1、鎖相環路是一種反饋電路，鎖相環的英文全稱是Phase-Locked Loop,簡稱PLL。其作用是使得電路上的時鐘和某一外部時鐘的相位同步。因鎖相環可以實現輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，所以鎖相環通常用于閉環跟蹤電路。鎖相環在工作的過程中，當輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓 的相位被鎖住，這就是鎖相環名稱的由來。 在數據采集系統中，鎖相環是一種非常有用的同步技術，因為通過鎖相環，可以使得不同的數據采集板卡共享同一個采樣時鐘。因此，所有板卡上各自的本地 80MHz和20MHz時基的相位都是同步的，從而采樣時鐘也是同步的。因為

2、每塊板卡的采樣時鐘都是同步的，所以都能嚴格地在同一時刻進行數據采集。鎖相環路是一個相位反饋自動控制系統。它由以下三個基本部件組成：鑒相器（PD）、環路濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO）。 鎖相環的工作原理： 1. 壓控振蕩器的輸出經過采集并分頻； 2. 和基準信號同時輸入鑒相器； 3. 鑒相器通過比較上述兩個信號的頻率差，然后輸出一個直流脈沖電壓； 4. 控制VCO，使它的頻率改變； 5. 這樣經過一個很短的時間，VCO 的輸出就會穩定于某一期望值。 鎖相環可用來實現輸出和輸入兩個信號之間的相位同步。當沒有基準（參考）輸入信號時，環路濾波器的輸出為零（或為某一固定值）。這時，壓控振蕩器按其

3、固有頻率fv進行自由振蕩。當有頻率為fR的參考信號輸入時，uR 和uv同時加到鑒相器進行鑒相。如果fR和fv相差不大，鑒相器對uR和uv進行鑒相的結果，輸出一個與uR和uv的相位差成正比的誤差電壓ud，再經過環路濾波器濾去ud中的高頻成分，輸出一個控制電壓uc，uc將使壓控振蕩器的頻率fv（和相位）發生變化，朝著參考輸入信號的頻率靠攏，最后使fv= fR，環路鎖定。環路一旦進入鎖定狀態后，壓控振蕩器的輸出信號與環路的輸入信號（參考信號）之間只有一個固定的穩態相位差，而沒有頻差存在。這時我們就稱環路已被鎖定。 環路的鎖定狀態是對輸入信號的頻率和相位不變而言的，若環路輸入的是頻率和相位不斷變化的信

4、號，而且環路能使壓控振蕩器的頻率和相位不斷地跟蹤輸入信號的頻率和相位變化，則這時環路所處的狀態稱為跟蹤狀態。 鎖相環路在鎖定后，不僅能使輸出信號頻率與輸入信號頻率嚴格同步，而且還具有頻率跟蹤特性，所以它在電子技術的各個領域中都有著廣泛的應用鎖相環的基本組成許多電子設備要正常工作，通常需要外部的輸入信號與內部的振蕩信號同步，利用鎖相環路就可以實現這個目的。鎖相環路是一種反饋控制電路，簡稱鎖相環（PLL）。鎖相環的特點是：利用外部輸入的參考信號控制環路內部振蕩信號的頻率和相位。因鎖相環可以實現輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，所以鎖相環通常用于閉環跟蹤電路。鎖相環在工作的過程中，當輸出信號的頻

5、率與輸入信號的頻率相等時，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環名稱的由來。鎖相環通常由鑒相器（PD）、環路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）三部分組成，鎖相環組成的原理框圖如圖8-4-1所示。鎖相環中的鑒相器又稱為相位比較器，它的作用是檢測輸入信號和輸出信號的相位差，并將檢測出的相位差信號轉換成uD（t）電壓信號輸出，該信號經低通濾波器濾波后形成壓控振蕩器的控制電壓uC（t），對振蕩器輸出信號的頻率實施控制。2鎖相環的工作原理鎖相環中的鑒相器通常由模擬乘法器組成，利用模擬乘法器組成的鑒相器電路如圖8-4-2所示。鑒相器的工作原理是：設外界輸入的

6、信號電壓和壓控振蕩器輸出的信號電壓分別為：     （8-4-1）     （8-4-2）式中的0為壓控振蕩器在輸入控制電壓為零或為直流電壓時的振蕩角頻率，稱為電路的固有振蕩角頻率。則模擬乘法器的輸出電壓uD為：用低通濾波器LF將上式中的和頻分量濾掉，剩下的差頻分量作為壓控振蕩器的輸入控制電壓uC（t）。即uC（t）為：     （8-4-3）式中的i為輸入信號的瞬時振蕩角頻率，i（t）和O（t）分別為輸入信號和輸出信號的瞬時位相，根據相量的關系可得瞬時頻率和瞬時位相的關系為

7、：      即                         （8-4-4）則，瞬時相位差d為        （8-4-5）對兩邊求微分，可得頻差的關系式為     （8-4-6）上式等于零，說明鎖相環進入

8、相位鎖定的狀態，此時輸出和輸入信號的頻率和相位保持恒定不變的狀態，uc（t）為恒定值。當上式不等于零時，說明鎖相環的相位還未鎖定，輸入信號和輸出信號的頻率不等，uc（t）隨時間而變。因壓控振蕩器的壓控特性如圖8-4-3所示，該特性說明壓控振蕩器的振蕩頻率u以0為中心，隨輸入信號電壓uc（t）的變化而變化。該特性的表達式為     （8-4-6）上式說明當uc（t）隨時間而變時，壓控振蕩器的振蕩頻率u也隨時間而變，鎖相環進入“頻率牽引”，自動跟蹤捕捉輸入信號的頻率，使鎖相環進入鎖定的狀態，并保持0=i的狀態不變。 842鎖相環的應用1鎖相環在調制和解調中的

9、應用（1）調制和解調的概念為了實現信息的遠距離傳輸，在發信端通常采用調制的方法對信號進行調制，收信端接收到信號后必須進行解調才能恢復原信號。所謂的調制就是用攜帶信息的輸入信號ui來控制載波信號uC的參數，使載波信號的某一個參數隨輸入信號的變化而變化。載波信號的參數有幅度、頻率和位相，所以，調制有調幅（AM）、調頻（FM）和調相（PM）三種。調幅波的特點是頻率與載波信號的頻率相等，幅度隨輸入信號幅度的變化而變化；調頻波的特點是幅度與載波信號的幅度相等，頻率隨輸入信號幅度的變化而變化；調相波的特點是幅度與載波信號的幅度相等，相位隨輸入信號幅度的變化而變化。調幅波和調頻波的示意圖如圖8-4-4所示。

10、上圖的（a）是輸入信號，又稱為調制信號；圖（b）是載波信號，圖（c）是調幅波和調頻波信號。 解調是調制的逆過程，它可將調制波uO還原成原信號ui。2鎖相環在調頻和解調電路中的應用調頻波的特點是頻率隨調制信號幅度的變化而變化。由8-4-6式可知，壓控振蕩器的振蕩頻率取決于輸入電壓的幅度。當載波信號的頻率與鎖相環的固有振蕩頻率0相等時，壓控振蕩器輸出信號的頻率將保持0不變。若壓控振蕩器的輸入信號除了有鎖相環低通濾波器輸出的信號uc外，還有調制信號ui，則壓控振蕩器輸出信號的頻率就是以0為中心，隨調制信號幅度的變化而變化的調頻波信號。由此可得調頻電路可利用鎖相環來組成，由鎖相環組成的調頻電路組成框圖

11、如圖8-4-5所示。根據鎖相環的工作原理和調頻波的特點可得解調電路組成框圖如圖8-4-6所示。 3鎖相環在頻率合成電路中的應用在現代電子技術中，為了得到高精度的振蕩頻率，通常采用石英晶體振蕩器。但石英晶體振蕩器的頻率不容易改變，利用鎖相環、倍頻、分頻等頻率合成技術，可以獲得多頻率、高穩定的振蕩信號輸出。輸出信號頻率比晶振信號頻率大的稱為鎖相倍頻器電路；輸出信號頻率比晶振信號頻率小的稱為鎖相分頻器電路。鎖相倍頻和鎖相分頻電路的組成框圖如圖8-4-7所示。圖中的N大于1時，為分頻電路；當0 鎖相環的工作原理2007年08月16日 星期四 上午 11:20鎖相環最基本的結構如圖6.1所示。它由三個基

12、本的部件組成：鑒相器（PD）、環路濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO）。鑒相器是個相位比較裝置。它把輸入信號Si(t)和壓控振蕩器的輸出信號So(t)的相位進行比較，產生對應于兩個信號相位差的誤差電壓Se(t)。     環路濾波器的作用是濾除誤差電壓Se(t)中的高頻成分和噪聲，以保證環路所要求的性能，增加系統的穩定性。     壓控振蕩器受控制電壓Sd(t)的控制，使壓控振蕩器的頻率向輸入信號的頻率靠攏，直至消除頻差而鎖定。鎖相環是個相位誤差控制系統。它比較輸入信號和壓控振蕩器輸出信號之間的相位差，從而產生誤

13、差控制電壓來調整壓控振蕩器的頻率，以達到與輸入信號同頻。在環路開始工作時，如果輸入信號頻率與壓控振蕩器頻率不同，則由于兩信號之間存在固有的頻率差，它們之間的相位差勢必一直在變化，結果鑒相器輸出的誤差電壓就在一定范圍內變化。在這種誤差電壓的控制下，壓控振蕩器的頻率也在變化。若壓控振蕩器的頻率能夠變化到與輸入信號頻率相等，在滿足穩定性條件下就在這個頻率上穩定下來。達到穩定后，輸入信號和壓控振蕩器輸出信號之間的頻差為零，相差不再隨時間變化，誤差電壓為一固定值，這時環路就進入“鎖定”狀態。這就是鎖相環工作的大致過程。     以上的分析是對頻率和相位不變的輸入信

14、號而言的。如果輸入信號的頻率和相位在不斷地變化，則有可能通過環路的作用，使壓控的頻率和相位不斷地跟蹤輸入頻率的變化。     鎖相環具有良好的跟蹤性能。若輸入FM信號時，讓環路通帶足夠寬，使信號的調制頻譜落在帶寬之內，這時壓控振蕩器的頻率跟蹤輸入調制的變化。     對于鎖相環的詳細分析可參閱有關鎖相技術的書籍。在此僅說明鎖相環鑒頻原理。可以簡單地認為壓控振蕩器頻率與輸入信號頻率之間的跟蹤誤差可以忽略。因此任何瞬時，壓控振蕩器的頻率v(t)與FM波的瞬時頻率FM(t)相等。FM波的瞬時角頻率可表示為假設VCO具有線性控制特性，其斜率Kv（壓控靈敏度）為（弧度秒·伏），而VCO在Sd(t)0時的振蕩頻率為o，則當有控制電壓時，VCO的瞬時角頻率為令上兩式相等，即v(t)FM(t)，可得其中o為FM波的載頻，o為壓控振蕩器的固有振蕩頻率，兩者皆為常數。因此上式第一項為直流項，可用隔直元件消除，或者開始時已經把壓控振蕩器的頻率調整為o=o。因此上式還可進一步寫成可見，鎖相環輸出，除了常系數KfKv之外，近似等于原調制波形f(t)，因而達到頻率解調的目的。      同理，鎖相環也可用于解調PM信號，