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锁相环（Phase Locked Loop，PLL）是一种常见的电路和信号处理技术，可以在通信、数字信号处理、频率合成和时钟恢复等领域中得到广泛应用。本文将介绍锁相环的组成和原理，以及其在实际应用中的具体情况。
- 锁相环的组成
锁相环由三个主要部分组成：相位检测器（Phase Detector，PD）、控制电压振荡器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）和低通滤波器（Low Pass Filter，LPF）。此外，锁相环中还包括参考信号源和输出信号。
（1）相位检测器（PD）
相位检测器是锁相环的核心部分，主要用于比较参考信号和输出信号之间的相位差，并产生一个控制信号来调整VCO的频率和相位。常用的相位检测器有比较器（Comparator）和环路滤波器（Loop Filter）。
（2）控制电压振荡器（VCO）
控制电压振荡器是锁相环的另一个关键组成部分，它的输出频率和相位可以通过输入的电压来控制。在锁相环中，VCO的输出信号被用作下一级电路的参考信号。
（3）低通滤波器（LPF）
低通滤波器主要用于去除VCO输出信号中的高频成分，使得输出信号更加平滑和稳定。通常，LPF的时间常数应该与锁相环的环路带宽相匹配，以确保锁相环的稳定性和追踪性。
- 锁相环的原理
锁相环的基本原理是通过反馈机制来比较参考信号和输出信号的相位差，并控制VCO的频率和相位，使得输出信号的相位与参考信号保持同步。具体来说，锁相环的工作流程如下：
（1）将参考信号和VCO输出信号输入到相位检测器中，比较两者的相位差。
（2）相位检测器产生一个控制信号，通过低通滤波器传递到VCO中，调整VCO的频率和相位，使得输出信号的相位与参考信号保持同步。
（3）输出信号被反馈到相位检测器中，与参考信号再次比较，不断迭代调整VCO的频率和相位，直到输出信号与参考信号的相位差为零。
- 锁相环的应用
锁相环在通信、数字信号处理、频率合成和时钟恢复等领域中都有广泛的应用。下面将介绍一些典型的应用场景。
（1）时钟恢复
时钟恢复是一种在数字通信中常用的技术，用于从接收到的数字信号中恢复出时钟信号。锁相环可以通过反馈控制VCO的频率和相位，使得VCO输出的时钟信号与接收到的数字信号同步，从而实现时钟恢复。
（2）频率合成
频率合成是一种将低频信号合成为高频信号的技术。锁相环可以通过控制VCO的频率，将参考信号的频率乘上VCO的倍频系数，从而合成高频信号。
（3）调制解调
调制解调是一种在通信中常用的技术，用于将信息信号调制成载波信号，传输到接收端后再解调出原始信息信号。锁相环可以通过控制VCO的相位和频率，实现载波信号的相位和频率同步，从而实现调制解调。
（4）数字信号处理
在数字信号处理中，锁相环可以用来对时序和相位进行同步和校准。例如，锁相环可以用来校准数字时钟信号的相位，使得多个时钟信号的相位同步，从而提高数字信号处理的精度和稳定性。
总之，锁相环作为一种常用的信号处理技术，在各个领域中都有广泛的应用。随着技术的不断进步，锁相环的应用也在不断拓展和深化。
处理、频率合成和时钟恢复等领域中都有广泛的应用。下面将介绍一些典型的应用场景。
（1）时钟恢复
时钟恢复是一种在数字通信中常用的技术，用于从接收到的数字信号中恢复出时钟信号。锁相环可以通过反馈控制VCO的频率和相位，使得VCO输出的时钟信号与接收到的数字信号同步，从而实现时钟恢复。
（2）频率合成
频率合成是一种将低频信号合成为高频信号的技术。锁相环可以通过控制VCO的频率，将参考信号的频率乘上VCO的倍频系数，从而合成高频信号。
（3）调制解调
调制解调是一种在通信中常用的技术，用于将信息信号调制成载波信号，传输到接收端后再解调出原始信息信号。锁相环可以通过控制VCO的相位和频率，实现载波信号的相位和频率同步，从而实现调制解调。
（4）数字信号处理
在数字信号处理中，锁相环可以用来对时序和相位进行同步和校准。例如，锁相环可以用来校准数字时钟信号的相位，使得多个时钟信号的相位同步，从而提高数字信号处理的精度和稳定性。
总之，锁相环作为一种常用的信号处理技术，在各个领域中都有广泛的应用。随着技术的不断进步，锁相环的应用也在不断拓展和深化。
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。
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。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，uc(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uc(t)的变化而变化。该特性的表达式为
(8-4-6)
上式说明当uc(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。
锁相环在调制和解调中的应用
(1)调制和解调的概念
为了实现信息的远距离传输，在发信端通常采用调制的方法对信号进行调制，收信端接收到信号后必须进行解调才能恢复原信号。
所谓的调制就是用携带信息的输入信号ui来控制载波信号uC的参数，使载波信号的某一个参数随输入信号的变化而变化。载波信号的参数有幅度、频率和位相，所以，调制有调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)三种。
调幅波的特点是频率与载波信号的频率相等，幅度随输入信号幅度的变化而变化;调 频波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，频率随输入信号幅度的变化而变化;调相波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，相位随输入信号幅度的变化而变化。调 幅波和调频波的示意图如图8-4-4所示。
上图的(a)是输入信号，又称为调制信号;图(b)是载波信号，图(c)是调幅波和调频波信号。
解调是调制的逆过程，它可将调制波uO还原成原信号ui。
锁相环在调频和解调电路中的应用
调频波的特点是频率随调制信号幅度的变化而变化。由8-4-6式可知，压控振荡 器的振荡频率取决于输入电压的幅度。当载波信号的频率与锁相环的固有振荡频率ω0相等时，压控振荡器输出信号的频率将保持ω0不变。若压控振荡器的输入信 号除了有锁相环低通滤波器输出的信号uc外，还有调制信号ui，则压控振荡器输出信号的频率就是以ω0为中心，随调制信号幅度的变化而变化的调频波信号。由此可得调频电路可利用锁相环来组成，由锁相环组成的调频电路组成框图如图8-4-5所示。
根据锁相环的工作原理和调频波的特点可得解调电路组成框图如图8-4-6所示。
锁相环在频率合成电路中的应用
在现代电子技术中，为了得到高精度的振荡频率，通常采用石英晶体振荡器。但石英晶体振荡器的频率不容易改变，利用锁相环、倍频、分频等频率合成技术，可以获得多频率、高稳定的振荡信号输出。
输出信号频率比晶振信号频率大的称为锁相倍频器电路;输出信号频率比晶振信号频率小的称为锁相分频器电路。锁相倍频和锁相分频电路的组成框图如图8-4-7所示。
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提升卡
变色卡
千斤顶
