通信原理实验报告二
模拟锁相环模块
实验2模拟锁相环模块
一、实验原理和电路说明
模拟锁相环模块在通信原理综合实验系统中可作为一个独立的模块进行测试。在系统工作中模拟锁相环将接收端的256KHz时钟锁在发端的256KHz的时钟上，来获得系统的同步时钟，如HDB3接收的同步时钟及后续电路同步时钟。
图2.1.1 模拟锁相环组成框图
该模块主要由模拟锁相环UP01（MC4046）、数字分频器UP02（74LS161）、D触发器UP04（74LS74）、环路滤波器和由运放UP03（TEL2702）及阻容器件构成的输入带通滤波器（中心频率：256KHz）组成。在UP01内部有一个振荡器与一个高速鉴相器组成。该模拟锁相环模块的框图见图2.1.1。因来自发端信道的HDB3码为归零码，归零码中含有256KHz 时钟分量，经UP03B构成中心频率为256KHz有源带通滤波器后，滤出256KHz时钟信号，该信号再通过UP03A放大，然后经UP04A和UP04B两个除二分频器（共四分频）变为64KHz 信号，进入UP01鉴相输入A脚；VCO输出的512KHz输出信号经UP02进行八分频变为64KHz信号，送入UP01的鉴相输入B脚。经UP01内部鉴相器鉴相之后的误差控制信号经环路滤波器滤波送入UP01的压控振荡器输入端；WP01可以改变模拟锁相环的环路参数。正常时，VCO锁定在外来的256KHz频率上。
模拟锁相环模块各跳线开关功能如下：
1、跳线开关KP01用于选择UP01的鉴相输出。当KP01设置于1_2时（左端），选择
异或门鉴相输出，环路锁定时TPP03、TPP05输出信号将存在一定相差；当KP01
设置于2_3时（右端），选择三态门鉴相输出，环路锁定时TPP03、TPP05输出信号将不存在相差，详情请参见4046器件性能资料。调整电位器WP01可以改变模拟锁相环的环路参数。
2、跳线开关KP021是用于选择输入锁相信号：当KP021置于1_2时（HDB3：左端），
输入信号来自HDB3编码模块的HDB3码信号；当KP021置于2_3时（TEST：右端）选择外部的测试信号（J007输入），此信号用于测量该模拟锁相环模块的性能。
在该模块中，各测试点的定义如下：
1、TPP01：256KHz带通滤波器输出
2、TPP02：隔离放大器输出
3、TPP03：鉴相器A输入信号（64KHz）
4、TPP04：VCO输出信号（512KHz）
5、TPP05：鉴相器B输入信号（64KHz）
6、TPP06：环路滤波器输出
7、TPP07：锁定指示检测（锁定时为高电平）
二、实验仪器
1、J H5001通信原理综合实验系统一台
2、20MHz双踪示波器一台
3、函数信号发生器一台
三、实验目的
1、熟悉模拟锁相环的基本工作原理
2、掌握模拟字锁相环的基本参数及设计
四、实验内容
准备工作：将输入信号选择开关KP02设置在TEST位置，鉴相输出开关KP01设置在2_3位置（右端）。
1.VCO自由振荡频率测量（选做）
（1）将测试信号输入端口J007接地，把函数信号发生器方式设置为记数（频率计功能），闸门时间放在100ms或1s，测量TPP04监测点的VCO输出振荡频率f0。
记录闸门每次闪动的频率读数（其读数不太稳定）。
（2）求出VCO在频率512KHz时的短期频率稳定度（△f/ f0）。
2.锁定状态观测
（1）用函数信号发生器从测试信号输入端口J007送入一个256 KHz的TTL方波信号。用示波器同时测量鉴相器输入A、B脚的波形TPP03、TPP05的相位关系。
环路锁定该两信号将不存在相差。
（2）将鉴相输出开关KP01设置在1_2位置（左端），重复上述测量步骤。环路锁定该两信号将存在相差。
3.锁定频率测量和分频比计算
将函数信号发生器设置在记数状态（频率计）。参见图2.1.1模拟锁相环模块的框图，测量各频率。记录测量结果，计算分频比。
4.环路锁定过程观测
用函数信号发生器从测试信号输入端口J007送入一个256KHz的TTL方波信号。用示波器同时观测TPP03、TPP05的相位关系，测量时用TPP03同步；反复断开和接入测试信号，让锁相环进行重新锁定状态。此时，观察它们的变化过程（锁相过程）。
5.锁定检测信号观测
将跳线器KP01设置在2_3位置（由端），用函数信号发生器产生一个256KHz的TTL 信号送入数字数字信号测试端口J007，用示波器观测锁定检测点TPP07点的波形。调整函数信号发生器输出频率使环路失锁和锁定，记录TPP07点的波形变化。
6.同步带测量
（1）用函数信号发生器产生一个256KHz的TTL信号送入数字信号测试端口J007。用示波器同时测量J007、TPP04的相位关系，测量时用J007同步；正常时环路锁
定，该两信号应为同步。
（2）缓慢增加函数信号发生器输出频率，直至J007、TPP04两点波形失步，记录下失步前的频率。
（3）调整函数信号发生器频率为256KHz，使环路锁定。缓慢降低函数信号发生器输出频率，直至J007、TPP04两点波形失步，记录下失步前的频率。
（4）计算同步带。
7.捕捉带测量
（1）用函数信号发生器产生一个256KHz的TTL信号送入数字信号测试端口J007。用示波器同时测量J007、TPP04的相位关系，测量时用J007同步；正常时环路锁
定，该两信号应为同步。
（2）增加函数信号发生器输出频率，使J007、TPP04两点波形失步；然后缓慢降低函
数信号发生器输出频率，直至J007、TPP04两点波形同步。记录下同步一刻的频
率。
（3）降低函数信号发生器输出频率，使J007、TPP04两点波形失步；然后缓慢增加函数信号发生器输出频率，直至J007、TPP04两点波形同步。记录下同步一刻的频
率。
（4）计算捕捉带。
8.VCO压控灵敏度测量
用函数信号发生器产生一个256KHz的TTL信号送入数字信号测试端口J007，将示波器放在DC输入位置，示波器幅度显示设置＜500mv/DIV，用示波器检测VCO输入的压控电压（TPP06）。缓慢增加函数信号发生器输出频率到276KHz，记录此时TPP05的电压值V1；缓慢降低函数信号发生器输出频率到236KHz，记录此时TPP05的电压值V2。计算压控灵敏度：40KHz/（V1-V2）。亦可用数字三用表测量TPP06点的直流电压。
五、实验报告
1、根据环路参数，解释为什么TPP04的波形存在抖动？
2、画出各测量点的波形。
3、分析总结各项测量结果。
六、实验结果
1.锁定状态观测
（1）用函数信号发生器从测试信号输入端口J007送入一个256 KHz的TTL方波信号。
用示波器同时测量鉴相器输入A、B脚的波形TPP03、TPP05的相位关系。环路锁定该两信号将不存在相差。
（2）将鉴相输出开关KP01设置在1_2位置（左端），重复上述测量步骤。环路锁定该两信号将存在相差。
2.环路锁定过程观测
用函数信号发生器从测试信号输入端口J007送入一个256KHz的TTL方波信号。用示波器同时观测TPP03、TPP05的相位关系，测量时用TPP03同步；反复断开和接入测试信号，让锁相环进行重新锁定状态。此时，观察它们的变化过程（锁相过程）。
3.锁定检测信号观测
将跳线器KP01设置在2_3位置（由端），用函数信号发生器产生一个256KHz的TTL 信号送入数字数字信号测试端口J007，用示波器观测锁定检测点TPP07点的波形。调整函数信号发生器输出频率使环路失锁和锁定，记录TPP07点的波形变化。
4.同步带测量
(1)用函数信号发生器产生一个256KHz的TTL信号送入数字信号测试端口J007。用示波器同时测量J007、TPP04的相位关系，测量时用J007同步；正常时环路锁定，该两信号应为同步。
(2)缓慢增加函数信号发生器输出频率，直至J007、TPP04两点波形失步，记录下失步
前的频率。
(3)调整函数信号发生器频率为256KHz，使环路锁定。缓慢降低函数信号发生器输出频
率，直至J007、TPP04两点波形失步，记录下失步前的频率。
(4)计算同步带。
T同步带f=357kHz-164kHz=193kHz
9.捕捉带测量
（1）用函数信号发生器产生一个256KHz的TTL信号送入数字信号测试端口J007。用示波器同时测量J007、TPP04的相位关系，测量时用J007同步；正常时环路锁定，该两信号应为同步。
（2）增加函数信号发生器输出频率，使J007、TPP04两点波形失步；然后缓慢降低函数信号发生器输出频率，直至J007、TPP04两点波形同步。记录下同步一刻的频率。
（3）降低函数信号发生器输出频率，使J007、TPP04两点波形失步；然后缓慢增加函数信号发生器输出频率，直至J007、TPP04两点波形同步。记录下同步一刻的频率。
（4）计算捕捉带。
捕捉带f=360kHZ-88kHz=292kHz
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
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
实验十九滤波法及数字锁相环法位同步提取实验 实验项目三数字锁相环法位同步观测 （1）观测“数字锁相环输入”和“输入跳变指示”，观测当“数字锁相环输入”没有跳变和有跳变时“输入跳变指示”的波形。 从图中可以观察出，若前一位数据有跳变，则判断有效，“输入跳变指示”输出表示1；否则，输出0表示判断无效。 （2）观测“数字锁相环输入”和“鉴相输出”。观测相位超前滞后的情况 数字锁相环的超前—滞后鉴相器需要排除位流数据输入连续几位码值保持不变的不利影响。在有效的相位比较结果中仅给出相位超前或相位滞后两种相位误差极性，而相位误差的绝对大小固定不变。经观察比较，“鉴相输出”比“数字锁相环输入”超前两个码元。
（3）观测“插入指示”和“扣除指示”。 （4）以信号源模块“CLK ”为触发，观测13号模块的“BS2”。 思考题：分析波形有何特点，为什么会出现这种情况。 因为可变分频器的输出信号频率与实验所需频率接近，将其和从信号中提取的相位参考信号同时送入相位比较器，比较的结果若是载波频率高了，就通过补抹门抹掉一个输入分频器的脉冲，相当于本地振荡频率降低；相反，若示出本地频率低了时就在分频器输入端的两个输入脉冲间插入 一个脉冲，相当于本地振荡频率上升，从而了达到同步的目的。 思考题：BS2恢复的时钟是否有抖动的情况，为什么？试分析BS2抖动的区间有多大？如何减小这个抖动的区间？ 有抖动的存在，是因为可变分频器的存在使得下一个时钟沿的到来时间不确定，从而引入了相位抖动。而这种引入的误差是无法消除的。减小相位抖动的方法就是将分频器的分频数提高。
实验二十 模拟锁相环实验 实验项目一 VCO 自由振荡观测 （1）示波器CH1接TH8，CH2接TH4输出，对比观测输入及输出波形。 实验项目二 同步带测量 （1） 示波器CH1接13号模块TH8模拟锁相环输入，CH2接TH4输出BS1，观察TH4 输出处于锁定状态。将正弦波频率调小直到输出波形失锁，此时的频率大小f1为 400Hz ；将频率调大，直到TH4输出处于失锁状态，记下此时频率f2为 9.25kHz 。 对比波形可以发现TH8与TH4信号输入与输出错位半个周期 如右图所示，方波抖动，说明处于失锁状态。 记下两次波形失锁的频率，可计 算 出 同 步 带 f=9.25KHz-400Hz=8.85KHz 。
模拟锁相环模块 信息工程学院08级电子班安艳芳0839107 一、实验目的 1、熟悉模拟锁相环的基本工作原理 2、掌握模拟字锁相环的基本参数及设计 二、实验仪器 JH5001通信原理综合实验系统（一台）、20MHz双踪示波器（一台）、函数信号发生器（一台） 三、实验原理和电路说明 锁相的重要性：在电信网中，同步是一个十分重要的概念。其最终目的使本地终端时钟源锁定在另一个参考时钟源上。同步的技术基础是锁相，因而锁相技术是通信中最重要的技术之一在系统工作中模拟锁相环将接收端的256KHz时钟锁在发端的256KHz的时钟上，来获得系统的同步时钟，如HDB3接收的同步时钟及后续电路同步时钟。 该模块主要由模拟锁相环UP01（MC4046）、数字分频器UP02（74LS161）、D触发器UP04（74LS74）、环路滤波器和由运放UP03（TEL2702）及阻容器件构成的输入带通滤波器（中心频率：256KHz）组成。因来自发端信道的HDB3码为归零码，归零码中含有256KHz时钟分量，经UP03B构成中心频率为256KHz 有源带通滤波器后，滤出256KHz时钟信号，该信号再通过UP03A放大，然后经UP04A和UP04B两个除二分频器（共四分频）变为64KHz信号，进入UP01鉴相输入A脚；VCO输出的512KHz输出信号经UP02进行八分频变为64KHz信号，送入UP01的鉴相输入B脚。经UP01内部鉴相器鉴相之后的误差控制信号经环路滤波器滤波送入UP01的压控振荡器输入端；WP01可以改变模拟锁相环的环路参数。正常时，VCO 锁定在外来的256KHz频率上。 模拟锁相环模块各跳线开关功能如下： 1、跳线开关KP01用于选择UP01的鉴相输出。当KP01设置于1_2时（左端），环路锁定时TPP03、 TPP05输出信号将存在一定相差；当KP01设置于2_3时（右端），选择三态门鉴相输出，环路锁定时TPP03、TPP05输出信号将不存在相差。 2、跳线开关KP021是用于选择输入锁相信号：当KP021置于1_2时，输入信号来自HDB3编码模块 的HDB3码信号；当KP021置于2_3时，选择外部的测试信号（J007输入），此信号用于测量该模拟锁相环模块的性能。
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
通信原理实验报告三数字锁相环实验
实验3数字锁相环实验 一、实验原理和电路说明 在电信网中，同步是一个十分重要的概念。同步的种类很多，有时钟同步、比特同步等等，其最终目的使本地终端时钟源锁定在另一个参考时钟源上，如果所有的终端均采用这种方式，则所有终端将以统一步调进行工作。 同步的技术基础是锁相，因而锁相技术是通信中最重要的技术之一。锁相环分为模拟锁相环与数字锁相环，本实验将对数字锁相环进行实验。 图2.2.1 数字锁相环的结构 数字锁相环的结构如图所示，其主要由四大部分组成：参考时钟、多模分频器（一般为三种模式：超前分频、正常分频、滞后分频）、相位比较（双路相位比较）、高倍时钟振荡器（一般为参考时钟的整数倍，此倍数大于20）等。数字锁相环均在FPGA内部实现，其工作过程如图所示。
T1时刻T2时刻T3时刻T4时刻 图2.2.2 数字锁相环的基本锁相过程与数字锁相环的基本特征 在图，采样器1、2构成一个数字鉴相器，时钟信号E、F对D信号进行采样，如果采样值为01，则数字锁相环不进行调整（÷64）；如果采样值为00，则下一个分频系数为（1/63）；如果采样值为11，则下一分频系数为（÷65）。数字锁相环调整的最终结果使本地分频时钟锁在输入的信道时钟上。 在图中也给出了数字锁相环的基本锁相过程与数字锁相环的基本特征。在锁相环开始工作之前的T1时该，图中D点的时钟与输入参考时钟C没有确定的相关系，鉴相输出为00，则下一时刻分频器为÷63模式，这样使D点信号前沿提前。在T2时刻，鉴相输出为01，则下一时刻分频器为÷64模式。由于振荡器为自由方式，因而在T3时刻，鉴相输出为11，则下一时刻分频器为÷65模式，这样使D点信号前沿滞后。这样，可变分频器不断在三种模式之间进行切换，其最终目的使D点时钟信号的时钟沿在E、F时钟上升沿之间，从而使D 点信号与外部参考信号达到同步。 在该模块中，各测试点定义如下： 1、TPMZ01：本地经数字锁相环之后输出时钟（56KHz） 2、TPMZ02：本地经数字锁相环之后输出时钟（16KHz） 3、TPMZ03：外部输入时钟÷4分频后信号（16KHz） 4、TPMZ04：外部输入时钟÷4分频后延时信号（16KHz） 5、TPMZ05：数字锁相环调整信号
实验三：模拟锁相环与载波同步 一、实验目的 1.模拟锁相环工作原理以及环路锁定状态、失锁状态、同步带、捕捉带等基本概念。 2.掌握用平方法从2DPSK信号中提取相干载波的原理及模拟锁相环的设计方法。 3.了解相干载波相位模糊现象产生的原因。 二、实验内容 1. 观察模拟锁相环的锁定状态、失锁状态及捕捉过程。 2. 观察环路的捕捉带和同步带。 3. 用平方环法从2DPSK信号中提取载波同步信号，观察相位模糊现象。 三、实验步骤 本实验使用数字信源单元、数字调制单元和载波同步单元。 1.熟悉载波同步单元的工作原理。接好电源线，打开实验箱电源开关。 2.检查要用到的数字信源单元和数字调制单元是否工作正常（用示波器观察信源NRZ-OUT(AK)和调制2DPSK信号有无，两者逻辑关系正确与否）。 3. 用示波器观察载波同步模块锁相环的锁定状态、失锁状态，测量环路的同步带、捕捉带。 环路锁定时u d 为直流、环路输入信号频率等于反馈信号频率（此锁相环中 即等于VCO信号频率）。环路失锁时u d 为差拍电压，环路输入信号频率与反馈信号频率不相等。本环路输入信号频率等于2DPSK载频的两倍，即等于调制单元CAR信号频率的两倍。环路锁定时VCO信号频率等于CAR-OUT信号频率的两倍。所以环路锁定时调制单元的CAR和载波同步单元的CAR-OUT频率完全相等。 根据上述特点可判断环路的工作状态，具体实验步骤如下： （1）观察锁定状态与失锁状态 打开电源后用示波器观察u d ，若u d 为直流，则调节载波同步模块上的可变电 容C 34，u d 随C 34 减小而减小，随C 34 增大而增大（为什么？请思考），这说明环路 处于锁定状态。用示波器同时观察调制单元的CAR和载波同步单元的CAR-OUT，可以看到两个信号频率相等。若有频率计则可分别测量CAR和CAR-OUT频率。在 锁定状态下，向某一方向变化C 34，可使u d 由直流变为交流，CAR和CAR-OUT频 率不再相等，环路由锁定状态变为失锁。
数字锁相环试验讲义 一、锁相环的分类 模拟、数字如何定义？何谓数字锁相环。是指对模拟信号进行采样量化之后（数字化）的“数字信号”的处理中应用的锁相环，还是指的对真正的“数字信号”如时钟波形进行锁定的锁相环？ 二、数字锁相环的实际应用 欲成其事，先明其义。 现代数字系统设计中，锁相环有什么样的作用。 1）在ASIC设计中的应用。 主要应用领域：窄带跟踪接收；锁相鉴频；载波恢复；频率合成。 例一：为了达到ASIC设计对时钟的要求,许多工程师都在他们的设计中加入了锁相环(PLL)。PLL有很多理想的特性，例如可以倍频、纠正时钟信号的占空比以及消除时钟在分布中产生的延迟等。这些特性使设计者们可以将价格便宜的低频晶振置于芯片外作为时钟源，然后通过在芯片中对该低频时钟源产生的信号进行倍频来得到任意更高频率的内部时钟信号。同时，通过加入PLL，设计者还可以将建立-保持时间窗与芯片时钟源的边沿对齐，并以此来控制建立-保持时间窗和输入时钟源与输出信号之间的延迟。 2）在信号源产生方面的应用 例二：由于无线电通信技术的迅速发展，对振荡信号源的要求也在不断提高。不但要求它的频率稳定度和准确度高，而且要求能方便地改换频率。实现频率合成有多种方法，但基本上可以归纳为直接合成法与间接合成法（锁相环路）两大类。 3）无线通信领域的实际应用 例三：GSM手机的频率系统包括参考频率锁相环，射频本振锁相环、中频本振锁相环。 广义的数字锁相环包括扩频通信中的码跟踪。 三、数字锁相环的基本原理 一般数字锁相环路的组成与模拟锁相环路相同，即也是由相位检波器、环路滤波器和本地振荡器等基本部件构成，但这些部件全部采用数字电路。具体来说数字锁相环由：数字鉴相器、数字环路滤波器、NCO和分频器组成。 四、实际应用中的数字锁相环的实现方法 PLL的结构和功能看起来十分简单，但实际上却非常复杂，因而即使是最好的电路设计者也很难十分顺利地完成PLL的设计。 在实际应用中，针对数字信号或数字时钟的特点，数字锁相环多采用超前滞后型吞吐脉冲的锁相环路来实现。 下面的框图是一个实用的数字锁相环的实现框图。
实验一 模拟锁相环模块 一、实验原理和电路说明 模拟锁相环模块在通信原理综合实验系统中可作为一个独立的模块进行测试。在系统工作中模拟锁相环将接收端的256KHz 时钟锁在发端的256KHz 的时钟上，来获得系统的同步时钟，如HDB3接收的同步时钟及后续电路同步时钟。 f 0=256K H z 64K H z U P 04U P 03B U P 02 U P 01512K H z 分频器÷4 分频器÷8 H D B 3 环路 滤波器 放大器图 2.1.1 模拟锁相环组成框图 T P P 02T E S T 跳线器K P 02V C O T P P 03T P P 06 T P P 04T P P 05 256K b itp s T P P 07带通滤波器 T P P 01 U P 03A 64K H z 该模块主要由模拟锁相环UP01（MC4046）、数字分频器UP02（74LS161）、D 触发器UP04（74LS74）、环路滤波器和由运放UP03（TEL2702）及阻容器件构成的输入带通滤波器（中心频率：256KHz ）组成。在UP01内部有一个振荡器与一个高速鉴相器组成。该模拟锁相环模块的框图见图2.1.1。因来自发端信道的HDB3码为归零码，归零码中含有256KHz 时钟分量，经UP03B 构成中心频率为256KHz 有源带通滤波器后，滤出256KHz 时钟信号，该信号再通过UP03A 放大，然后经UP04A 和UP04B 两个除二分频器（共四分频）变为64KHz 信号，进入UP01鉴相输入A 脚；VCO 输出的512KHz 输出信号经UP02进行八分频变为64KHz 信号，送入UP01的鉴相输入B 脚。经UP01内部鉴相器鉴相之后的误差控制信号经环路滤波器滤波送入UP01的压控振荡器输入端；WP01可以改变模拟锁相环的环路参数。正常时，VCO 锁定在外来的256KHz 频率上。 模拟锁相环模块各跳线开关功能如下：
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。
实验三模拟锁相环与载波同步实验 一、实验目的 1. 掌握模拟锁相环的工作原理，以及环路的锁定状态、失锁状态、同步带、捕捉带等基本概念 2. 掌握用平方环法从2DPSK信号中提取相干载波的原理及模拟锁相环的设计方法 3. 了解相干载波相位模糊现象产生的原因 二、实验内容 1. 观察模拟锁相环的锁定状态、失锁状态及捕捉过程 2. 观察环路的捕捉带和同步带 3. 用平方环法从2DPSK信号中提取载波同步信号，观察相位模糊现象 三、基本原理 常用平方环或同相正交环（科斯塔斯环）从2DPSK信号中提取相干载波。本实验用平方环，其原理方框图及电路原理图如图3-1、图3-2所示。 图3-1 载波同步方框图 载波同步模块上有以下测试点及输入输出点： ? 2DPSK-IN 2DPSK信号输入点 ? MU 平方器输出测试点，V P-P＞1V ? COMP 锁相环输入信号测试点 ? Ud 锁相环压控电压测试点 ? VCO 锁相环输出信号测试点，V P-P＞0.2V ? CAR-OUT 相干载波信号输出点/测试点
图3-2 载波同步电原理图
图3-1中各单元与图3-2中的主要元器件的对应关系如下： ? 平方器 U2：模拟乘法器MC1496 ? 鉴相器 U4: 锁相环HC4046 ? 环路滤波器 U4: 锁相环HC4046 ? 压控振荡器 U4: 锁相环HC4046 ? ÷2 U6：D 触发器74HC74 ? 移相器 U8：单稳态触发器74LS123 ? 滤波器 电感L1；电容C43 ? 压控振荡器 U5: 锁相环CD4046 锁相环由鉴相器（PD ）、环路滤波器（LF ）及压控振荡器（VCO ）组成，如图3-3所示。 u o (t) 图3-3 锁相环方框图 模拟锁相环中，PD 是一个模拟乘法器，LF 是一个有源或无源低通滤波器。锁相环路是一个相位负反馈系统，PD 检测u i (t)与u o (t)之间的相位误差并进行运算形成误差电压u d (t)，LF 用来滤除乘法器输出的高频分量（包括和频及其他的高频噪声）形成控制电压u c (t)，在u c (t)的作用下、u o (t)的相位向u i (t)的相位靠近。设u i (t)=U i sin[ωi t+θi (t)]，u o (t)=U o cos[ωi t+θo (t)]，则u d (t)=U d sin θe (t)，θe (t)=θi (t)-θo (t)，故模拟锁相环的PD 是一个正弦PD 。设u c (t)=u d (t)F(P)，F(P)为LF 的传输算子，VCO 的压控灵敏度为K o ，则环路的数学模型如图3-4所示。 θi (t) o (t) 图3-4 模拟环数学模型 当6 )(π θ≤ t e 时，e d e d U t U θθ=)(sin ，令K d =U d 为PD 的线性化鉴相灵敏度、单位
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。
实验三 模拟锁相环与载波同步 一、实验目的 1.掌握模拟锁相环的工作原理，以及环路的锁定状态、失锁状态、同步带、捕捉带等基本概念。 2.掌握用平方环法从 2DPSK 信号中提取相干载波的原理及模拟锁相环的设计方法。 3.了解2DPSK 相干载波相位模糊现象产生的原因。 二、实验原理 通信系统常用平方环或同相正交环（科斯塔斯环）从 2DPSK 信号中提取相干载波。本实验使用平方环提取想干载波，其载波同步原理方框图如图 l 所示。 图1 载波同步方框图 锁相环由鉴相器（PD ）、环路滤波器（LF ）、及压控振荡器（VCO ）组成，如图2所示。 图2 锁相环方框图 模拟锁相环中，PD 是一个模拟乘法器，LF 是一个有源或无源低通滤波器。锁相环路是一个相位负反馈系统，PD 检测 u i (t)与 u o (t)之间的相位误差并进行运算形成误差电压 u d (t),LF 来滤除乘法器输出的高频分量（包括和频及其他的高频噪声）形成控制电压 u c (t)，在 u o (t)的作用下、u o (t)的相位向u i (t)的相位靠近。设u i (t)=U i sin [ωi t+θi (t)]，u o (t)=U o sin [ωo t+θo (t)]，则 ud(t) =Udsin θe (t)，θe (t) =θi (t)- θo (t)，故模拟锁相环的 PD 是一个正弦PD 。设u c (t)=u d (t)F (P)，F （P ）为LF 的传输算子，VCO 的压控灵敏度为K ，则环路的数学模型如图 3 所示。 图3 模拟环数学模型 当6)(π θ≤t e 时，U d sin =)(t c θU d e θ，令d d U K =为PD 的线性化鉴相灵敏度、单位为V/rad ，则环路线性化数学模型如图4所示。
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 -+
用LabVIEW模拟锁相环毕业设计(论文)中文摘要 毕业设计(论文)外文摘要
目录1 引言 1.1 LabVIEW概述 1.2 LabVIEW 工作环境 1.2.1 LABVIEW 的工作窗口 1.2.2 LabVIEW的操作模块 1.2.3 虚拟仪器程序（VI）的基本组成 2 锁相环理论介绍 2.1 锁定与跟踪的概念 2.1.1锁相环理论分析 2.1.3环路组成 3 虚拟锁相环电路的具体实现 3.1正弦鉴相器的实现 3.1.1正弦鉴相器理论分析 3.1.2正弦鉴相器虚拟转换 3.2 滤波器（LF） 3.3 压控振荡器(VCO) 4 子VI 4.1 时钟发生器的实现 4.2移位寄存器的实现 4.3分频器的实现 4.4子VI的具体实现步骤 5 程序的前面板图和程序图
结论 参考文献 1 引言 锁相环路（PLL）是一个能够跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统。 它在无线电技术的各个领域得到了广泛的应用。锁相环路具有载波跟踪特性，作为一个窄带跟踪滤波器，可提取淹没在噪声之中的信号；用高稳定的 参考振荡器锁定，可以提供一系列频率稳定的频率源；可进行高精度的相位 与频率测量等等。它具有调制跟踪特性，可制成高性能的调制器和解调器。 它具有低门限特性，可以大大改善模拟信号和数字信号的解调质量。 对所相环路的研究需首先建立完整的数学模型，继而以模型为基础，用LabVIEW实现其各种工作状态下的性能与指标，诸如跟踪、捕获等等。 1.1 LabVIEW概述 LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Workbench, 实验室虚拟仪器工程平台)是美国NI公司(National Instrument Company)推出的一种基于G语言(Graphics Language,图形化编程语言 )的虚拟仪器软件开发工具。 用LabVIEW设计的虚拟仪器可脱离LabVIEW 开发环境，最终用户看见的是和实际的硬件仪器相似的操作面板。 LabVIEW 为虚拟仪器设计者提供了一个便捷轻松的设计环境。利用它设计者可以像搭积木一样，轻松组建一个测量系统和构建自己的仪器面板，而无需进行任何烦琐的计算机代码的编写。 1.2 LabVIEW 工作环境 1.2.1 LABVIEW 的工作窗口 主要由两个窗口组成：一个是前面板开发窗口，用于编辑和显示VI前面板
通信实验指导书电气信息工程学院
目录 实验一AM调制与解调实验???????? 1 实验二FM调制与解调实验??????????? 5 实验三ASK调制与解调实验?????????8 实验四FSK调制与解调实验?????????11 实验五时分复用数字基带传输??????14 实验六光纤传输实验???????????19 实验七模拟锁相环与载波同步????????27 实验八数字锁相环与位同步????????32
实验一AM 调制与解调实验 一、实验目的 理解AM 调制方法与解调方法。 二、实验原理 本实验中AM 调制方法：原始调制信号为 1.5V 直流＋1KHZ 正弦交流信号，载波为20KHZ 正弦交流信号，两者通过相乘器实现调制过程。 本实验中AM 解调方法：非相干解调（包络检波法）。 三、实验所需部件 调制板、解调板、示波器、计算机（数据采集设备）。 四、实验步骤 1. 熟悉实验所需部件。 2. 按下图接线。 3. 用示波器（或计算机）分别测出上图所示的几个点的波形，并绘制于下面 各图中。 4. 结合上述实验结果深入理解AM 调制方法与解调方法。
实验一参考结果
实验二FM 调制与解调实验 一、实验目的 理解FM 调制方法与解调方法。 二、实验原理 本实验中FM 调制方法：原始调制信号为2KHZ 正弦交流信号，让其通过V/F （电压/频率转换，即VCO 压控振荡器）实现调制过程。 本实验中FM 解调方法：鉴频法（电容鉴频＋包络检波＋低通滤波） 三、实验所需部件 调制板、解调板、示波器、计算机（数据采集设备）。 四、实验步骤 1. 熟悉实验所需部件。 2. 按下图接线。 3. 用示波器（或计算机）分别测出上图所示的几个点的波形，并绘制于下面 各图中。 4. 结合上述实验结果深入理解FM 调制方法与解调方法。
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
1 绪论 1.1 课题背景及研究意义 在现代集成电路中，锁相环（Phase Locked Loop）是一种广泛应用于模拟、数字及数模混合电路系统中的非常重要的电路模块。该模块用于在通信的接收机中,其作用是对接收到的信号进行处理,并从其中提取某个时钟的相位信息。或者说,对于接收到的信号,仿制一个时钟信号,使得这两个信号从某种角度来看是同步的（或者说,相干的）。其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步，用于完成两个信号相位同步的自动控制，即锁相。它是一个闭环的自动控制系统，它将自动频率控制和自动相位控制技术融合，它使我们的世界的一部分有序化，它的输出信号能够自动跟踪输入信号的相位变化，也可以将之称为一个相位差自动跟踪系统，它能够自动跟踪两个信号的相位差，并且靠反馈控制来达到自动调节输出信号相位的目的。其理论原理早在上世纪30年代无线电技术发展的初期就已出现，至今已逐步渗透到各个领域。伴随着空间技术的出现，锁相技术大力发展起来，其应用范围已大大拓宽，覆盖了从通信、雷达、计算机到家用电器等各领域。锁相环在通信和数字系统中可以作为时钟恢复电路应用；在电视和无线通信系统中可以用作频率合成器来选择不同的频道；此外，PLL还可应用于频率调制信号的解调。总之，PLL已经成为许多电子系统的核心部分。 锁相环路种类繁多，大致可分类如下]1[。 1.按输入信号特点分类 [1]恒定输入环路：用于稳频、频率合成等系统。 [2]随动输入环路:用于跟踪解调系统。 2.按环路构成特点分类 [1]模拟锁相环路：环路部件全部采用模拟电路，其中鉴相器为模拟乘法器，该类型的锁相环也被称作线性锁相环。 [2]混合锁相环路：即由模拟和数字电路构成，鉴相器由数字电路构成，如异或门、JK触发器等，而其他模块由模拟电路构成。 [3]全数字锁相环路：即由纯数字电路构成，该类型的锁相环的模块完全由数字电路构成而且不包括任何无源器件，如电阻和电容。 [4]集成锁相环路：环路全部构成部件做在一片集成电路中。
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