目录
1. 锁相环技术的产生背景 ........................................................................................ 1
2. 锁相环概述 ............................................................................................................ 2
2.1 锁相环定义 .................................................................................................... 2
2.2 锁相环的组成部分 ........................................................................................ 2
2.3 锁相环的分类与特点 .................................................................................... 3
2.4 锁相环的优点 ................................................................................................ 4
3. 模拟锁相环与数字锁相环 .................................................................................... 4
3.1 模拟锁相环 .................................................................................................... 4
3.1.1 模拟锁相环的基本结构 ...................................................................... 4
3.1.2 模拟锁相环的工作原理 ...................................................................... 5
3.2 全数字锁相环 .............................................................................................. 6
3.2.1 全数字锁相环的基本结构 .................................................................... 6
3.2.2 全数字锁相环的工作原理 .................................................................. 7
4. 锁相环技术的应用及发展 .................................................................................... 8
4.1 锁相环的应用 ................................................................................................ 8
4.2 锁相环的发展 ................................................................................................ 8
1. 锁相环技术的产生背景
锁相环路是一种反馈电路，锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop，简称PLL，是指一种电路或者模块,它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。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。
锁相环路诞生于20世纪30年代。在40年代开始在电视接收技术中得到广泛应用。此后空间技术的发展又极大的促进了锁相技术的发展，现已广泛应用于电子技术的各个领域。随着数字电路技术的发展，数字锁相环在调制解调、频率合成、FM 立体声解码、彩色副载波同步、图象处理等各个方面得到了广泛的应用。数字锁相环不仅吸收了数字电路可靠性高、体积小、价格低等优点，还解决了模拟锁相环的直流零点漂移、器件饱和及易受电源和环境温度变化等缺点，此外还具有对离散样值的实时处理能力，已成为锁相技术发展的方向。锁相环是一个相位反馈控制系统，在数字锁相环中，由于误差控制信号是离散的数字信号，而不是模拟电压，因而受控的输出电压的改变是离散的而不是连续的；此外，环路组成部件也全用数字电路实现，故而这种锁相环就称之为全数字锁相环。 近年来，锁相技术在通信、航天、测量、电视、原子能、电机控制等领域，能够高性能地完成信号的提取、信号的跟踪与同步，模拟和数字通信的调制与解调、频率合成、滤波等功能，已经成为电子设备中常用的基本部件之一。特别是在数字通信的调制解调、位同步、频率合成中常常要用到各种各样的锁相环。锁相环是一个相位误差控制系统，它比较输入信号和振荡器输出信号之间的相位差，从而产生误差控制信号来调整振荡器的频率，以达到与输入信号同频同相的目的。锁相技术的核心是锁相环路，所谓的锁相环路是一个实现相位自动锁定的控制系统。
2. 锁相环概述
2.1 锁相环定义
锁相环是一种相位反馈的闭环自动控制系统,环路锁定之后,平均稳态频差等于零,稳态相差为固定值， 锁相环的这一重要特征使其在电视、通信、雷达、 遥测遥感、测量仪表,特别是在人造卫星和宇宙飞船的无线电系统中,得到了广泛应用。近年来,锁相环路的研究日趋深入,应用更加广泛。由于具有线性性能的锁相环 （这里称为线性锁相环在实际应用中具有不可替代的优势,它能够在很大程度上避免了非线性锁相环的缺陷,因此,人们一直没有放弃对线性锁相环的研究,并极力主张开发锁相环的线性应用范围* 但目前基本锁相环很难在线性范围内达到实际要求,其环路性能远不如非线性锁相环的性能好,当频差较大时,由于环路已超出线性工作范围,它根本不能锁定,或者能锁定但锁定时间较长,这要求对锁相环路进行改进,使其具有良好的线性性能。
2.2 锁相环的组成部分
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。一般情形下,这种锁相环的三个组成部分和相应的运作机理是：
1 鉴相器：用于判断锁相器所输出的时钟信号和接收信号中的时钟的相差的幅度;
2 可调相/调频的时钟发生器器：用于根据鉴相器所输出的信号来适当的调节锁相器内部的时钟输出信号的频率或者相位,使得锁相器完成上述的固定相差功能;
3 环路滤波器：用于对鉴相器的输出信号进行滤波和平滑,大多数情形下是一个低通滤波器,用于滤除由于数据的变化和其他不稳定因素对整个模块的影响。 从上可以看出,大致有如下框图：
┌─────┐ ┌─────┐ ┌───────┐ →─┤ 鉴相器 ├─→─┤环路滤波器├─→─┤受控时钟发生器├→┬
└──┬──┘ └─────┘ └───────┘ │ ↑ ↓ └──────────────────────────┘
可见,是一个负反馈环路结构,所以一般称为锁相环（PLL: Phase Locking Loop） 锁相环有很多种类,可以是数字的也可以是模拟的也可以是混合的,可以用于恢复载波也可以用于恢复基带信号时钟。
2.3 锁相环的分类与特点
锁相环路种类繁多，大致可将其分类如下：
(1)按输入信号分：
①恒定输入环路－用于稳频系统。
②随动输入环路－用于跟踪系统。
(2)按环路部件分：
①模拟锁相环路－环路部件采用模拟电路。
②取样锁相环路－将模拟锁相环路中普通鉴相器改为取样保持鉴相器就构成取样锁相环路。
③数字锁相环路－环路部件采用数字电路。根据环路部件是部分还是全部采用数字电路有部分数字环和全数字环。
④集成锁相环路－环路部件采用集成电
锁相环的特点概括起来就是“稳”、“窄”、“抗”、“同步”。
“稳”指的是锁相环的基本性能是输出信号频率稳定的跟踪输入信号的频率，它们不存在频率差而只有很小的稳态相位差。因此可以用锁相环做成稳频系统，例如微波稳频信号源，原子频率标准等。
“窄”指的是锁相环具有窄带跟踪性能。正是因为它的窄带特性，可以做成窄带跟踪滤波器。从输入的已调信号中提取基准的载波信号，实现相干性。因此在相干通信中得到广泛应用。
“抗”指的是锁相环的抗干扰性能，抑制噪声性能。理论分析表明，锁相环的环路信噪比比输入信噪比小得多，所以它可以广泛用于抗噪声干扰的装置。同时，锁相环又可以将深埋于噪声中的信息提取出来，因此它在弱信号提取方面发
挥了很大的作用。
“同步”是指锁相环的同步跟踪性能。如果数字信号本身含有位同步信息，利用锁相环可以从数字信号本身来提取位同步信号，所以锁相环在数字通信等系统中广泛的用做位同步装置。
2.4 锁相环的优点
(1)可以实现理想的频率控制。这是由于环路锁定时，环路输出无剩余稳态频差存在所致。
(2)可以不用谐振线圈而具有较高的选择性。
(3)门限性能好。锁相环用做调频信号解调器时，其门限性能要比普通鉴相器要改善5db左右。
(4)易于集成化与数字化。组成环路的基本部件易于采用模拟集成电路，环路实现数字化后，更易于采用数字集成电路。锁相环的集成化、数字化为减小体积、降低成本、提高可靠性实现多用途提供了有利条件。
3. 模拟锁相环与数字锁相环
3.1 模拟锁相环
3.1.1 模拟锁相环的基本结构
锁相环路是一种反馈电路，锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop,简称PLL。模拟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。
3.1.2 模拟锁相环的工作原理
锁相环其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步。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。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共享同一个采样时钟。因此，所有各自的本地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。
当压控振荡器的频率由于某种原因而发生变化时，必然引起相位的变化，该相位变化在鉴相器中与参考晶体的稳定相位相比较，使鉴相器输出一个与相位误差信号成比例的误差电压Ud，经过低通滤波器，取出其中缓慢变动数值，将压控振荡器的输出频率拉回到稳定的值上来，从而实现了相位负反馈控制。锁相环的工作原理：
a. 压控振荡器的输出经过采集并分频；
b. 和基准信号同时输入鉴相器；
c. 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； d. 控制VCO，使它的频率改变；
e. 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。
锁相环可以用来实现输出和输入两个信号之间的相位同步。当没有基准（参考）输入信号时，环路滤波器的输出为零（或为某一固定值）。这时，压控振荡器VCO按其固有频率fv进行自由振荡。当有频率为fR的参考信号输入时，Ur 和Uv同时加到鉴相器进行鉴相。如果fr和fv相差不大，鉴相器对Ur和Uv进行鉴相的结果，输出一个与Ur和Uv的相位差成正比的误差电压Ud，再经过环路滤波器滤去Ud中的高频成分，输出一个控制电压Uc，Uc将使压控振荡器的频率fv（和相位）发生变化，朝着参考输入信号的频率靠拢，最后使fv=fr，环路锁
定。环路一旦进入锁定状态后，压控振荡器的输出信号与环路的输入信号（参考信号）之间只有一个固定的稳态相位差，而没有频差存在。这时我们就称环路已被锁定。
环路的锁定状态是对输入信号的频率和相位不变而言的，若环路输入的是频率和相位不断变化的信号，而且环路能使压控振荡器的频率和相位不断地跟踪输入信号的频率和相位变化，则这时环路所处的状态称为跟踪状态。锁相环路在锁定后，不仅能使输出信号频率与输入信号频率严格同步，而且还具有频率跟踪特性，所以它在电子技术的各个领域中都有着广泛的应用。
3.2 全数字锁相环
3.2.1 全数字锁相环的基本结构
所谓数字PLL，就是指应用于数字系统的PLL，也就是说数字PLL中的各个模块都是以数字器件来实现的，是一个数字的电路。 数字锁相环的优点是电路最简单有效,可采用没有压控的晶振,降低了成本,提高了晶振的稳定性。但缺点是和模拟锁相环一样,一旦失去基准频率,输出频率立刻跳回振荡器本身的频率;另外还有一个缺点,就是当进行频率调整的时候，输出频率会产生抖动，频差越大，抖动会越大于密，不利于某些场合的应用。随着大规模、超高速的数字集成电路的发展，为数字锁相环路的研究与应用提供了广阔空间。由于晶体振荡器和数字调整技术的加盟，可以在不降低振荡器的频率稳定度的情况下，加大频率的跟踪范围，从而提高整个环路工作的稳定性与可靠性。
锁相环是一个相位反馈控制系统，在数字锁相环中，由于误差控制信号是离散的数字信号，而不是模拟电压，因而受控的输出电压的改变是离散的而不是连续的;此外，环路组成部件也全用数字电路实现，故而这种锁相环就称之为全数字锁相环(简称PLL)。全数字锁相环主要由数字鉴相器、可逆计数器、频率切换电路及N分频器四部分组成。其中可逆计数器及N分频器的时钟由外部晶振提供。不用VCO，可大大减轻温度及电源电压变化对环路的影响。同时，采用在系统可编程芯片实现有利于提高系统的集成度和可靠性。
一阶全数字锁相环的基本结构如图所示。主要由鉴相器、K变模可逆计数器、脉冲加减电路和除N计数器四部分构成。K变模计数器和脉冲加减电路的时钟分
别为Mfc和2Nfc。这里fc是环路中心频率，一般情况下M和N都是2的整数幂。本设计中两个时钟使用相同的系统时钟信号。
图1.2 数字锁相环基本结构
3.2.2 全数字锁相环的工作原理
当环路失锁时，异或门鉴相器比较输入信号(fin)和输出信号(fout)之间的相位差异，并产生K变模可逆计数器的计数方向控制信号(dnup)； K变模可逆计数器根据计数方向控制信号(dnup)调整计数值，dnup为高进行减计数，并当计数值到达0时，输出借位脉冲信号(borrow)；为低进行加计数，并当计数值达到预设的K模值时，输出进位脉冲信号(carryo)；脉冲加减电路则根据进位脉冲信号(carryo)和借位脉冲信号(borrow)在电路输出信号(idout)中进行脉冲的增加和扣除操作，来调整输出信号的频率；重复上面的调整过程，当环路进入锁定状态时，异或门鉴相器的输出se为一占空比50%的方波，而K变模可逆计数器则周期性地产生进位脉冲输出carryo和借位脉冲输出borrow，导致脉冲加减电路的输出idout周期性的加入和扣除半个脉冲。这样对于输出的频率没有影响，也正是基于这种原理，可以把等概率出现的噪声很容易的去掉。
环路滤波器的性能优劣会直接影响到跟踪环路的性能。而采用数字化的环路滤波器便于调试参数和提高系统可靠性。环路滤波器的输出要直接控制频率合成器产生相应频率，使本地伪码能够准确跟踪发端信息。数字环中使用的数字环路滤波器与模拟环中使用的环路滤波器作用一样，都对噪声及高频分量起抑制作用，并且控制着环路相位校正的速度与精度。适当选择滤波器的参数，可以改善环路的性能。数字环路滤波器的设计原理是建立在模拟环路滤波器的基础上的。
4. 锁相环技术的应用及发展
4.1 锁相环的应用
（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。
2．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。
4.2 锁相环的发展
传统的数字锁相环系统是希望通过采用具有低通特性的环路滤波器，获得稳定的振荡控制数据。对于高阶全数字锁相环，其数字滤波器常常采用基于DSP的运算电路。这种结构的锁相环，当环路带宽很窄时，环路滤波器的实现将需要很大的电路量，这给专用集成电路的应用和片上系统SOC（system on chip）的设计带来一定困难。另一种类型的全数字锁相环是采用脉冲序列低通滤波计数电路作为环路滤波器，如随机徘徊序列滤波器、先N 后M 序列滤波器等。这些电路通过对鉴相模块产生的相位误差脉冲进行计数运算，获得可控振荡器模块的振荡控制参数。
目前，已有单片集成全数字锁相环的商用产品，但作为某一个实际项目设计，需要的锁相电路特性不尽相同，有些现成的产品，不是成本高、体积大、资源浪费多，就是不能完全满足设计性能的要求。根据位移检测的特点，采用高密度可编程逻辑器件，可根据实际要求，充分利用器件资源，同时把一些相关的数字电路组合在一起，不仅提高了系统的集成度和可靠性，降低了功耗，降低了成本。而且使电路性能得到明显改善。
目录
1. 锁相环技术的产生背景 ........................................................................................ 1
2. 锁相环概述 ............................................................................................................ 2
2.1 锁相环定义 .................................................................................................... 2
2.2 锁相环的组成部分 ........................................................................................ 2
2.3 锁相环的分类与特点 .................................................................................... 3
2.4 锁相环的优点 ................................................................................................ 4
3. 模拟锁相环与数字锁相环 .................................................................................... 4
3.1 模拟锁相环 .................................................................................................... 4
3.1.1 模拟锁相环的基本结构 ...................................................................... 4
3.1.2 模拟锁相环的工作原理 ...................................................................... 5
3.2 全数字锁相环 .............................................................................................. 6
3.2.1 全数字锁相环的基本结构 .................................................................... 6
3.2.2 全数字锁相环的工作原理 .................................................................. 7
4. 锁相环技术的应用及发展 .................................................................................... 8
4.1 锁相环的应用 ................................................................................................ 8
4.2 锁相环的发展 ................................................................................................ 8
1. 锁相环技术的产生背景
锁相环路是一种反馈电路，锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop，简称PLL，是指一种电路或者模块,它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。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。
锁相环路诞生于20世纪30年代。在40年代开始在电视接收技术中得到广泛应用。此后空间技术的发展又极大的促进了锁相技术的发展，现已广泛应用于电子技术的各个领域。随着数字电路技术的发展，数字锁相环在调制解调、频率合成、FM 立体声解码、彩色副载波同步、图象处理等各个方面得到了广泛的应用。数字锁相环不仅吸收了数字电路可靠性高、体积小、价格低等优点，还解决了模拟锁相环的直流零点漂移、器件饱和及易受电源和环境温度变化等缺点，此外还具有对离散样值的实时处理能力，已成为锁相技术发展的方向。锁相环是一个相位反馈控制系统，在数字锁相环中，由于误差控制信号是离散的数字信号，而不是模拟电压，因而受控的输出电压的改变是离散的而不是连续的；此外，环路组成部件也全用数字电路实现，故而这种锁相环就称之为全数字锁相环。 近年来，锁相技术在通信、航天、测量、电视、原子能、电机控制等领域，能够高性能地完成信号的提取、信号的跟踪与同步，模拟和数字通信的调制与解调、频率合成、滤波等功能，已经成为电子设备中常用的基本部件之一。特别是在数字通信的调制解调、位同步、频率合成中常常要用到各种各样的锁相环。锁相环是一个相位误差控制系统，它比较输入信号和振荡器输出信号之间的相位差，从而产生误差控制信号来调整振荡器的频率，以达到与输入信号同频同相的目的。锁相技术的核心是锁相环路，所谓的锁相环路是一个实现相位自动锁定的控制系统。
2. 锁相环概述
2.1 锁相环定义
锁相环是一种相位反馈的闭环自动控制系统,环路锁定之后,平均稳态频差等于零,稳态相差为固定值， 锁相环的这一重要特征使其在电视、通信、雷达、 遥测遥感、测量仪表,特别是在人造卫星和宇宙飞船的无线电系统中,得到了广泛应用。近年来,锁相环路的研究日趋深入,应用更加广泛。由于具有线性性能的锁相环 （这里称为线性锁相环在实际应用中具有不可替代的优势,它能够在很大程度上避免了非线性锁相环的缺陷,因此,人们一直没有放弃对线性锁相环的研究,并极力主张开发锁相环的线性应用范围* 但目前基本锁相环很难在线性范围内达到实际要求,其环路性能远不如非线性锁相环的性能好,当频差较大时,由于环路已超出线性工作范围,它根本不能锁定,或者能锁定但锁定时间较长,这要求对锁相环路进行改进,使其具有良好的线性性能。
2.2 锁相环的组成部分
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。一般情形下,这种锁相环的三个组成部分和相应的运作机理是：
1 鉴相器：用于判断锁相器所输出的时钟信号和接收信号中的时钟的相差的幅度;
2 可调相/调频的时钟发生器器：用于根据鉴相器所输出的信号来适当的调节锁相器内部的时钟输出信号的频率或者相位,使得锁相器完成上述的固定相差功能;
3 环路滤波器：用于对鉴相器的输出信号进行滤波和平滑,大多数情形下是一个低通滤波器,用于滤除由于数据的变化和其他不稳定因素对整个模块的影响。 从上可以看出,大致有如下框图：
┌─────┐ ┌─────┐ ┌───────┐ →─┤ 鉴相器 ├─→─┤环路滤波器├─→─┤受控时钟发生器├→┬
└──┬──┘ └─────┘ └───────┘ │ ↑ ↓ └──────────────────────────┘
可见,是一个负反馈环路结构,所以一般称为锁相环（PLL: Phase Locking Loop） 锁相环有很多种类,可以是数字的也可以是模拟的也可以是混合的,可以用于恢复载波也可以用于恢复基带信号时钟。
2.3 锁相环的分类与特点
锁相环路种类繁多，大致可将其分类如下：
(1)按输入信号分：
①恒定输入环路－用于稳频系统。
②随动输入环路－用于跟踪系统。
(2)按环路部件分：
①模拟锁相环路－环路部件采用模拟电路。
②取样锁相环路－将模拟锁相环路中普通鉴相器改为取样保持鉴相器就构成取样锁相环路。
③数字锁相环路－环路部件采用数字电路。根据环路部件是部分还是全部采用数字电路有部分数字环和全数字环。
④集成锁相环路－环路部件采用集成电
锁相环的特点概括起来就是“稳”、“窄”、“抗”、“同步”。
“稳”指的是锁相环的基本性能是输出信号频率稳定的跟踪输入信号的频率，它们不存在频率差而只有很小的稳态相位差。因此可以用锁相环做成稳频系统，例如微波稳频信号源，原子频率标准等。
“窄”指的是锁相环具有窄带跟踪性能。正是因为它的窄带特性，可以做成窄带跟踪滤波器。从输入的已调信号中提取基准的载波信号，实现相干性。因此在相干通信中得到广泛应用。
“抗”指的是锁相环的抗干扰性能，抑制噪声性能。理论分析表明，锁相环的环路信噪比比输入信噪比小得多，所以它可以广泛用于抗噪声干扰的装置。同时，锁相环又可以将深埋于噪声中的信息提取出来，因此它在弱信号提取方面发
挥了很大的作用。
“同步”是指锁相环的同步跟踪性能。如果数字信号本身含有位同步信息，利用锁相环可以从数字信号本身来提取位同步信号，所以锁相环在数字通信等系统中广泛的用做位同步装置。
2.4 锁相环的优点
(1)可以实现理想的频率控制。这是由于环路锁定时，环路输出无剩余稳态频差存在所致。
(2)可以不用谐振线圈而具有较高的选择性。
(3)门限性能好。锁相环用做调频信号解调器时，其门限性能要比普通鉴相器要改善5db左右。
(4)易于集成化与数字化。组成环路的基本部件易于采用模拟集成电路，环路实现数字化后，更易于采用数字集成电路。锁相环的集成化、数字化为减小体积、降低成本、提高可靠性实现多用途提供了有利条件。
3. 模拟锁相环与数字锁相环
3.1 模拟锁相环
3.1.1 模拟锁相环的基本结构
锁相环路是一种反馈电路，锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop,简称PLL。模拟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。
3.1.2 模拟锁相环的工作原理
锁相环其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步。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。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共享同一个采样时钟。因此，所有各自的本地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。
当压控振荡器的频率由于某种原因而发生变化时，必然引起相位的变化，该相位变化在鉴相器中与参考晶体的稳定相位相比较，使鉴相器输出一个与相位误差信号成比例的误差电压Ud，经过低通滤波器，取出其中缓慢变动数值，将压控振荡器的输出频率拉回到稳定的值上来，从而实现了相位负反馈控制。锁相环的工作原理：
a. 压控振荡器的输出经过采集并分频；
b. 和基准信号同时输入鉴相器；
c. 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； d. 控制VCO，使它的频率改变；
e. 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。
锁相环可以用来实现输出和输入两个信号之间的相位同步。当没有基准（参考）输入信号时，环路滤波器的输出为零（或为某一固定值）。这时，压控振荡器VCO按其固有频率fv进行自由振荡。当有频率为fR的参考信号输入时，Ur 和Uv同时加到鉴相器进行鉴相。如果fr和fv相差不大，鉴相器对Ur和Uv进行鉴相的结果，输出一个与Ur和Uv的相位差成正比的误差电压Ud，再经过环路滤波器滤去Ud中的高频成分，输出一个控制电压Uc，Uc将使压控振荡器的频率fv（和相位）发生变化，朝着参考输入信号的频率靠拢，最后使fv=fr，环路锁
定。环路一旦进入锁定状态后，压控振荡器的输出信号与环路的输入信号（参考信号）之间只有一个固定的稳态相位差，而没有频差存在。这时我们就称环路已被锁定。
环路的锁定状态是对输入信号的频率和相位不变而言的，若环路输入的是频率和相位不断变化的信号，而且环路能使压控振荡器的频率和相位不断地跟踪输入信号的频率和相位变化，则这时环路所处的状态称为跟踪状态。锁相环路在锁定后，不仅能使输出信号频率与输入信号频率严格同步，而且还具有频率跟踪特性，所以它在电子技术的各个领域中都有着广泛的应用。
3.2 全数字锁相环
3.2.1 全数字锁相环的基本结构
所谓数字PLL，就是指应用于数字系统的PLL，也就是说数字PLL中的各个模块都是以数字器件来实现的，是一个数字的电路。 数字锁相环的优点是电路最简单有效,可采用没有压控的晶振,降低了成本,提高了晶振的稳定性。但缺点是和模拟锁相环一样,一旦失去基准频率,输出频率立刻跳回振荡器本身的频率;另外还有一个缺点,就是当进行频率调整的时候，输出频率会产生抖动，频差越大，抖动会越大于密，不利于某些场合的应用。随着大规模、超高速的数字集成电路的发展，为数字锁相环路的研究与应用提供了广阔空间。由于晶体振荡器和数字调整技术的加盟，可以在不降低振荡器的频率稳定度的情况下，加大频率的跟踪范围，从而提高整个环路工作的稳定性与可靠性。
锁相环是一个相位反馈控制系统，在数字锁相环中，由于误差控制信号是离散的数字信号，而不是模拟电压，因而受控的输出电压的改变是离散的而不是连续的;此外，环路组成部件也全用数字电路实现，故而这种锁相环就称之为全数字锁相环(简称PLL)。全数字锁相环主要由数字鉴相器、可逆计数器、频率切换电路及N分频器四部分组成。其中可逆计数器及N分频器的时钟由外部晶振提供。不用VCO，可大大减轻温度及电源电压变化对环路的影响。同时，采用在系统可编程芯片实现有利于提高系统的集成度和可靠性。
一阶全数字锁相环的基本结构如图所示。主要由鉴相器、K变模可逆计数器、脉冲加减电路和除N计数器四部分构成。K变模计数器和脉冲加减电路的时钟分
别为Mfc和2Nfc。这里fc是环路中心频率，一般情况下M和N都是2的整数幂。本设计中两个时钟使用相同的系统时钟信号。
图1.2 数字锁相环基本结构
3.2.2 全数字锁相环的工作原理
当环路失锁时，异或门鉴相器比较输入信号(fin)和输出信号(fout)之间的相位差异，并产生K变模可逆计数器的计数方向控制信号(dnup)； K变模可逆计数器根据计数方向控制信号(dnup)调整计数值，dnup为高进行减计数，并当计数值到达0时，输出借位脉冲信号(borrow)；为低进行加计数，并当计数值达到预设的K模值时，输出进位脉冲信号(carryo)；脉冲加减电路则根据进位脉冲信号(carryo)和借位脉冲信号(borrow)在电路输出信号(idout)中进行脉冲的增加和扣除操作，来调整输出信号的频率；重复上面的调整过程，当环路进入锁定状态时，异或门鉴相器的输出se为一占空比50%的方波，而K变模可逆计数器则周期性地产生进位脉冲输出carryo和借位脉冲输出borrow，导致脉冲加减电路的输出idout周期性的加入和扣除半个脉冲。这样对于输出的频率没有影响，也正是基于这种原理，可以把等概率出现的噪声很容易的去掉。
环路滤波器的性能优劣会直接影响到跟踪环路的性能。而采用数字化的环路滤波器便于调试参数和提高系统可靠性。环路滤波器的输出要直接控制频率合成器产生相应频率，使本地伪码能够准确跟踪发端信息。数字环中使用的数字环路滤波器与模拟环中使用的环路滤波器作用一样，都对噪声及高频分量起抑制作用，并且控制着环路相位校正的速度与精度。适当选择滤波器的参数，可以改善环路的性能。数字环路滤波器的设计原理是建立在模拟环路滤波器的基础上的。
4. 锁相环技术的应用及发展
4.1 锁相环的应用
（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。
2．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。
4.2 锁相环的发展
传统的数字锁相环系统是希望通过采用具有低通特性的环路滤波器，获得稳定的振荡控制数据。对于高阶全数字锁相环，其数字滤波器常常采用基于DSP的运算电路。这种结构的锁相环，当环路带宽很窄时，环路滤波器的实现将需要很大的电路量，这给专用集成电路的应用和片上系统SOC（system on chip）的设计带来一定困难。另一种类型的全数字锁相环是采用脉冲序列低通滤波计数电路作为环路滤波器，如随机徘徊序列滤波器、先N 后M 序列滤波器等。这些电路通过对鉴相模块产生的相位误差脉冲进行计数运算，获得可控振荡器模块的振荡控制参数。
目前，已有单片集成全数字锁相环的商用产品，但作为某一个实际项目设计，需要的锁相电路特性不尽相同，有些现成的产品，不是成本高、体积大、资源浪费多，就是不能完全满足设计性能的要求。根据位移检测的特点，采用高密度可编程逻辑器件，可根据实际要求，充分利用器件资源，同时把一些相关的数字电路组合在一起，不仅提高了系统的集成度和可靠性，降低了功耗，降低了成本。而且使电路性能得到明显改善。