锁相环原理与应用锁相环原理与应用——电子大赛电子大赛常常 华华20112011年年6 6月月2727日日 PDLPFVCOuiuoucud锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop，简称PLL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路是一种反馈控制电路锁相环的特点是：利锁相环的特点是：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锁相环通常由鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）三部分组成 鉴相器鉴相器PD：：是一个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低通滤波器低通滤波器LPF：：是一个有源或无源低通滤波器其作用是滤除鉴相器输出电压中的高频分量（包括和频及其他的高频噪声），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压控振荡器压控振荡器VCO：：是一个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。
锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成也可以由数字电路组成用低通滤波器LPF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初始的初始的ω0 = ωr ，， ωr指环路无输入信号、指环路无输入信号、环路对环路对VCO无控制作用时无控制作用时VCO的振荡频的振荡频率，称为电路的固有振荡频率或自由震荡率，称为电路的固有振荡频率或自由震荡频率Ad是鉴相器的增益是鉴相器的增益 此时的ωi(t)为输入信号的瞬时振荡角频率， ωo(t)为输出信号的瞬时振荡角频率；φi (t)和φo(t)分别为输入信号和输出信号的瞬时位相瞬时频率（单位时间变化的弧度）（单位时间变化的弧度）和瞬时相位的关系为： 则，瞬时相位差φd为说明：以明：以cos(ω(t)t+φ(t))为例例•瞬瞬时频时频率率为d(ω(t)t+ φ(t))/dt•瞬瞬时时相位相位为ω(t)t+φ(t) 根据 对两边求微分，可得与差频的关系式（瞬时差频）（瞬时差频）为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相等、相位差保持恒定不变的状态，uc的直流分量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的直流分量随时间而变。
因压控振荡器的压控特性为线性，该特性说明VCO的振荡频率ω0(t)以固有频率ωr为中心，随输入信号电压uc的变化而变化该特性的表达式为如果上式等于零，说明 上式说明当uc随时间而变时，VCO的输出振荡频率ωo(t)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(t)=ωi(t)的状态不变锁相：实现相位同步（相差恒定）锁相：实现相位同步（相差恒定）锁相环：能使两个电信号实现相位同步的闭环系统锁相环：能使两个电信号实现相位同步的闭环系统Ao——压控振荡器增益（灵敏度）Uc(t)ωrωo(t)0 锁相环仿真前对一些基本仿真原件的认识——VCO0FM、VCO信号相乘 一种由数字电路组成的鉴相器检测到输入信号过零时开启计数器；检测到参考信号过零时锁定计数器其间计数器内的计数值就是相位差的某种表达该计数值经过A/D后就成为相位差某种表达模拟量RS触发器触发器 PDLPFVCOuiuoucudf1f2’Uφ(t)UI(t)Uo’(t)Ud(t)对锁相环的另一种描述对锁相环的另一种描述反馈过程简单描述：反馈过程简单描述：ωωo o(t)(t)↑→频差频差↓→ PD的直流分量的直流分量↓→ L LPF的直流分量的直流分量↓→ ωωo o(t)(t) ↓→频差频差↑→ PD的直流分量的直流分量↑→ L LPF的直流分量的直流分量↑→ ωωo o(t)(t)↑→循环往复循环往复频差频差=0 → PD的直流分量的直流分量=常数常数→ L LPF的直流分量的直流分量=常数常数→ 能够由失锁进入锁定所允许的最大初始频差能够由失锁进入锁定所允许的最大初始频差| |ΔΔωωi i|=|=ωωi i(t) -ω-ωo o(t) 称为捕捉带称为捕捉带初始时初始时ω0(t)=ωr。
因此最大初始频差也可以写作因此最大初始频差也可以写作ωωi i(t) -ω-ωr r 锁定后，滤波器输出的直流分量为恒定值锁定后，滤波器输出的直流分量为恒定值 锁相环仿真（PLL0）：改变串扰频率、修改滤波器参数、改变ω0等观察0时刻瞬态响应、锁定频率输出例中给的直流电源实际上是（例中给的直流电源实际上是作为初始震荡频率值之用，合作为初始震荡频率值之用，合理设置理设置VCO参数，也可以不用参数，也可以不用直流电源）直流电源） 直观分析：若Δωi很大，其频差值超过LPF的通带，ud不能通过LPF无uc输出，锁相环的输出ω0(t)将维持在VCO固有频率ωr上不变环路无法锁定——失锁若Δω很小，其值在LPF的通带内，ud经LPF产生uc输出，控制VCO的频率，使之在固有频率ωr上下按正弦规律摆动一旦能够摆动到ωi(t)并符合正确的相位关系时，环路锁定，PD的输出uc经LPF后的直流分量保持不变 观察固有震荡频率ωr=0的情况增益需选择合适）低通滤波器的截止频率应控制在最大差频值显然，锁定效果取决于：LPF的截止频率、VCO的自由震荡频率、 VCO的灵敏度、PD的增益描述二阶锁相环的方程是一个二阶非线性微分方程（观察锁定过程）。
在数学上对这一方程尚无严格的求解方法二阶锁相环系统的构成：压控振荡器二阶锁相环系统的构成：压控振荡器VCO可以看成是一可以看成是一个理想的积分器所以从系统的角度来看，如果低通滤个理想的积分器所以从系统的角度来看，如果低通滤波器波器LPF是一阶的，则锁相环是一阶的，则锁相环PLL可以看成一个二阶系可以看成一个二阶系统对一个二阶系统而言，就存在对一个二阶系统而言，就存在ωn、、ξ在同样的在同样的LPF条条件下，件下，VCO灵敏度越高，灵敏度越高， ξ越小（很快锁定）越小（很快锁定） 虚拟锁相环(M)仿真从系统的角度看： 调频波调频波(FM)(FM)锁相解调电路锁相解调电路 实现不失真解调应满足：实现不失真解调应满足：环路的捕捉带环路的捕捉带 | |ΔΔωωi i| |>调频波的最大频偏调频波的最大频偏环路的带宽环路的带宽 > 调制信号的频谱宽度调制信号的频谱宽度设设 VCO 的频率控制特性是线性的的频率控制特性是线性的输入调频波为单音调制时：输入调频波为单音调制时： i(t) = = mcos t 锁相混频锁相混频(AM)(AM)电路电路 混频器输出电压的频率：混频器输出电压的频率：| o(t)- - L|环路锁定时：环路锁定时： i = = | o(t) - - L| 解调电压的复振幅：解调电压的复振幅：振幅调制信号振幅调制信号(AM)(AM)的同步检波的同步检波 锁相倍频电路锁相倍频电路环路的反馈通路中插入分频器。
环路的反馈通路中插入分频器环路锁定时环路锁定时所以： 所以： o o = N i i 锁相环实现锁相环实现FM调制调制——PLL1 锁相环实现锁相环实现AM混频（收音机中放混频（收音机中放465Hz））——PLL3 AMAM调调 制制 信信 号号 的的 同同 步步 检检 波波 （（PLL4PLL4））同步检波：同步检波：除了有需要解调除了有需要解调的调幅信号电压外．还必须的调幅信号电压外．还必须外加一个频率和相位与输入外加一个频率和相位与输入信号载频完全相同的同步信信号载频完全相同的同步信号电压滤波器设计：滤波器设计：截止频率截止频率20kHz20kHz 重要结论： 当ui是固定频率正弦信号(φi(t)为常数)时，在环路的作用下，VCO输出信号频率可以由固有振荡频率ωr（即环路无输入信号、环路对VCO无控制作用时VCO的振荡频率），变化到输入信号频率ωi(t)此时φo(t)也是一个常数，ud、uc的直流分量保持不变直流分量保持不变——此时为环路的锁定状态定义：若用定义：若用Δωi=ωi(t)-ωo(t)为环路频差，用为环路频差，用ΔωP表示表示环路的捕捉带，则环路的捕捉带，则当当|Δωi|<ΔωP时，环路可以进入锁定状态；时，环路可以进入锁定状态；当当|Δωi|>ΔωP时，环路不能进入锁定状态。
时，环路不能进入锁定状态 常用的锁相环电路为一二阶系统系统自然谐振频率ωn及阻尼系数ζ是两个重要参数1.ωn越小，环路的低通特性截止频率越小、等效带通滤波器的带宽越窄；2.ζ越大，环路稳定性越好3.当环路输入端有噪声时，φi(t)将发生抖动，ωn越小，环路滤除噪声的能力越强 相图概念相图概念 以相位差以相位差φe(t)为横坐标，以为横坐标，以d dφe(t)/dt为纵坐标为纵坐标构成构成的平面称为相平面的平面称为相平面相平面内的任意点称为相点，相平面内的任意点称为相点，它表示一个状态点它表示一个状态点系统的状态随时间的变化过程可以用相点在平面上系统的状态随时间的变化过程可以用相点在平面上的移动过程来表示，相点的移动描述出的曲线称为的移动过程来表示，相点的移动描述出的曲线称为相轨迹，绘有相轨迹的平面称为相图相轨迹，绘有相轨迹的平面称为相图 PLLPLL的阶：的阶：因为因为VCOVCO是一个理想的积分器，所以锁相环路的阶是一个理想的积分器，所以锁相环路的阶数为数为n+1n+1，， n n为为LPFLPF的阶数如采用一阶无源如采用一阶无源RCRC积分滤波器时，积分滤波器时，则则PLLPLL为二阶。
锁相环的阶数始终比环路滤波器高一阶采用为二阶锁相环的阶数始终比环路滤波器高一阶采用高阶的环路滤波器，可以使系统在缩短捕捉时间的同时，提高阶的环路滤波器，可以使系统在缩短捕捉时间的同时，提高对相位噪声和寄生干扰的抑制带来的问题是使得对锁相高对相位噪声和寄生干扰的抑制带来的问题是使得对锁相环的理论分析变得非常复杂环的理论分析变得非常复杂一阶锁相环路捕捉过程的讨论一阶锁相环路捕捉过程的讨论无环路滤波器（无环路滤波器（ RC RC积分滤波器）的锁相环为一阶环，其动积分滤波器）的锁相环为一阶环，其动态态方程为方程为uiuoAo/sudAdφφi iφφe eφφo o 设：：输入信号入信号为sin(sin(ωωi i (t)t+t+ φ φi i(t)) )输入相位入相位φφi i(t)，，输出相位出相位φφo o(t)，，输入入/ /输出相位差出相位差φφe e(t)鉴相器增益相器增益A Ad d，，VCOVCO增益增益A Ao o频差差ΔΔωωi i= = ωωi i(t) -ω-ωo o(t)根据系根据系统框框图，有，有φφe e(s) (s) = = φφi i (s)-(s)-φφo o(s) (s) = = φφi i(s)(s) - - φ φe e(s)(s) A Ad dA Ao o/s/s由于相差是以sin函数的形式出现的，故写成上式。
根据瞬时频率（单位时间变化的弧度）（单位时间变化的弧度）和瞬时相位的关系，可得瞬时频率差和瞬时相位差之间的关系： ?? 当外因影响造成当外因影响造成 位于横坐标以上的上半面即相位误差位于横坐标以上的上半面即相位误差φφe e(t)(t) 随时间的随时间的增加而增加而增加，增加，所以相点必然沿着相轨迹从左向右转移所以相点必然沿着相轨迹从左向右转移在图中各在图中各A A、、B B点处均满足点处均满足 条件，环路锁定，条件，环路锁定， A A、、B B点为平衡点点为平衡点 B B点为不稳定平衡点，一旦状态偏离了点为不稳定平衡点，一旦状态偏离了B B点，就会沿箭头所点，就会沿箭头所示方向进一步偏离示方向进一步偏离B B点，最终稳定到邻近的稳定平衡点点，最终稳定到邻近的稳定平衡点A A，，而不可能再返回而不可能再返回B B点即相即相位误差位误差φφe e(t)(t)随时间的增加而减小，随时间的增加而减小，相点必然沿着相规相点必然沿着相规迹从右向左转移迹从右向左转移所以，所以，A A点为稳定的平衡点点为稳定的平衡点相位差的导相位差的导数就是频差数就是频差 随着随着ΔΔωωi i的增加的增加A A、、B B两点逐渐靠近，当两点逐渐靠近，当ΔΔωωi i =A=AΣΣo o时，时，A A、、B B两点重合，无稳定的两点重合，无稳定的平衡点；平衡点；ΔΔωωi i >A>AΣΣo o时，无稳定的平衡点。
时，无稳定的平衡点环路无法锁定环路无法锁定式中：式中：A AΣΣo o= = A Ad dA Ao o锁定状态时锁定状态时的稳态相位的稳态相位差差 定义，环路能够锁定所允许的最大定义，环路能够锁定所允许的最大ΔΔωωi i称为同步带，用称为同步带，用ΔωΔωH H表示一阶环同步带：一阶环同步带：|Δω|ΔωH H |= A |= Ad dA Ao o定义，环路能够锁定所允许的最大定义，环路能够锁定所允许的最大ΔΔωωi i称为捕捉带，用称为捕捉带，用ΔωΔωP P表示一阶环捕捉带：一阶环捕捉带：|Δω|Δωp p |= A|= Ad dA Ao o当当|Δω|Δωi i |< A |< Ad dA Ao o时，因为在每一个时，因为在每一个2 2ππ区间之内都有一个区间之内都有一个稳定的平衡点稳定的平衡点A A，所以不论起始状态处于相轨迹上哪一点，，所以不论起始状态处于相轨迹上哪一点，环路均会在一周期内到达环路均会在一周期内到达A A点 φ φe e(t)(t)的变化量都不会超过的变化量都不会超过2 2ππ即一阶环路捕捉过程不经过周期跳跃即一阶环路捕捉过程不经过周期跳跃一阶环路的同步带、捕捉带相等，在数值上等于环路直流一阶环路的同步带、捕捉带相等，在数值上等于环路直流总增益总增益 例：例：已知一阶锁相环路鉴相器的增益已知一阶锁相环路鉴相器的增益A Ad d=2V=2V，压控振荡器，压控振荡器的增益的增益A Ao o=10=104 4Hz/VHz/V，固有振荡频率，固有振荡频率 f fo o=10=106 6Hz(Hz(ωr= 2 2ππx x10106 6rad/s)rad/s)。
问当输入信号频率问当输入信号频率f fi i=1015x10=1015x103 3HzHz时，环时，环路能否锁定？若能锁定，试求稳态相位差和此时的控制路能否锁定？若能锁定，试求稳态相位差和此时的控制电压解：由题意知，环路的直流总增益解：由题意知，环路的直流总增益 初始时的固有频差初始时的固有频差 所以，环路的捕捉带所以，环路的捕捉带 显然， 环路锁定后的稳态相位误差为 要维持此相差的误差电压为 ，所以环路可以锁定显然，频率捕捉范围为： 例题仿真——unlock仔细观察各个参数的结果实际仿真锁定范围：0.99~1.01MHzVCO参数设置： 此时此时 即压控电压为即压控电压为使使ωωo o(t)(t)在固有震荡频率在固有震荡频率ωωr r上下摆动，上下摆动，所以它们之间的差所以它们之间的差频频ωωi i(t)-(t)- ωωo o(t)(t)也将随时间摆动也将随时间摆动当当|Δω|Δωi i |> A |> Ad dA Ao o时，环路闭合前，时，环路闭合前，VCOVCO的角频率为的角频率为ωωo o(t) =ω(t) =ωr r ( (固有震荡频率固有震荡频率) )环路闭合的瞬间，由环路闭合的瞬间，由PDPD产生产生 的的 当当ωωo o(t) >ω(t) >ωr r时，时， VCO VCO输出上升，输出上升，ωωi i -ω -ωo o减小，相位差的减小，相位差的变化率小变化率小（因为相位差的导数就是频差）（因为相位差的导数就是频差），，φφe e(t)(t)随时间随时间增增长慢长慢（因为（因为相位差变化率小）相位差变化率小）。
当当ωωo o(t) <ω(t) <ωr r时，时， VCO VCO输出下降，输出下降， ωωi i ––ωωo o增大，相位差增大，相位差的变化率大，的变化率大， φ φe e(t)(t)随时间随时间增长快如图如图a a所示失锁时的反馈过程：失锁时的反馈过程：ωωo o(t)(t)↑→频差频差↓→ PD的直流分量的直流分量↓→ ω ωo o(t)(t) ↓→频差频差↑→→ PD的直流分量的直流分量↑→ωωo o(t)(t)↑→循环往复（频差总是不为循环往复（频差总是不为0））失锁时，根据压控电压失锁时，根据压控电压u ud d的波动的波动 显然，显然， u ud d 不再是正弦不再是正弦波，而是正半周时间长、波，而是正半周时间长、负半周时间短的不对称负半周时间短的不对称波形，如图波形，如图b b所示由于所示由于压控振荡器的频率控制压控振荡器的频率控制特性是线性的，压控振特性是线性的，压控振荡器的振荡频率的变化荡器的振荡频率的变化部分与部分与u ud d相同，如图相同，如图c c所所示 由于由于u ud d 波形上下不对称，其直流成分控制波形上下不对称，其直流成分控制VCOVCO，使，使VCOVCO的的平均频率平均频率ωωo(av)o(av)(t)(t)靠近输入信号的频率靠近输入信号的频率 ωωi i(t)(t) 频率牵引（频率牵引（Frequency PullingFrequency Pulling）现象：）现象：环路虽然不能锁定，但由于环路的控制作用，使环路虽然不能锁定，但由于环路的控制作用，使VCOVCO的平的平均频率向均频率向ωωi i(t)(t)接近了的现象。
接近了的现象由于由于ωωo o(t)(t)的平均值由的平均值由ωωr r上升到上升到ωωo(av)o(av)(t)(t) ，这个新的，这个新的ωωo(av)o(av)(t)(t)再与再与ωωi i(t)(t)差拍，得到更低的差拍角频率，相应差拍，得到更低的差拍角频率，相应的的φφe e(t)(t)随时间增长更慢，鉴相器的输出电压的频率更低，随时间增长更慢，鉴相器的输出电压的频率更低，且上、下不对称程度更大，压控振荡器的平均角频率且上、下不对称程度更大，压控振荡器的平均角频率ωωo(av)o(av)(t)(t)比振荡频率比振荡频率ωωo o(t)(t)更接近输入信号角频率更接近输入信号角频率 ωωi i(t)(t)如此如此循环，最终使环路进入快捕状态，通过快捕进入锁定循环，最终使环路进入快捕状态，通过快捕进入锁定 二阶锁相环二阶锁相环一阶环路的缺陷：可供调整的参数只有直流总增益一阶环路的缺陷：可供调整的参数只有直流总增益A Ad dA Ao o，且，且环路的各种重要特性也都由它来决定如若环路的各种重要特性也都由它来决定如若希望环路的同步希望环路的同步范围大和稳态相差小，则要求增益范围大和稳态相差小，则要求增益 A Ad dA Ao o大。
但在大但在增大增大A Ad dA Ao o的的同时，环路的上限频率也提高了同时，环路的上限频率也提高了- A- Ad dA Ao o + ω+ ωo o <ω<ωi i< A< Ad dA Ao o + ω + ωo o 结果将使环路的滤波性能变坏结果将使环路的滤波性能变坏二阶环路的同步带：二阶环路的同步带：|Δω|ΔωH H |= A |= Ad dA Ao oA AF F(0)(0)实际上，任何环路的同步带均等于环路直流总增益实际上，任何环路的同步带均等于环路直流总增益A AΣΣo o在二阶环路中，其捕捉过程中的快捕锁定过程与一阶环路在二阶环路中，其捕捉过程中的快捕锁定过程与一阶环路相同，但其频率牵引过程却与一阶环不同相同，但其频率牵引过程却与一阶环不同( (略略) ) 二阶锁相环捕捉过程的定性讨论二阶锁相环捕捉过程的定性讨论 若若Δωωi i很大，其值超过很大，其值超过LPFLPF的通频带的通频带u ud d不能通过不能通过LPFLPF无无u uc c输出，即输出，即u uc c=0=0，其频率将维持在，其频率将维持在ωωr r上不变环路无法锁上不变环路无法锁定定——失锁若若Δωωi i很小，其值在很小，其值在LFLF的通带内，则的通带内，则u ud d经经LPFLPF产生产生u uc c控制控制VCOVCO的角频率的角频率ωωo o(t)(t)，，使之在使之在ωωr r上下按正弦规律摆动。
一上下按正弦规律摆动一旦能够摆动到旦能够摆动到ωωi i(t)(t)并符合正确的相位关系时，环路锁定，并符合正确的相位关系时，环路锁定，PDPD的输出为的输出为若若Δωωi i处于上两者之间，又有以下两种情况：处于上两者之间，又有以下两种情况： （（A A）） Δωωi i较大，其值虽已超出环路滤波器的通频带范围，较大，其值虽已超出环路滤波器的通频带范围，PDPD的输出通过的输出通过LPFLPF有很大衰减，但仍有有很大衰减，但仍有 u uc c产生，以控制产生，以控制VCOVCO的振荡角频率，只要能使的振荡角频率，只要能使ωωo o(t)(t)摆动到摆动到ωωi i(t)(t)上，环上，环路就能锁定路就能锁定B B）） Δωωi i比（比（A A）大显然，）大显然， u ud d经经LPFLPF后的衰减更大，后的衰减更大，加到加到VCOVCO上的上的u uc c很小VCOVCO的的ωωo o(t)(t)在在ωωr r上、下摆动的幅上、下摆动的幅度更小使度更小使 ωωo o(t)(t)不能摆到不能摆到ωωi i(t)(t)上，上，但但由于由于ωωi i(t)(t)是是恒定的，而恒定的，而 ωωo o(t)(t)又在又在ωωr r上、下摆动，因而上、下摆动，因而他们之间他们之间的的差拍差拍 ωωi i(t)-ω(t)-ωo o(t)(t)将相应随时间摆动。
使将相应随时间摆动使u ud d不再不再是正弦是正弦波，波，而是正半周时间长，负半周时间短的不对称波形而是正半周时间长，负半周时间短的不对称波形 二阶二阶锁相环锁相环捕捉带的简单计算捕捉带的简单计算二阶二阶锁相环锁相环在捕捉过程中，加到在捕捉过程中，加到VCO上的控制电压上的控制电压 环路锁定时环路锁定时 该式即为求该式即为求 Δωωp p的公式AF(Δωωp p) )表示在表示在捕捉带内，环路滤波器的输出电压捕捉带内，环路滤波器的输出电压VCO产生的最大控制频差产生的最大控制频差 PDLPFVCOuiuoucud 例如，采用无源例如，采用无源RC滤波网络的二阶滤波网络的二阶锁相环锁相环：： 则当则当ω=ω=Δωωp p时，由于时，由于令令s=ω=ω=Δωωp p，有，有代入计算代入计算Δωωp p的公式中：的公式中： 例：例：已知二阶锁相环鉴相器的增益已知二阶锁相环鉴相器的增益A Ad d=5V=5V，压控振荡器的增益，压控振荡器的增益A Ao o=4x10=4x103 3Hz/VHz/V，固有振荡频率，固有振荡频率 f fo o=4x10=4x103 3HzHz RC滤波网络的滤波网络的R=100k，，C=100nF，，求输入频率锁定范围（求输入频率锁定范围（pll2ord0pll2ord0）。
解：解：电容换算：1F=1000mF、1mF=1000uF、1uF=1000nF、nF=1000pF 输入频率锁定范围：输入频率锁定范围：-4000+560 < f-4000+560 < fi i（（HzHz）） <4000+560 <4000+560 在一阶在一阶锁相环锁相环中，由于鉴相器输出的控制电压总是小干使压控中，由于鉴相器输出的控制电压总是小干使压控振荡的角频率从振荡的角频率从ωωr r变化到变化到(ωωi i(t)- A(t)- Ad dA Ao o)所需的控制电压，因所需的控制电压，因而尽管它能使压控振荡器的频率向输入信号频率靠近，但不能而尽管它能使压控振荡器的频率向输入信号频率靠近，但不能使环路进入锁定状态使环路进入锁定状态在二阶在二阶锁相环锁相环中，由于有低通滤波器作为环路滤波器，它相当中，由于有低通滤波器作为环路滤波器，它相当于一个积分器，将鉴相器输出的直流分量积分从而使环路滤于一个积分器，将鉴相器输出的直流分量积分从而使环路滤波器输出的控制电压不断增加，使压控振荡器的振荡频率不断波器输出的控制电压不断增加，使压控振荡器的振荡频率不断向输入信号频率靠近，直至环路进入相位锁定状态。
向输入信号频率靠近，直至环路进入相位锁定状态如果有源如果有源积分滤波器为理想积分滤波器，那么不管固有频差为多大，经积分滤波器为理想积分滤波器，那么不管固有频差为多大，经过频率牵引总能使环路达到锁定状态过频率牵引总能使环路达到锁定状态 这就是说，理想积分滤波器作为环路滤波器的二阶环路其捕这就是说，理想积分滤波器作为环路滤波器的二阶环路其捕捉带为无穷宽但实际上，理想的有源积分滤波器是不存在捉带为无穷宽但实际上，理想的有源积分滤波器是不存在的，另外，压控振荡器的频率调整范围是有限的因此，实的，另外，压控振荡器的频率调整范围是有限的因此，实际二阶环路的捕捉频带为有限值际二阶环路的捕捉频带为有限值 集成锁相环集成锁相环CD4046CD4046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 CD4046锁相环内部结构 CD4046锁相环构成的锁相环构成的FM调制电路调制电路CD4046锁相环的应用示例锁相环的应用示例 CD4046锁相环构成的音频压控振荡器 CD4046锁相环构成的频率电压控变换器 CD4046锁相环构成的简易金属探测仪——频率电压控变换器当频率进入到一定的范围即锁定。
滤掉了杂散震荡频率 CD4046锁相环构成的频率合成电路锁相环构成的频率合成电路 倍频电路在流量测量中的应用倍频电路在流量测量中的应用 CD4046锁相环构成的100倍频电路 用用CD4046锁相环和锁相环和三片三片4522组成组成1 ~ 999Hz频率合成器频率合成器 CD4046锁相环构成的锁相环构成的FM调制解调实验电路调制解调实验电路FM输出输出音频输入音频输入音频音频放大放大输出输出FM解调解调FM调制调制 CD4046的中心频率由r4和c4确定，约为100kHzCD4046在不同外部元件参数下的特性曲线红外发射与接收的红外发射与接收的调制解调电路调制解调电路 CD4046锁相环构成的锁相环构成的锁相时钟抑制串模干扰电路锁相时钟抑制串模干扰电路当电网频率不稳定时，仍能获得稳定的输出时钟频率 模拟锁相环模拟锁相环NE564的结构与特点的结构与特点 NE564的压控振荡器(VCO)是改进型射极耦合多谐振荡器，其固有振荡频率ωo与接在12、13端的定时电容C有关 NE564的FM解调电路设计 用NE564组成41.4MHz的FM电路，如图所示FM输入信号的电压vi≥100mV，调制信号的频率fΩ=1KHz，该电路的元件参数设计如下 NE56474LS3936391frf0 =Nfr÷NNE546倍倍频频器器设设计计 锁相环综合应用举例锁相环综合应用举例收音机数字调谐器的构成收音机数字调谐器的构成•双音多频信号（双音多频信号（DTMF）） 低频群低频群L（Hz） 高频群高频群H(Hz)120913361477697123770456852789941*0#每个按纽各由每个按纽各由H和和L中的一个频率组成中的一个频率组成 锁相式双音多频信号（锁相式双音多频信号（DTMF）解码器）解码器 用5087构成双音多频信号（DTMF）发生器 用用LM567进行单一频率检测电路进行单一频率检测电路LM567的中心频率(由5、6脚外围的R、C决定)为fo , 当Vin中包含有fo成分时，则8脚输出低电平，否则高电平 。
1组DTMF信号解码器当输入信号同时包含两个频率(697,1209)时，可输出或逻辑“0” •6组DTMF信号解码器如用7个LM567(见频率组合表)和12个或非门则可解调12组DTMF信号 锁相环数字调谐基本原理锁相环数字调谐基本原理现代的接收机（如电视机、收音机）大多采用超外差接收方式如要接收的信号的载波频率为fC，则接收机要产生一个本振信号超外差接收机中有一个振荡器叫本机振荡器它产生的高频电磁波与所接收的高频信号混合而产生一个差频，这个差频就是中频如要接收的信号是900kHz，本振频率是1365kHz两频率混合后就可以产生一个465kHz的差频接收机中用LC电路选择465kHz作为中频信号因为本振频率比外来信号高465kHz所以叫超外差 在模拟调谐方式中，本振信号一般是由LC振荡回路产生的调谐（调台）时，一般是用改变LC振荡回路中电容的容量（如改变变容二极管的反向偏压或“双联”改变电容），来改变本振信号的频率，从而达到选台的目的在数字调谐在数字调谐(频率合成频率合成)方式中，本振信号则是用锁相环的方法方式中，本振信号则是用锁相环的方法来产生即由晶振电路产生频率高稳定的标准信号，再用锁相来产生。
即由晶振电路产生频率高稳定的标准信号，再用锁相环倍频的方法产生本振信号，通过改变锁相环反馈回路分频比环倍频的方法产生本振信号，通过改变锁相环反馈回路分频比的方法来改变本振信号频率的方法来改变本振信号频率空气双联 电视造形的日本产电视造形的日本产12晶体管收音机晶体管收音机注意其中的：磁棒、线圈、双联调谐器、中周、推挽变压器、喇叭、晶体管、高频电容、电解电容、电阻、电池架 所以数字调谐的关键就是解决如何置数的问题在这个实验中我们是用键盘通过DTMF编解码的方法来置数最终应做到：如要接收某一载波信号（如fC=670kHz）,则只要在键盘上按该载波的数值（即6，7，0三个键），就可得到fL=fC+fI=670+465=1135 kHz的本振信号这里中频fI为465kHz）其中fL本振频率，fI为中频，fC载波频率锁相环发出频率等于给定频率加465 kHz经混频、滤波后得到465kHz的中频信号最后信号发生器输出的载波信号(345KHz正弦波)和本振信号（4046的4脚输出的800 KHz方波）经混频滤波后（用示波器观察） 置数电路方框图置数电路方框图 •键盘和键盘和5087（或（或HM9102D）组成）组成DTMF编码电路。
编码电路•MT8870是是DTMF解码电路解码电路•4017为百、十、个位选择电路为百、十、个位选择电路•4560为加法器为加法器4560的输出作为分频系数送入到由的输出作为分频系数送入到由锁相环构成的倍频器中，锁相环的锁相环构成的倍频器中，锁相环的输出及本振信号输出及本振信号 混频电路（混频电路（MC1496）） 输入信号Us的幅度为15mV ,本振信号UL为TTL电平 滤波器滤波器 MC145 系列集成频率合成器件系列集成频率合成器件 谢 谢 各 位 。