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。锁相环由失锁到锁定的过程，人们称为捕捉过程。系统能捕捉的最大频率范围或最大固有频带称为捕捉带或捕捉范围。

当锁相环路锁定后，由于某些原因引起输入信号或压控振荡器频率发生变化，环路可以通过自身的反馈迅速进行调节。结果是VCO 的输出频率、相位又被锁定在基准信号参数上，从而又维持了环路的锁定。这个过程人们称为环路的跟踪过程。系统能保持跟踪的最大频率范围或最大固有频带称为同步带或同步范围，或称锁定范围。

捕捉过程与跟踪过程是锁相环路的两种不同的自动调节过程。

由此可见，自动频率控制（AFC ）电路，在锁定状态下，存在着固定频差。而锁相环路控制（PLL ）电路，在锁定状态下，则存在着固定相位差。虽然锁相环存在着相位差，但它和基准信号之间不存在频差，即输出频率等于输入频率．这也表明，通过锁相环来进行频率控制，可以实现无误差的频率跟踪．其效果远远优于自动频率控制电路．

3．锁相环路的基本部件

1）鉴相器（PD —Phase Detector ）

鉴相器是锁相环路中的一个关键单元电路，它负责将两路输入信号进行相位比较，将比较结果从输出端送出。

鉴相器的电路类型很多，最常用的有以下三种电路．

（1）模拟乘法器鉴相器，这种鉴相器常常用于鉴相器的两路输入信号均为正弦波的锁相环电路中。

（2）异或门鉴相器，这种鉴相器适合两路输入信号均为方波信号的锁相环电路中，所以异或门鉴相器常常应用于数字电路锁相环路中。

（3）边沿触发型数字鉴相器，这种鉴相器也属于数字电路型鉴相器，对输入信号要求不严，可以是方波，也可以是矩形脉冲波．这种电路常用于高频数字锁相环路中。

图2 是异或门鉴相器的鉴相波形与鉴相特性曲线。

图2 异或门鉴相器的鉴相波形与鉴相特性曲线

a) 异或门鉴相器 b) 鉴相器输出波形 C) 鉴相特性

2）环路滤波器（LF-Loop Filter ）

鉴相器输出的电压信号是交流电压，它并不能直接控制压控振荡（VCO ）电路，鉴相器输出的电压信号必须经过环路滤波器平滑滤波后，才能用于控制VCO 电路。

环路滤波器从实质上讲也是低通滤波，其作用主要是滤除鉴相器输出误差电压中的高频及干扰成分，得到控制电压d U ，因为控制电压d U 是决定VCO 工作频率的电压，因此它的

变化对锁相环路的性能参数有很大的影响关系。

图3是目前比较常用的三种环路滤波器电路。从图中可以看出，三种电路的复杂程度不一样。第一种简单的滤波器所用元件最少，电路也最简单。有源比例积分滤波器，使用元件最多，电路也比较复杂。

图3 环路滤波器

a)简单RC 滤波器 b)RC 比例积分滤波器 c) 有源比例积分滤波器

但从滤波效果的角度来衡量，有源比例积分滤波器的滤波效果最好，简单R C 滤波器滤波效果最差，RC 比例积分滤波器的滤波效果介于二者之间。设计电路时，可以根据锁相环路的要求选择不同的环路滤波器。

3）压控振荡器（VCO-Voltage Controlled Oscillator ）

压控振荡器（VCO ）是锁相环（PLL ）的被控对象。压控振荡器是一个电压—频率变换装置，在环路中作为频率可调振荡器，其振荡频率应随输入控制电压线性地变化。它输出的信号根据锁相环的不同要求，可分为正弦波压控振荡器与非正弦波压控振荡器两大类．

正弦波压控振荡器一般由LC点式振荡器与变容二极管组成．它的工作原理与计算公式和电容三点式正弦波振荡器完全一样。由于正弦波VCO受到变容二极管结电容变化范围的限制，因此一般振荡频率变化范围都不是太大。

非正弦波压控振荡器的种类较多，由于它的频率变化范围大，控制线性好，所以应用比较广泛。

这类压控振荡器常见的几种电路有射极定时压控多谐振荡器、积分型施密特压控振荡器、数字门电路压控振荡器。

图4是两种方波压控振荡器电路。

图4两种方波压控振荡器电路

a) 积分施密特VCO电路 b) CMOS门电路VCO电路

二、锁相环路的基本特性

1．良好的载波跟踪特性。无论输入锁相环的信号是已调制或未调制的，只要信号中包含有载波成分，就可将环路设计成一个窄带跟踪滤波器，跟踪输入信号载波成分的频率与相位变化，环路输出信号就是需要提取的载波信号。载波跟踪特性包含窄带、跟踪和弱输入载波信号的放大三重含意。

2．调制跟踪特性。当环路具有适当宽度的低频通带时，压控振荡器输出信号的频率与相位就能跟踪输入调频或调相信号的频率与相位的变化。

3．窄带滤波特性。锁相环路通过环路滤波器的作用，具有窄带滤波器特性，当压控振荡器的输出频率锁定在输入参考频率上时，位于信号频率附近的干扰成分将以低频干扰的形式进入环路，绝大部分的干扰会受到环路滤波器低通特性的抑制，从而将混进输入信号中的噪声和杂散干扰滤除掉。在设计较好时，这个通带能做得极窄，例如在几十兆赫的频率范围内，实现几十赫甚至几赫的窄带滤波。这种窄带滤波特性是任何L C、R C及石英晶体等滤波器均难以达到的。

4．低门限特性。锁相环路也是一个非线性器件，用作鉴频器时同样存在门限效应，但锁相环路的门限并不取决于输入信噪比而取决于环路信噪比，由于环路的窄带特性，环路信噪比明显高于输入信噪比，环路能在低输入信噪比条件下工作，即具有低门限的优良特性。

5．锁定状态无剩余频差，易于集成化等。

三、集成锁相环74HC4046

单片锁相环集成电路74HC4046是一种高速CMOS混合电路，含有锁相环路全部功能的单片集成锁相环电路，其最高工作频率可达18MHz。它的内部功能框图及标准应用电路，如图5所示。

从图5中74HC4046的外接元件可以看出，集成锁相环只需外接极少的元件，即可组成一个完整的锁相电路。

以图5的电路为基准，根据各种用途对电路的不同要求，在锁相环电路中若配不同的应用电路，即可组成各种类型的应用电路。例如，在74HC4046的3脚、4脚之间插人N分频电路，就可以组成频率合成器电路。

图5 74HC4046内部功能框图及标准应用电路

四、锁相环路的应用

1．在空间技术中的应用——窄带跟踪接收机（锁相接收机）

锁相接收机是一种具有窄带跟踪性能的接收机。主要用于空间技术中的测速与测距，来确定飞行器的运行轨道。由于飞行器发射功率小，通信距离远，所以收到的信号极其微弱。另外，考虑到信号有多普勒频移以及振荡器产生的频率漂移，接收机的中频通带又必须足够宽，这样，接收机解调器前的信噪功率比必然相当低，一般在-10～-30dB左右。采用窄带锁相跟踪接收机由于它的带宽很窄，又能跟踪信号，因此，能大大提高接收机的信噪比。—般说来，可比普通接收机信噪比提高30～40dB，这一优点是很重要的。

图6是锁相接收机的简化框图。其工作过程如下：

图6 锁相接收机的简化框图

混频器输入信号电压为1()u t ，它是调频高频信号，中心频率为1ω，，它与外差本振信

号2()u t 相混频，2()u t 频率为2ω，它是由压控振荡器频率2/M ω经M 次倍频后得到的。混

频后输出的中频信号3()u t ，其中频频率为3ω,312ωωω=-，经中频放大器放大后在鉴相

器内与下一个频率稳定的本地标准中频参考信号4()u t 进行相位比较，4()u t 的频率为4ω。如果两者的频率有偏差，鉴相器的输出电压()d u t 经环路滤波器滤波后就去调整压控振荡器

的振荡频率，使混频器的输出频率被锁定在本地标准中频上，即34ωω=。由图可见，接收

机的中频放大器设置在环路内部，依靠环路的跟踪作用，中频信号的频率将保持在调谐回路的中心。这样，中频放大器的通频带可以做得很窄（例如3～300Hz ），只需覆盖调频信号在载波频率固定情况下的占据频宽就够了。在载频因多普勒频移等原因产生较大漂移的情况下，由于窄带跟踪环路的作用，将使载频有漂移的已调信号频谱，经混频后仍能准确地落在中频通频带的中央，这就实现了窄带跟踪。在实际空间通信中，飞行器实际的多普勒频移产生的频率变化要比调频信号本身占据的频宽大得多，因而必须采用锁相环构成的窄带跟踪滤波器，才能使这种空间通信有满意的结果，这种窄带跟踪接收机的灵敏度很高，接收微弱信号的能力很强。

2．在调制解调技术中的应用

（1）锁相调频电路

应用图7所示的锁相环路调频器电路，可以获得载波频率稳定度很高的调频信号。实现PLL 调频的条件是，调制信号的频谱要处于环路低通滤波器通带之外，并且调制指数不能太大。这样，锁相环路实际上是载波跟踪环，调制信号不能通过低通滤波器，也就不能参与环路的交流反馈，因而调制信号对锁相环路没有影响，压控振荡器的中心频率被锁定在晶体振荡频率上。同时，调制信号加在压控振荡器上，对其中心频率进行调制，因此，输出调频信号的中心频率稳定度与晶振频稳度有相同的数量级，而调频灵敏度则与VCO 的电压控制灵敏度相同，克服了直接调频中心频率稳定度不高的缺点。这种电路的缺点是调制频偏（或相偏）较小。为了保证调制器具有优良的低频调制特性，可用锁相环路构成一种所谓两点调制的宽带FM 调制器，这种调制器在很宽的调制频率范围内，频偏正比于调制信号。

图7 锁相环路调频器电路

（2） 锁相环路鉴频器

图8为锁相环路鉴频器原理框图。调频信号由鉴相器输入，如果环路滤波器的带

宽设计得足够宽，使鉴相器的输出电压能顺利通过，则压控振荡器在环路滤波器输出电压的控制下，其输出信号频率将跟踪输入调频信号频率的变化，也就是VCO的输出是一个与输入调频信号具有相同调制规律的调频波，而环路滤波器的输出电压则正好就是调频信号解调出的调制信号电压。锁相环路鉴频器的优点是它的门限电平比普通鉴频器低。调制指数越高，门限改善的分贝数也越大。

图8锁相环路鉴频器原理框图

（3）调幅信号的同步检波电路

边带的调幅信号要进行同步检波，必须先从己调信号中恢复出与载波信号同频同相的本地载波信号，用载波跟踪型锁相环就能获得本地载波信号。图9为锁相同步检波电路原理框

π相移，因此，必图。由于压控振荡器输出信号与输入调幅波的载频分量之间有固定的/2

π移相器变成与已调波中载波分量同相的信号，此信号即为本地载波信号，与已须经过/2

调波信号共同加到同步检波器上，才能获得解调信号。

图9锁相同步检波电路

以上是用PLL实现模拟信号的调制与解调，同样可以用PLL实现数字调频、调相信号的调制与解调，最常见的是移频键控（FSK）及移相键控信号的调制与解调。

3．在稳频技术中的应用

利用锁相环路的频率跟踪特性，可实现分频、倍频、混频等频谱变换功能，并从而构成频率综合器与标准频率源。

（1）锁相倍频电路

在窄带锁相环路压控振荡器输出到鉴相器的反馈支路中插入一个分频器就得到一个锁相倍频器，如图10所示。

图10 锁相倍频电路框图

根据锁相原理，当环路输入信号锁定后，鉴相器的两个相位进行比较的输入信号的频率应该相等，即

/i o N ωω= o i N ωω=

这样就完成了锁相倍频的任务，倍频次数等于分频器的分频次数。若采用具有高分频次数的可变数字分频器，则锁相倍频电路可做成高倍频次数的可变倍频器。锁相倍频的优点是频谱纯度很纯，且倍频次数可做得很高。

（2）锁相分频电路

如果在基本锁相环路的反馈通道中插入倍频器，就可组成基本的锁相分频电路，如图11所示。

图11 锁相分频电路框图

当环路锁定时，鉴相器输入信号角频率i ω与压控振荡器经倍频后反馈至鉴相器的信号

角频率o N ω应相等，即

/o i N ωω=

（3）锁相混频电路

锁相混频电路的框图如图12所示。在反馈通道中插入混频器和中频放大器。混频器加入本振信号()L u t ，其频率为L f ，因此混频器输出信号的频率为o L f f -，经中频放大器放大后加至鉴相器上。当环路锁定时，r o L f f f =-，即o L r f f f =±，这样环路就实现了混

频作用。至于o f 是L r f f +还是取L r f f -，在环路滤波器带宽足够窄时，取决于VCO 输出

频率o f 是高于还是低于L f ，当o f 高于L f 时，取o L r f f f =+；低于L f 时，取o L r f f f =-。

图12 锁相混频电路的框图

(4）频率合成器（频率综合器）

指能对频率进行加、减、乘、除运算，将一个或几个标准频率变成一系列标准频率信号的设备或装置为频率合成器。频率合成的方法有以下三种：

第一种为直接频率合成法，它是利用混频器、倍频器、分频器及滤波器等来完成频率的加、减、乘、除四种运算。直接式频率合成器的优点是频率变换速度快、相位噪声小，但它的杂波大、硬件设备复杂、体积大、造价高。日前己很少采用。

第二种为锁相式频率合成法，是利用一个或几个锁相环来完成频率变换任务，其特点是体积小，性能好、价格低廉、已获得广泛应用。

第三种为直接数字式频率合成法（DDS），它利用计算机查阅表格上所存储的正弦波的取样值，再通过数模变换来产生模拟正弦信号，改变查表速度就可以变换频率。这种方法实际上是通过对相位的运算进行频率合成的。也可以用计算机求解数字递推关系式等方法来产生正弦信号。除正弦信号外，也能产生其他各种波形的信号。这种方法也称为波形合成法。其优点是体积小、功耗低、性能优良，己超过传统的频率合成技术，这种方法随着计算机技术的不断发展，正获得十分广泛的应用。这里仅简单介绍锁相频率合成器的原理框图。图 13示出单环数字频率合成器的原理框图。

图13 锁相混频电路的组成框图

图中可见在基本锁相环路的反馈支路中，接入具有高分频比的可变分频器，分频比为N 控制可变分频器的分频比就可得到若干个标准频率输出。为了得到所需的频率间隔，往往在电路中还加一个前置分频器。频率合成器的电路构成和锁相倍频电路是一样的，仅仅分频器采用可变分频器。

其工作原理如下：环路输入来源于高稳定晶体振荡器，当输入参考信号的频率为

f

r 时，环路在锁定后将没有频差，输入频率等于反馈频率，环路输出频率为

o r f N f

可见，只要改变分频比N ，就可以改变输出频率。同时，当改变合成器输出频率的间隔，即

为改进单环频率合成器的性能，可以在环路中可变分频器前加入固定分频比的前置分频器，或在反馈支路中加入混频器。

电路设计与验证

1.调频

调频是用调制信号直接线性地改变载波振荡的瞬时频率，即使载波振荡频率随调制信号的失真变化而变化。其逆过程为频率解调（也称频率检波或鉴频）。

图14 锁相环调频电路原理框图

将调制信号加到压控振荡器（VCO ）的控制端，使压控振荡器的输出频率（在自振频率(中心频率)f0上下）随调制信号的变化而变化，于是生成了调频波。

当载波频率与自由振荡频率相近时，载波频率与压控振荡器的振荡频率锁定。低通滤波器只保证压控振荡中心振荡频率与载波频率锁定时所产生的相位误差电压通过，该电压与调制信号同经加法器，用以控制压控振荡器的频率，从而获得与载波频率具有同样频率稳定度的调频波。

2．鉴频

图14 锁相环解调电路原理框图

调频波（经过放大器放大后）与压控振荡器的输出被送入鉴相器，经鉴相获得变化着的相位误差电压，该误差电压通过低通滤波器被滤掉其高频成份，继而获得随调制信号频率变化而变化的信号，经跟随器得到解调信号，从而实现了解调（鉴频）过程。

图4 锁相环（4046）典型电路图

＋＿＿相位比较器(鉴相器)；VCO ＿＿压控振荡器；C1,R1、R2 ＿＿决定自振频率；

R3、C2 ＿＿低通滤波器；14脚＿＿高频输入端，要求输入方波信号；4脚＿＿VCO输出端

。

IN1端输入幅值为3.5VP-P、频率与自振频率相同方波信号（定义为载波）。

IN2端输入幅值为0.4VP-P、频率lKHz的正弦波（定义为调制波）。

用双踪示波器仔细观测OUT1和IN2，为了可清楚地观看到调频波的疏密变化，可微调调制信号的频率。

图1 频率合成电路结构框图

1. 锁相式数字频率合成电路的组成及工作原理

图中结构可由CD4046及外围电路组成，其中相位比较器和压控振荡器功能电路由CD4046完成。1／N分频电路是由三组可预置分频电路完成，各组均由CD4522可编程二进制4位1／N计数器组成，每组分频可用“接入+5V的方法”以8421码的形式对计数器进行预置，也可用单片机编程去控制，分频比的选择范围为1～999（针对三组分频电路而言），总共可预置999个频率点，它是构成锁相式数字频率合成器的重要单元电路，即可编程分频电路。

按所需分频比，先预置各位（即个位、十位和百位）的数据，然后输入频率为fi的方波信号Ui到CD4046的相位比较器SIGNin端(14脚)，压控振荡器产生频率为f0的输出信号U0，经可编程分频电路分频，得到频率为ff的方波信号Uf，送至CD4046的相位比较器COMPin(3脚)。两个信号经CD4046相位比较器的比较，锁相环锁定时可得到：

f i＝f f已知：f i＝f0/N

则：f0＝Nfi

因此，当fi保持不变，改变可编程分频电路的分频比N，压控振荡器（VCO）的输出频率f0 (也就是频率合成器的输出频率)就会相应改变。由此可知，只要输入任意固定信号频率fi(在一定的频率范围内)，就可得到所需要的频率，其频率间隔为fi，选择不同的fi，就可获得不同的fi频率间隔。

例如：设fi=2KHz N=64

则: f0=N×fi=64×2KHz=128KHz。

其中：C1=27P、C2=100P、C3=510P、C4=1000P,R1=51K、R2=100K、R3=510K、R4=1M、R5=10K。

晶体管混频电路

混频电路的功能是将载波为fs(非固定频率)的调幅波不失真地变换为另一载波fi (固定中频频率)的调幅波，而保持原调制信号不变。如我们用到的调幅接收机，就是利用混频电路将频率为535～1605KHz的调幅波段中的任一点频经混频后（鉴出其差频）变换为中频频率为465KHz的固定中频频率的调幅波。混频电路在中短波接收机和测量仪器中曾被广泛的应用。

混频电路的原理框图见图1所示。

图1 混频电路原理框图

混频电路常用的非线性器件有二极管、三极管、场效应管和乘法器。本振用于产生一个等幅的高频信号uo，并与输入信号us经混频电路混频，产生的差频信号经窄带通滤波器鉴出。目前一般接收机(例如广播收音机)，多采用三极管混频电路，本实验采用的就是晶体管混频电路。

图2 晶体管混频电路原理图

、

fS=635KHz、fo=1100KHz、fi=465KHz

电路的特点是输入信号与本振信号分别从基极和发射极注入，相互干扰产生的牵引现象可能性小，输入阻抗小，不易过激励，输出波形好，失真小。

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围。 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。锁相环由失锁到锁定的过程，人们称为捕捉过程。系统能捕捉的最大频率围或最大固有频带称为捕捉带或捕捉围。 当锁相环路锁定后，由于某些原因引起输入信号或压控振荡器频率发生变化，环路可以通过自身的反馈迅速进行调节。结果是VCO 的输出频率、相位又被锁定在基准信号参数上，从而又维持了环路的锁定。这个过程人们称为环路的跟踪过程。系统能保持跟踪的最大频率围或最大固有频带称为同步带或同步围，或称锁定围。 捕捉过程与跟踪过程是锁相环路的两种不同的自动调节过程。 由此可见，自动频率控制（AFC ）电路，在锁定状态下，存在着固定频差。而锁相环路控制（PLL ）电路，在锁定状态下，则存在着固定相位差。虽然锁相环存在着相位差，但它和基准信号之间不存在频差，即输出频率等于输入频率．这也表明，通过锁相环来进行频率控制，可以实现无误差的频率跟踪．其效果远远优于自动频率控制电路． 3．锁相环路的基本部件 1）鉴相器（PD —Phase Detector ） 鉴相器是锁相环路中的一个关键单元电路，它负责将两路输入信号进行相位比较，将比较结果从输出端送出。 鉴相器的电路类型很多，最常用的有以下三种电路． （1）模拟乘法器鉴相器，这种鉴相器常常用于鉴相器的两路输入信号均为正弦波的锁相环电路中。 （2）异或门鉴相器，这种鉴相器适合两路输入信号均为方波信号的锁相环电路中，所以异或门鉴相器常常应用于数字电路锁相环路中。 （3）边沿触发型数字鉴相器，这种鉴相器也属于数字电路型鉴相器，对输入信号要求不严，可以是方波，也可以是矩形脉冲波．这种电路常用于高频数字锁相环路中。 图2 是异或门鉴相器的鉴相波形与鉴相特性曲线。

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。 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( 3 i t+ 0 i) 环路输出信号V o= V om Sin( 3 o t+ 0 o) 其中 3 o = 3 r +△ 3 o 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 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

ejt 戶心(tAejt)谋差相檯 PLL 原理 从捕捉过程一锁定 A.捕捉过程(是失锁的) 0 i — 0 i 均是随时间变化的，经相位比较产生误差相位 0 e = 0 i - 0 o ,也是变化的。 b. 0 e (t)由鉴相器产生误差电压 V d (t)= f ( 0 e )完成相位误差一电压的变换作用。 V d (t)为交流电压。 C. V d (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△ 3 0,使3 0随3i 变化。 B.锁定(即相位稳定) 即 3 0= 3 r + △ 3 Omax 。 3 r 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) a. 一旦锁定0 e (t)= 0 e -(很小常数) V d (t)= V d (直流电压) b. 3 0= 3 i 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△ 3 Omax

锁相环的基本原理和模型

1.锁相环的基本原理和模型 在并网逆变器系统中，控制器的信号需要与电网电压的信号同步，锁相环通过检测电网电压相位与输出信号相位之差，并形成反馈控制系统来消除误差，达到跟踪电网电压相位和频率的目的。一个基本的锁相环结构如图1-1所示，主要包括鉴相器，环路滤波器，压控振荡器三个部分。 图1-1 基本锁相环结构 鉴相器的主要功能是实现锁相环输出与输入的相位差检测；环路滤波器的主要作用应该是建立输入与输出的动态响应特性，滤波作用是其次；压控振荡器所产生的所需要频率和相位信息。 PLL 的每个部分都是非线性的，但是这样不便于分析设计。因此可以用近似的线性特性来表示PLL 的控制模型。 鉴相器传递函数为：)(Xo Xi Kd Vd -= 压控振荡器可以等效为一个积分环节，因此其传递函数为：S Ko 由于可以采用各种类型不同的滤波器（下文将会讲述），这里仅用)(s F 来表示滤波器的传递函数。 综合以上各个传递函数，我们可以得到，PLL 的开环传递函数，闭环传递函数和误差传递函数分别如下： S s F K K s G d o op )()(=，)()()(s F K K S s F K K s G d o d o cl +=，) ()(s F K K S S s H d o += 上述基本的传递函数就是PLL 设计和分析的基础。 2.鉴相器的实现方法 鉴相器的目的是要尽可能的得到准确的相位误差信息。可以使用线电压的过零检测实现，但是由于在电压畸变的情况下，相位信息可能受到严重影响，因此需要进行额外的信号处理，同时要检测出相位信息，至少需要一个周波的时间，动态响应性能可能受到影响。 一般也可以使用乘法鉴相器。通过将压控振荡器的输出与输入相乘，并经过一定的处理得到相位误差信息。 在实际的并网逆变器应用中还可以在在同步旋转坐标系下进行设计，其基本的目的也是要得的相差的数值。同步旋转坐标系下的控制框图和上图类似，在实际使用中，由于pq 理论在电网电压不平衡或者发生畸变使得性能较差，因而较多的使用dq 变换，将采样得到的三相交流电压信号进行变化后与给定的直流参考电压进行比较。上述两种方法都使用了近似，利用在小角度时正弦函数值约等于其角度，因而会带来误差，这个误差是人为近似导致的误差，与我们要得到的相位误差不是一个概念，最终的我们得到相位误差是要形成压控振荡器的输入信号，在次激励下获得我们所需要的频率和相位信息。 2.1乘法鉴相器

全数字锁相环原理及应用

全数字锁相环原理及应用 2011年11月18日 摘要：锁相环是一种相位负反馈系统，它能够有效跟踪输入信号的相位。随着数字集成电路的发展，全数字锁相环也得到了飞速的发展。由于锁相精度和锁定时间这组矛盾的存在使得传统的全数字锁相环很难在保证锁定时间的情况下保证锁定精度。鉴于此，本文对一些新结构的全数字锁相环展开研究，并用VHDL语言编程，利用FPGA仿真。 为解决软件无线电应用扩展到射频，即射频模块软件可配置的问题和CMOS工艺中由于电压裕度低、数字开关噪声大等因素,将射频和数字电路集成在一个系统中设计难度大的问题，本文尝试提出数字射频的新思路。全数字锁相环是数字射频中最重要的模块之一，它不仅是发射机实现软件可配置通用调制器的基础，还是为接收机提供宽调频范围本振信号的基础。本文针对数字射频中的数字锁相环的系统特性以及其各重要模块进行了研究。 关键词：全数字锁相环；锁定时间；锁定精度；PID控制；自动变模控制；数控振荡器；时间数字转换器；数字环路滤波器；FPGA； Principle and Application of all-digital phase-locked loop Abstract: Phase-Locked Loop is a negative feedback system that can effectively track the input signal’s phase. With the development of digital integrated circuits, all-digital phase-locked loop has also been rapidly developed. Because of the contradiction between the existence of phase-locked precision and phase-locked time, it makes the traditional all-digital phase-locked loop difficult to ensure the lock time meanwhile as well as phase-locked precision. So some new structures of all-digital phase-locked loop are analyzed in this paper and programmed in VHDL language with simulation under FPGA. In order to extend the application from radio to RF, which including RF modules software configurable problems and the difficulty to integrate RF and digital circuit in one system due to some factors contain the low voltage and large noise of the digital switches etc. This paper will try to put out a new thought for digital RF. All-digital phase-locked loop is one of the most important modules in digital RF. It is not only the foundation of transmitter which can be realized by software configurable general modulator, but also the foundation of receiver which can be provided wide range of local vibration signal. This paper particularly makes a study of the system character of tall-digital phase-locked loop and its vital modules. Keywords: ADPLL; Locked time; Locked precision; PID control; Auto modulus control; DCO;TDC; Digital Loop Filter; 1. 引言 锁相环路是一种反馈控制电路,锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop，简称PLL。目前锁相环在通信、信号处理、调制解调、时钟同步、频率综合和自动化控制等领域应用极为广泛，已经成为各种电子设备中不可缺少的基本部件。随着电子技术向数字化方向发展，需要采用数字方式实现信号的锁相处理。因此，对全数字锁相环的研究和应用得到了越来越多的关注。虽然锁相环(PLL)技术已经有了半个多世纪的发展，但是其应用领域也在不断扩大，随着高新科技的发展，使得它的性能需要不断地改进和提高，因此，锁相环的设计与分析也成立集成电路设计者的热点。设计者们也不断提出了新的锁相环结构[1-3]，以适应不同场合的需求。

完整版锁相环工作原理.doc

基本组成和锁相环电路 1、频率合成器电路 频率合成器组成： 频率合成器电路为本机收发电路的频率源，产生接收第一本机信号源和发射电路的发射 信号源，发射信号源主要由锁相环和VCO 电路直接产生。如图3-4 所示。 在现在的移动通信终端中，用于射频前端上下变频的本振源（LO ），在射频电路中起着非常 重要的作用。本振源通常是由锁相环电路（Phase-Locked Loop ）来实现。 2.锁相环： 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 3.锁相环基本原理： 锁相环包含三个主要的部分:⑴鉴相器(或相位比较器,记为PD 或 PC):是完成相位比较的单元, 用来比较输入信号和基准信号的之间的相位.它的输出电压正比于两个输入信号之相位差.⑵低通滤波器(LPF): 是个线性电路,其作用是滤除鉴相器输出电压中的高频分量,起平滑滤波的 作用 .通常由电阻、电容或电感等组成，有时也包含运算放大器。⑶压控振荡器（VCO ）：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。 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。 锁相环电路是一种相位负反馈系统。一个完整的锁相环电路是由晶振、鉴相器、R 分频器、N 分频器、压控振荡器（VCO ）、低通滤波器（LFP）构成，并留有数据控制接口。 锁相环电路的工作原理是：在控制接口对R 分频器和N 分频器完成参数配置后。晶振产生 的参考频率（ Fref）经 R 分频后输入到鉴相器，同时VCO 的输出频率（ Fout）也经 N 分频后输入到鉴相器，鉴相器对这两个信号进行相位比较，将比较的相位差以电压或电流的方式 输出，并通过 LFP 滤波，加到 VCO 的调制端，从而控制 VCO 的输出频率，使鉴相器两输入端的 输入频率相等。 锁相环电路的计算公式见公式: Fout=(N/R)Fref 由公式可见，只要合理设置数值N 和 R，就可以通过锁相环电路产生所需要的高频信号。 4.锁相环芯片 锁相环的基准频率为13MHz ，通过内部固定数字频率分频器生成5KHz 或 6.25KHz 的参考频率。 VCO 振荡频率通过IC1 内部的可编程分频器分频后，与基准频率进行相位比较，产 生误差控制信号，去控制VCO，改变VCO的振荡频率，从而使VCO输出的频率满足要求。如图 3-5 所示。 N=F VCO /F R N：分频次数 F VCO： VCO 振荡频率

锁相环原理及锁相环原理图

问题: 什么是锁相环（PLL）？锁相环的工作原理是什么？锁相环电路对硬件电路连接有什么要求？ 解答: 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。关于更多的不同仪器的锁相环技术，请点击下面相关的连接。 锁相环原理及锁相环原理图 1．锁相环的基本组成 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 （t）电压信号输出，该信号经低通滤位差，并将检测出的相位差信号转换成u D 波器滤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 C 控制。 2．锁相环的工作原理 （8-4-1） （8-4-2）

锁相环CD4046 原理及应用

锁相环 CD4046 原理及应用 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。锁相环主要由相位比较器（PC）、压控振荡器（VCO）、低通滤波器三部分组成，如图1所示。 图1 压控振荡器的输出Uo接至相位比较器的一个输入端，其输出频率的高低由低通滤波器上建立起来的平均电压Ud大小决定。施加于相位比较器另一个输入端的外部输入信号Ui与来自压控振荡器的输出信号Uo相比较，比较结果产生的误差输出电压UΨ正比于Ui和Uo两个信号的相位差，经过低通滤波器滤除高频分量后，得到一个平均值电压Ud。这个平均值电压Ud朝着减小CO输出频率和输入频率之差的方向变化，直至VCO输出频率和输入信号频率获得一致。这时两个信号的频率相同，两相位差保持恒定（即同步）称作相位锁定。 当锁相环入锁时，它还具有“捕捉”信号的能力，VCO可在某一范围内自动跟踪输入信号的变化，如果输入信号频率在锁相环的捕捉范围内发生变化，锁相环能捕捉到输人信号频率，并强迫VCO锁定在这个频率上。锁相环应用非常灵活，如果输入信号频率f1不等于VCO输出信号频率f2，而要求两者保持一定的关系，例如比例关系或差值关系，则可以在外部加入一个运算器，以满足不同工作的需要。过去的锁相环多采用分立元件和模拟电路构成，现在常使用集成电路的锁相环，CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为3V－18V），输入阻抗高(约100MΩ)，动态功耗小，在中心频率f0为10kHz下功耗仅为600μW，属微功耗器件。图2是CD4046的引脚排列，采用 16 脚双列直插式，各引脚功能如下： 图2?1脚相位输出端，环路人锁时为高电平，环路失锁时为低电平。 ?2脚相位比较器Ⅰ的输出端。 ?3脚比较信号输入端。 ?4脚压控振荡器输出端。 ?5脚禁止端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作。 ?6、7脚外接振荡电容。 ?8、16脚电源的负端和正端。 ?9脚压控振荡器的控制端。 ?10脚解调输出端，用于FM解调。 ?11、12脚外接振荡电阻。

PLL 锁相环原理

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。

锁相环基本原理

锁相环基本原理 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， Ud = Kd (θi –θo) U F = Ud F （s ） θi θo 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。 异或门的逻辑真值表示于表1，图2是逻辑符号图。 表1图2 从表1可知，如果输入端A 和B 分别送 2π 入占空比为50%的信号波形，则当两者 存在相位差?θ时，输出端F 的波形的 占空比与?θ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?θ有关，这样，我 们就可以利用异或门来进行相位到电压 ?θ 的转换，构成相位检出电路。于是经积 图3 分器积分后的平均值（直流分量）为： U U=Vdd*?θ/π (1) Vcc 不同的?θ，有不同的直流分量Vd 。 ?θ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 1/2Vcc 系： Ud = Kd *?θ (2) 1/2ππ?θ Kd 为鉴相灵敏度图4 F O o U K dt d =θV PD LPF VCO Ui Uo V A B F __F = A B + A B F B A

2． 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U F （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U F （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 + K 0U F （t ） 式中，K 0——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。 三． 环路滤波器 这里仅讨论无源比例积分滤波器如图5。 其传递函数为： 1 )(1 )()()(212+++== τττs s s U s U s K i O F 式中：τ1 =R1C τ2 = R2 C 图5 四． 锁相环的相位模型及传输函数 图6 图6为锁相环的相位模型。要注意一点，锁相环是一个相位反馈系统，在环路中流通的是相位，而不是电压。因此研究锁相环的相位模型就可得环路的完整性能。 由图6可知： R1 0640 V Kd KF(s)Ko/s i o e A -+

锁相环工作原理

图2：加入锁相环后的图形 图1：未加入锁相环时的图形 锁相环最基本的结构如图6.1所示。它由三个基本的部件组成：鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF 振荡器（VCO）。 鉴相器是个相位比较装置。它把输入 信号S (t)和压控振荡器的输出信号 i Array (t)的相位进行比较，产生对应于两 S o 个信号相位差的误差电压S (t)。 e 环路滤波器的作用是滤除误差电压 (t)中的高频成分和噪声，以保证环 S e 路所要求的性能，增加系统的稳定性。

压控振荡器受控制电压S d (t)的 控制，使压控振荡器的频率向输入信 号的频率靠拢，直至消除频差而锁定。 锁相环是个相位误差控制系统。它比较输入信号和压控振荡器输出信号之间的相位差，从而产生电压来调整压控振荡器的频率，以达到与输入信号同频。在环路开始工作时，如果输入信号频率荡器频率不同，则由于两信号之间存在固有的频率差，它们之间的相位差势必一直在变化，结果出的误差电压就在一定范围内变化。在这种误差电压的控制下，压控振荡器的频率也在变化。若器的频率能够变化到与输入信号频率相等，在满足稳定性条件下就在这个频率上稳定下来。达到输入信号和压控振荡器输出信号之间的频差为零，相差不再随时间变化，误差电压为一固定值，就进入“锁定”状态。这就是锁相环工作的大致过程。 以上的分析是对频率和相位不变的输入信号而言的。如果输入信号的频率和相位在不断地变可能通过环路的作用，使压控的频率和相位不断地跟踪输入频率的变化。 锁相环具有良好的跟踪性能。若输入FM 信号时，让环路通带足够宽，使信号的调制频谱落在带这时压控振荡器的频率跟踪输入调制的变化。 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ωv (波的瞬时频率ωFM (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频率为ωo ’，则当有控制电压时，VCO 的瞬时角频率为 令上两式相等，即ωv (t)≈ωFM (t)，可得

锁相环PLL的组成和工作原理

锁相环的组成和工作原理#1 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）

锁相环的组成和工作原理

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 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 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ωu以ω0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 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ω0=ωi的状态不变。 8．4．2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

数字锁相环原理 应用

数字锁相环原理及应用 .全数字锁相环结构及原理 图1 数字锁相环路的基本结构 (1)数字环路鉴相器（DPD） 数字鉴相器也称采样鉴相器，是用来比较输入信号与压控振荡器输出信号的相位，它的输出电压是对应于这两个信号相位差的函数。它是锁相环路中的关键部件，数字鉴相器的形式可分为：过零采样鉴相器、触发器型数字鉴相器、超前—滞后型数字鉴相器和奈奎斯特速率取样鉴相器。 (2)数字环路滤波器（DLF） 数字环路滤波器在环路中对输入噪声起抑止作用，并且对环路的校正速度起调节作用。数字滤波器是一种专门的技术，有各种各样的结构形式和设计方法。引入数字环路滤波器和模拟锁相环路引入环路滤波器的目的一样，是作为校正网络引入环路的。因此，合理的设计数字环路滤波器和选取合适的数字滤波器结构就能使DPLL满足预定的系统性能要求。 (3)数字压控振荡器（DCO） 数控振荡器，又称为数字钟。它在数字环路中所处的地位相当于模拟锁相环中的压控振荡器（VCO）。但是，它的输出是一个脉冲序列，而该输出脉冲序列的周期受数字环路滤波器送来的校正信号的控制。其控制特点是：前一采样时刻得到的校正信号将改变下一个采样时刻的脉冲时间位置。 全数字锁相环工作原理 全数字锁相环的基本工作过程如下： (1) 设输入信号 u i (t) 和本振信号（数字压控振荡器输出信号）u o (t) 分别 是正弦和余弦信号，他们在数字鉴相器内进行比较，数字鉴相器的输出是一个与两者间的相位差成比例的电压u d (t)。 (2) 数字环路滤波器除数字鉴相器输出中的高频分量，然后把输出电压u c (t)

加到数字压控振荡器的输出端，数字压控振荡器的本振信号频率随着输入电压的变化而变化。如果两者频率不一致，则数字鉴相器的输出将产生低频变化分量，并通过低通滤波器使DCO的频率发生变化。只要环路设计恰当，则这种变化将使 本振信号u o (t) 的频率与数字鉴相器输入信号u i (t) 的频率一致。 (3)最后，如果本振信号的频率和输入信号的频率完全一致，两者的相位差将保持某一个恒定值，则数字鉴相器的输出将是一个恒定直流电压（忽略高频分量），数字环路滤波器的输出也是一个直流电压，DCO的频率也将停止变化，这时，环路处于“锁定状态”。

锁相环CD4046原理及应用

锁相环CD4046 原理及应用 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。锁相环主要由相位比较器（PC）、压控振荡器（VCO）、低通滤波器三部分组成，如图1所示。 图1 压控振荡器的输出Uo接至相位比较器的一个输入端，其输出频率的高低由低通滤波器上建立起来的平均电压Ud大小决定。施加于相位比较器另一个输入端的外部输入信号Ui与来自压控振荡器的输出信号Uo相比较，比较结果产生的误差输出电压UΨ正比于Ui和Uo两个信号的相位差，经过低通滤波器滤除高频分量后，得到一个平均值电压Ud。这个平均值电压Ud朝着减小CO输出频率和输入频率之差的方向变化，直至VCO输出频率和输入信号频率获得一致。这时两个信号的频率相同，两相位差保持恒定（即同步）称作相位锁定。 当锁相环入锁时，它还具有“捕捉”信号的能力，VCO可在某一范围内自动跟踪输入信号的变化，如果输入信号频率在锁相环的捕捉范围内发生变化，锁相环能捕捉到输人信号频率，并强迫VCO锁定在这个频率上。锁相环应用非常灵活，如果输入信号频率f1不等于VCO输出信号频率f2，而要求两者保持一定的关系，例如比例关系或差值关系，则可以在外部加入一个运算器，以满足不同工作的需要。过去的锁相环多采用分立元件和模拟电路构成，现在常使用集成电路的锁相环，CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为3V－18V），输入阻抗高(约100MΩ)，动态功耗小，在中心频率f0为10kHz下功耗仅为600μW，属微功耗器件。图2是CD4046的引脚排列，采用16 脚双列直插式，各引脚功能如下： 图2?1脚相位输出端，环路人锁时为高电平，环路失锁时为低电平。 ?2脚相位比较器Ⅰ的输出端。 ?3脚比较信号输入端。 ?4脚压控振荡器输出端。 ?5脚禁止端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作。 ?6、7脚外接振荡电容。 ?8、16脚电源的负端和正端。 ?9脚压控振荡器的控制端。 ?10脚解调输出端，用于FM解调。 ?11、12脚外接振荡电阻。

锁相环(PLL)基本原理(---ADI)

MT-086TUTORIAL Fundamentals of Phase Locked Loops (PLLs) FUNDAMENTAL PHASE LOCKED LOOP ARCHITECTURE A phase-locked loop is a feedback system combining a voltage controlled oscillator (VCO) and a phase comparator so connected that the oscillator maintains a constant phase angle relative to a reference signal. Phase-locked loops can be used, for example, to generate stable output high frequency signals from a fixed low-frequency signal. Figure 1A shows the basic model for a PLL. The PLL can be analyzed as a negative feedback system using Laplace Transform theory with a forward gain term, G(s), and a feedback term, H(s), as shown in Figure 1B. The usual equations for a negative feedback system apply. (B) STANDARD NEGATIVE FEEDBACK CONTROL SYSTEM MODEL (A) PLL MODEL ERROR DETECTOR LOOP FILTER VCO FEEDBACK DIVIDER PHASE DETECTOR CHARGE PUMP F O = N F REF Figure 1: Basic Phase Locked Loop (PLL) Model The basic blocks of the PLL are the Error Detector (composed of a phase frequency detector and a charge pump ), Loop Filter , VCO , and a Feedback Divider . Negative feedback forces the error signal, e(s), to approach zero at which point the feedback divider output and the reference frequency are in phase and frequency lock, and F O = N FREF . Referring to Figure 1, a system for using a PLL to generate higher frequencies than the input, the VCO oscillates at an angular frequency of ωO . A portion of this signal is fed back to the error detector, via a frequency divider with a ratio 1/N. This divided down frequency is fed to one input of the error detector. The other input in this example is a fixed reference signal. The error detector compares the signals at both inputs. When the two signal inputs are equal in phase and frequency, the error will be constant and the loop is said to be in a “locked” condition.

全数字锁相环原理及应用

全数字锁相环原理及应用 摘要：首先介绍全数字锁相环的结构，及各个模块的作用，接着讲述全数字锁相环的工作原理，然后介绍在全数字锁相环在调频和解调电路、频率合成器中的应用。 关键字：全数字锁相环数字环路鉴相器数字环路滤波器数字压控振荡器 1.前言 锁相环(PLL，Phase Locked Loop)技术在众多领域得到了广泛的应用。如信号处理，调制解调，时钟同步，倍频，频率综合等都应用到了锁相环技术。传统的锁相环由模拟电路实现，而全数字锁相环(ADPLL，All Digital Phase Locked Loop)与传统的模拟电路实现的PLL相比，具有精度高且不受温度和电压影响，环路带宽和中心频率编程可调，易于构建高阶锁相环等优点，并且应用在数字系统中时，不需A/D及D/A转换。随着通讯技术、集成电路技术的飞速发展和系统芯片的深入研究，全数字锁相环将会在其中得到更为广泛的应用。 2.全数字锁相环结构及原理 图1 数字锁相环路的基本结构 (1)数字环路鉴相器（DPD） 数字鉴相器也称采样鉴相器，是用来比较输入信号与压控振荡器输出信号的相位，它的输出电压是对应于这两个信号相位差的函数。它是锁相环路中的关键部件，数字鉴相器的形式可分为：过零采样鉴相器、触发器型数字鉴相器、超前—滞后型数字鉴相器和奈奎斯特速率取样鉴相器。 (2)数字环路滤波器（DLF） 数字环路滤波器在环路中对输入噪声起抑止作用，并且对环路的校正速度起调节作用。数字滤波器是一种专门的技术，有各种各样的结构形式和设计方法。引入数字环路滤波器和模拟锁相环路引入环路滤波器的目的一样，是作为校正网

络引入环路的。因此，合理的设计数字环路滤波器和选取合适的数字滤波器结构就能使DPLL满足预定的系统性能要求。 (3)数字压控振荡器（DCO） 数控振荡器，又称为数字钟。它在数字环路中所处的地位相当于模拟锁相环中的压控振荡器（VCO）。但是，它的输出是一个脉冲序列，而该输出脉冲序列的周期受数字环路滤波器送来的校正信号的控制。其控制特点是：前一采样时刻得到的校正信号将改变下一个采样时刻的脉冲时间位置。 全数字锁相环工作原理 全数字锁相环的基本工作过程如下： (1) 设输入信号 u i(t) 和本振信号（数字压控振荡器输出信号）u o(t) 分别是正弦和余弦信号，他们在数字鉴相器内进行比较，数字鉴相器的输出是一个与两者间的相位差成比例的电压u d(t)。 (2) 数字环路滤波器除数字鉴相器输出中的高频分量，然后把输出电压u c(t) 加到数字压控振荡器的输出端，数字压控振荡器的本振信号频率随着输入电压的变化而变化。如果两者频率不一致，则数字鉴相器的输出将产生低频变化分量，并通过低通滤波器使DCO的频率发生变化。只要环路设计恰当，则这种变化将使本振信号u o(t) 的频率与数字鉴相器输入信号u i(t) 的频率一致。 (3)最后，如果本振信号的频率和输入信号的频率完全一致，两者的相位差将保持某一个恒定值，则数字鉴相器的输出将是一个恒定直流电压（忽略高频分量），数字环路滤波器的输出也是一个直流电压，DCO的频率也将停止变化，这时，环路处于“锁定状态”。 3.全数字锁相环的特点及应用 全数字化锁相环的共同特点 (1)电路完全数字化，使用逻辑门电路和触发器电路。系统中只有“导通”和“截止”两种工作状态，受外界和电源的干扰的可能性大大减小，电路容易集成，易于制成全集成化的单片全数字锁相环路。因而系统的可靠性大大提高。 (2)全数字锁相环路还缓和甚至消除了模拟锁相环路中电压控制振荡器（VCO）的非线性以及环路中使用运算放大器和晶体管后而出现的饱和及运算放大器和鉴相器的零漂等对环路性能的影响。 (3)数字锁相环路的环路部件甚至整个环路都可以直接用微处理机来模拟而实现。 (4)全数字锁相环路中，因模拟量转变为数字量所引入的量化误差和离散控制造成的误差，只要系统设计得当，均可以被忽略。 全数字化锁相环的在实际工程中的应用 目前，全数字锁相环路（A DPLL）已在数字通信、无线电电子学及电力系统自动化等领域中得到了极为广泛的应用。A DPLL具有精度高、不受温度和电压影响、环路带宽和中心编程频率可调、易于构建高阶锁相环等优点。随着集成电路技术的发展，不仅能够制成频率较高的单片集成锁相环路，而且可以把整个系统集成到一个芯片上去。 全数字锁相环在调频和解调电路中的应用