锁相环路及其在调频-鉴频电路中的应用

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。

实验十一锁相环调频与鉴频电路实验目的1. 加深锁相环工作原理和锁相环调频与鉴频的原理的理解。

2.掌握锁相环调频与鉴频的测试方法。

二、实验使用仪器1．锁相环调频与测试实验板、锁相环鉴频实验板2．高频信号源、低频信号源、100MHz双踪示波器、谱分析仪、万用表。

三、实验基本原理与电路1．锁相调频电路锁相调频原理框图如图11-1所示。

载波为频率稳定性很高的方波。

相位比较器的输出中包含了载波与已调波之间的相位差形成的直流电压和信号的交流电压，若低通滤波器的幅频特性与信号的幅频特性之间基本互不重叠，那么低通滤波器的输出中将不包含信号的频率分量，而只有与载波锁定后的直流电压，所以已调波的载频被锁定在输入载波的频率上。

图11-1锁相调频原理框图与频谱关系采用CD4046锁相环集成芯片来实现鉴频的实验电路如图10-5所示。

2．锁相鉴频电路锁相环鉴频电路的系统原理框图如图11-2所示，设输入为，输出为，低通滤波器的传递函数为。

图11-2锁相鉴频电路的原理框图为直流分量，经隔直电路将被隔除，输出端仅有由输入引起的输出。

由正弦信号进过线性系统的输出为幅值被传递函数的幅频特性函数加权，相位增加传递函数的相频特性函数，输出可表示为采用CD4046锁相环集成芯片来实现鉴频的实际电路如图11-3所示。

调频信号FM从相位比较器I输入（14端），PLL入锁后，VCO的振荡频率将跟踪调频信号的频率变化，经低通滤波器滤去载频信号后，从10端输出解调信号。

四、实验内容1.锁相环路调频电路调频2.锁相环路鉴频电路鉴频五、实验步骤1. 锁相环路调频电路调频实验电路如图10-5选择相位比较器1。

接通J1、J3下、J4， J2下。

用高频信号源输出频率为500KHz、幅值为10V的01方波，作为载波由IN1输入到实验电路。

用低频信号源输出频率为1kHZ、幅值为1V的调制信号从IN2加入。

在OUT 端可得到调频波中心频率为500KHz的调频信号。

锁相环的原理,电路构成,及其在电路设计中作用锁相环的原理，电路构成，及其在电路设计中作用锁相环鉴相器环路滤波器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。

构成：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。

在电路设计中的作用：自动完成两个电信号的相位的同步。

锁相环:为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 ,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!达到锁频的目的!!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。

锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成。

鉴相器用来鉴别输入信号Ui与输出信号Uo之间的相位差，并输出误差电压Ud 。

Ud 中的噪声和干扰成分被低通性质的环路滤波器滤除，形成压控振荡器（VCO）的控制电压Uc。

Uc作用于压控振荡器的结果是把它的输出振荡频率f。

拉向环路输入信号频率fi ，当二者相等时，环路被锁定，称为入锁。

维持锁定的直流控制电压由鉴相器提供，因此鉴相器的两个输入信号间留有一定的相位差。

锁相环最初用于改善电视接收机的行同步和帧同步，以提高抗干扰能力。

20世纪50年代后期随着空间技术的发展，锁相环用于对宇宙飞行目标的跟踪、遥测和遥控。

60年代初随着数字通信系统的发展，锁相环应用愈广，例如为相干解调提取参考载波、建立位同步等。

具有门限扩展能力的调频信号锁相鉴频器也是在60年代初发展起来的。

在电子仪器方面，锁相环在频率合成器和相位计等仪器中起了重要作用.由于锁定情形下（即完成捕捉后）,该仿制的时钟信号相对于接收到的信号中的时钟信号具有一定的相差,所以很形象地称其为锁相器。

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。

锁相环的原理及应用论文锁相环是一种控制系统中常用的技术手段，它的原理是通过对输入信号进行相位检测和调节，使得输出信号与参考信号之间始终保持特定的相位关系。

锁相环广泛应用于通信、测量、控制等领域，能够有效地提高系统的稳定性和抗干扰能力。

本文将围绕锁相环的原理和应用展开详细论述。

锁相环的原理基于负反馈控制理论，其基本结构包括相位比较器、低通滤波器、电压控制振荡器（VCO）和分频器等组成。

其中，相位比较器用于比较输入信号和参考信号的相位差，得到控制电压；低通滤波器用于平滑控制电压，避免频率偏移；VCO根据控制电压调节输出信号的频率，使其与输入信号保持一定的相位关系；分频器将输出信号进行分频，得到反馈信号输入到相位比较器，构成闭环控制系统。

通过不断调节VCO的频率，使得输入信号和参考信号之间的相位差保持在一个稳定的范围内，从而实现锁相的目的。

锁相环在通信系统中有着重要的应用。

在数字通信中，接收到的信号往往受到噪声和失真的影响，其相位和频率可能会发生偏移。

利用锁相环技术，可以实现信号的恢复和重构，使得接收到的信号能够与发送端的时钟信号同步，从而实现可靠的数据传输。

此外，锁相环还能够用于频率合成器的设计，通过对参考信号施加锁相环控制，可以获得稳定的输出频率信号，满足系统对时钟信号稳定性和频率准确性的要求。

在测量和控制系统中，锁相环也具有重要的应用价值。

例如，在频谱分析仪中，为了获得更加精确的频率测量结果，可以采用锁相环技术来提高频率测量的准确性和稳定性。

在激光干涉仪中，锁相环可以实现对干涉信号的稳定检测和测量，从而提高仪器的测量精度。

在实时控制系统中，锁相环也可以用于对时间基准信号的稳定提取和跟踪，保证系统的稳定性和精度。

总之，锁相环作为一种重要的控制技术，在通信、测量、控制等领域都有着广泛的应用前景。

通过对锁相环原理的深入理解和应用，可以有效地提高系统的稳定性和可靠性，满足不同领域对于信号同步、频率稳定和相位精度的需求。

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。