (t ) 为输入信号 v i (t ) 的瞬时相位； o (t ) 为压控振荡器输出信号 v o (t ) 的瞬时相位。
锁相环电路设计与应用
锁相环电路设计与应用锁相环（Phase-Locked Loop，PLL）是一种常见的电路设计和应用，广泛应用于通信、计算机、音频、视频、测量等领域。
本文将介绍PLL的基本原理、电路设计以及应用。
一、PLL的基本原理PLL是一种反馈控制系统，通过比较两个输入信号的相位差，并根据差异信号来调整时钟信号的相位和频率，使得输出信号与输入信号同步，以稳定输出信号的相位和频率。
PLL通常由以下几个主要组成部分构成：1. 相频比较器（Phase/Frequency Detector，PFD）：将输入信号与反馈信号进行比较，产生差异信号。
2. 电压控制振荡器（Voltage-Controlled Oscillator，VCO）：根据差异信号调整输出信号的频率和相位。
3. 低通滤波器（Low-Pass Filter，LPF）：用于滤除VCO输出信号中的高频噪声。
4. 分频器（Divider）：将VCO输出信号进行频率分频。
PLL的工作原理如下：1.将输入信号与反馈信号经过PFD进行比较，得到差异信号。
差异信号表示输入信号与反馈信号之间的相位差和频率差。
2.差异信号经过低通滤波器进行滤波，得到一个DC信号，用于表示相位差和频率差。
3.DC信号经过增益放大后，作为控制信号输入到VCO中。
VCO输出的信号经过分频器进行频率分频，再与输入信号进行比较，形成反馈信号。
4.反馈信号经过低通滤波器进行滤波，形成新的输入信号，进一步调整VCO输出的相位和频率，使得输出信号与输入信号同步。
二、PLL的电路设计PLL的电路设计需要考虑以下几个方面：1.选择合适的PFD：根据输入信号的特点选择合适的PFD，常见的有异或门和锁相比较器等。
2.设计合适的滤波器：根据设计要求，设计合适的低通滤波器，用于滤除VCO输出信号中的高频噪声。
3.选择合适的VCO：根据设计要求选择合适的VCO，考虑信号频率范围、线性度、功耗等因素。
4.确定适当的分频比：根据设计要求确定适当的分频比，实现对输出信号频率的控制。
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。
pll锁相环
PLL 各部分原理与常用电路
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鉴相器 v v 鉴相器是一个相位比较装置，又称为相位比较器。它的输出误差电压 d(t)是 i(t) v 与 o(t) 的瞬时相位之差的函数。
心抽头困难,用电阻 R5～R10 加以精确的平衡鉴相器。
⊙ 电容 C1～C4 用来补偿电路电容。
b.高频鉴相器（这是微波锁相环采用的鉴相器） ⊙传输线变压器,使次级得到二个对称的
v1(t)信号电压.并且磁力线集中,初次
级之间分布电容可作为电路的基本元 件。 ⊙高频电容采用片电容,电力线集中,寄生 参数影响小。 ⊙电路简单,易调上下对称(对地而言)。 ⊙灵敏度高,工作频率高,可从 30MHz～400MHz。
B.实际环路滤波器
通常电容 C 取 1～10μF,电阻 R1 比 R2 大 10～100 倍。 ★★ RC 积分滤波器
电子技术论坛 电子发烧友 ⊙电路
⊙传递函数
⊙RC 积分型滤波器对于足够高的频率,φ 趋于 90°,其输出电压近 似与输
v 锁相同步检波器要求锁相环路以输入的标准调幅波 i 中，能输出准确跟踪载波分 v v 量的等幅波 0(t)而它们相位保持很小常数或零。将 0(t)相移 π/2 后作为同步检波的 v 参考信号 r(t)，从而即可实现对标准调幅波的解调，实现检波。
40 年代
电视技术得到迅速发展，电视接收机从行扫描振荡器输出中取出部分作反馈信号， 和从同步分离器来的同步信号经鉴相器进行相位比较，得到相位误差信号经积分器得到 控制信号，控制行扫描振荡器，实现同步扫描。
A.鉴相特性 a.表示鉴相器输出电压与两个比较信号相位之间的关系。 b.典型的鉴相特性有:
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反馈控制电路的类型不同，需要比较和调节的参量 就不同。
6.1
自动电平控制电路需要比较和调节的参量为电压
（电流），相应的 x i 和 x o 为电压（电流）。
自动频率控制电路，需要比较和调节的参量为频
率，则相应的 x i 和 x o 为频率。
自动相位控制电路需要比较和调节的参量为相位，
则相应的
x
i和x
分类
自动振幅（增益）控制电路ALC (AGC) 自动频率控制电路AFC 自控相位控制电路APC
6.1
各种反馈控制电路，就其作用原理而言，都可看 作自动调节系统，它由反馈控制电路和受控对象两部 分组成，如图6.1.1所示。
图中，x i 和 x o 分别为反馈控制电路的输入量和输出
量，它们之间的关系是根据使用要求予以设定的，设
6.1.1
简单AGC电路的优点是电路简单。主要缺点 是，一有外来信号，AGC立刻起作用，接收机的 增益就因受控制而减小。这对提高接收机的灵敏 度是不利的，尤其在外来信号很微弱时。
为了克服这个缺点，也就是希望外来信号大 于某值后，AGC才起作用，此时可采用延迟 AGC电路。
图6.1.6为具有延迟AGC的接收机电路框图。
图6.1.6 具有延迟AGC的接收机框图
图中单独设置了提供AGC电压的AGC检波器。其
延迟特性由加在AGC检波器上的参考电压
决定。
r
6.1.1
当检波器输入信号 i a 的幅度小于 r 时，AGC检波
不工作，AGC电压为零，A器GC不起控制作用。 当检波器输入信号
i a 的幅度大于 r 时，
才起A控G制C 作用。其控制特 性如图6.1.7所示。
fo fr f 的频率上，环路进入锁定状态。锁定状态的
f 称为稳态频率误差（剩余频率误差）。
6.1.2
6.1.3 自动相位控制电路（APC） (锁相环路——PLL)
图6.1.12为锁相环路的基本组成方框图。控制对
象为压控振荡器（VCO）；反馈控制器由检测相位差
的鉴相器（PD）和低通滤波器（LF）组成。
AGC电路具有的特性是：在没有控制电路时，接收
机的输出电压 o 随输入电压 i 的增大而增大（不考虑
外来信号过强时超出晶体管的线性工作范围）， 6.1.1
如图6.1.3中曲线①所示。具有AGC电路的接收机，
输出电压振幅 o 随输入电压 i 的增大而减小，如图6.1.3
曲线②所示。与 i 的这种关系曲线，称为简单AGC特曲
流、负载、电流分配比、恒流源电流、负反馈大小等； 2、插入可控衰减器来改变整个放大器的增益。 如晶体管放大器的增益取决于晶体管正向传输导纳
y f e ，而 y f e 又与晶体管工作点有关，所以，改变发射 极平均电流 I E 就可以使 y f e 随之改变，从而达到控制放 大器增益的目的。
6.1.1
图6.1.12 锁相环路的组成方框图
6.1.3
频率和相位之间存在着确定的关系。将输入信号电压
i ( t ) 和VCO电压 o ( t ) 分别用旋转矢量表示，如图6.1.13(a) 所示。矢量的转动角速度和相应的角位移就是所示电压
的角频率和相应的瞬时相位（ d dt）。
图6.1.13(b)所示为VCO角频率 o 等于输入信号角频率
当 f r fo 时，鉴频器就有误差电压 e 输出，这个误差 电压 e 正比于频率误差 fo f r ，经过低通滤波器滤除
干扰及噪声后，得到控制电压 c ，利用控制电压 c
控制压控振荡器的振荡频率，最终使压控振荡器的频率
f o 发生变化；变化的结果使频率误差 fo f r 减小到一定
值 f ，自动控制过程即停止，压控振荡器即稳定于
为 xo gxi
控制过程：若 xo gxi 受某种因素的影响而遭到
破坏，则反馈控制器就对x
o
和x
进行比较，检测出它们
i
与预定关系之间的偏离程度，并产生相应的误差量 x e ，
x e 加到被控制对象上对 x o 进行调节，使 x o 和 x i 之间接
近到预定的状态（关系），而进入稳定状态。
为相位。
o
6.1
6.1.1 自动电平控制电路（ALC）
自动电平控制电路的基本作用是减小因各种因素引起 系统输出信号电平的变化。例如，减小接收机因电磁 波传播衰落等引起输出信号强度的变化，稳定发射机 输出电平，并便于在一定范围内进行调整，可作为信 号发生器的稳幅机构或输出信号电平的调节机构等。
常见的自动电平控制电路用于调幅接收机时，称 为自动增益控制（Automatic Gain Control）电 路，简称为AGC电路。
线。
图6.1.3 简单的AGC特性
6.1.1
图4.4.10是晶体管收音机中的简单AGC电路。调节可
变电阻 R 2 ，可以使低通滤波器的截止频率低于解调后
音频信号的最低频率，避免出现反调制。
图4.4.10 收音机中的实际二极管检波电路
6.1.1
控制放大器增益的方法主要有两种： 1、通过改变放大器本身的某些参数，如发射极电
i 。环路锁定时，两个旋转矢量之间的瞬时相位差便保
持恒值（ o ）。
6.1.3
图6.1.13 用旋转矢量说明PLL的相位（频率）控制过程
பைடு நூலகம்6.1.3
6.1.1
6.1.2 自动频率控制电路（AFC）
自动频率控制电路的控制对象是信号的频率。 AFC电路的主要作用是自动控制振荡器的振荡频率。 图6.1.9是自动频率控制电路的原理方框图。
图6.1.9 自动频率控制电路原理框图
6.1.2
该框图的自动频率调整过程是：压控振荡器的频率
f o 与标称频率 f r 在鉴频器中进行比较。当f r f o时，鉴 频器无输出，控制电压 c 0 ，压控振荡器振荡频率不变；
6.1.1
所谓的正向AGC，是
指当输入信号增强时，若
使增益减小，I E 应该增大，
所以 I E 的变化方向与输入
信号的变化方向相同。
图6.1.4 晶体管 y fe I E 特性曲线
AGC控制电压既可以从发射极送入，也可以从基极 送入，如图6.1.5所示。
图6.1.5 改变 I E 的增益控制电路
6.1.1
自动增益控制电路的作用是，当输入信号电压在很 大范围变化时，保持接收机输出电压几乎不变。
具有自动增益控制电路的超外差式接收机方框图如 图6.1.2所示。
图6.1.2 具有自动增益控制电路的超外差式接收机方框图
6.1.1
由检波器输出的低频电压，经低放和低功放到扬声 器，另一路经RC低通滤波器后，获得直流电流（或电压） 分量，以控制高放、变频和中放级增益。由于控制晶体 管放大器的增益，一般是需要功率的，如果检波器输出 功率不够，还可以在低通滤波器后加一直流放大器。
第六章 反馈控制电路 与频率合成技术
本章重点： 相位反馈控制电路的（锁相环）的电路组成，基本
工作原理，基本环路方程，集成锁相环的应用。
本章难点： 锁相环路的相位反馈控制过程，捕捉过程的定性讨
论。
6.1 反馈控制电路概述
各种通信和电子系统中，为了提高其性能指标， 或实现某些特殊的指标要求，广泛采用各类反馈控 制电路。
图6.1.4是晶体管 y fe I E 特性曲线，其中实线是普通 晶体管特性，虚线是AGC管特性。
简单AGC有 正向AGC和反向 AGC之分：
图6.1.4 晶体管 y fe I E 特性曲线
所谓反向AGC，是指当输入信号增强时，希望增益
减小，即 y f e 减小，则 I E 应该减小，所以I E 的变化方向与 输入 I E 信号的变化方向相反。