PLL（Phase Locked Loop），也称为锁相环
路（PLL）或锁相环，它能使受控振动器的频率和相位均与输入参阅信号坚持同步，称为相位确认，简称锁相。它是一个以相位差错为操控目标的反应操控体系，是将参阅信号与受控振动器输出信号之间的相位进行比较，发生相位差错电压来调整受控振动器输出信号的相位，然后使受控振动器输出频率与参阅信号频率相一起。在两者频率相同而相位并不完全相同的情况下，两个信号之间的相位差能安稳在一个很小的规模内。
现在，锁相环路在滤波、频率归纳、调制与解调、信号检测等许多技能领域取得了广泛的使用，在模仿与数字通讯体系中已成为不行短少的根本部件。
PLL锁相环的根本特性
1、杰出的盯梢特性
当环路具有恰当宽度的低频通带时，压控振动器输出信号的频率与相位就能盯梢输入调频或调相信号的频率与相位的改动。锁相环路的输出信号频率能够精确地盯梢输入参阅信号频率的改动，环路确认后，输入参阅信号和输出信号之间的稳态相位差错，能够经过添加环路增益而被操控在所需数值规模内。这种输出信号频率随输入参阅信号频率改动的特性称为锁相环的盯梢特性。
2、杰出的载波盯梢特性
不管输入锁相环的信号是已调制或未调制的，只需信号中包括有载波成分，就可将环路规划成一个窄带盯梢滤波器，盯梢输入信号载波成分的频率与相位改动，环路输出信号便是需求提取的载波信号。载波盯梢特性包括窄带、盯梢和弱输入载波信号的扩大三重含义。
3、杰出的窄带滤波特性
锁相环路经过环路滤波器的效果，具有窄带滤波器特性，当压控振动器的输出频率确认在输入参阅频率上时，坐落信号频率邻近的搅扰成分将以低频搅扰的方式进入环路，绝大部分的搅扰会遭到环路滤波器低通特性的按捺，然后将混进输入信号中的噪声和杂散搅扰滤除去。在规划较好时，这个通带能做得极窄，例如在几十兆赫的频率规模内，完结几十赫乃至几赫的窄带滤波。这种窄带滤波特性是任何LC、RC及石英晶体等滤波器均难以达到的。
当压控振动器的输出频率确认在输入参阅频率上时，因为信号频率邻近的搅扰方式将以低频搅扰的成分进入环路，绝大部分的搅扰会遭到环路滤波器低通特性的按捺，然后削减了对压控振动器的搅扰效果。所以，锁相环路具有好的窄带滤波特性，环路对搅扰的按捺效果就适当于一个窄带的高频带通滤波器，其通带能够做得很窄（如在数百兆赫兹的中心频率上，带宽可做到几赫兹）。不仅如此，还能够经过改动环路滤波器的参数和环路增益来改动带宽，作为功用优秀的盯梢滤波器，用以接纳信噪比低、载频漂移大的空间信号。
4、杰出的门限特性
锁相环路也是一个非线性器材，用作鉴频器时相同存在门限效应，但锁相环路的门限并不取决于输入信噪比而取决于环路信噪比，因为环路的窄带特性，环路信噪比显着高于输入信噪比，环路能在低输入信噪比条件下作业，即具有低门限的优秀特性。
在调频通讯中，锁相环路用做鉴频器时也有门限效应存在。可是，在相同的调制系数的条件下，它比一般鉴相器的门限低。当锁相环路处于调制盯梢状况时，环路有反应操控效果，盯梢相位差小，这样，经过环路的效果，约束了盯梢的改动规模，削减了鉴相特性的非线性影响，改善了门限特性。
5、确认状况无剩下频差，易于集成化等。
PLL锁相环的根本作业进程
锁相环的根本作业进程如下：
（1）设输入信号ui（t）和本振信号（压控振动器输出信号）uo（t）分别是正弦和余弦信号，它们在鉴相器内进行比较，鉴相器的输出是一个与两者间的相位差成份额的电压ud（t），一般把ud （t）称为差错电压。
（2）环路低通滤波器滤除鉴相器输出中的高频重量，然后把输出电压uc（t）加到VCO的输入端，VCO的本振信号频率跟着输入电压的改动而改动。假如二者频率不一起，则鉴相器的输出将发生低频改动重量，并经过低通滤波器使VCO的频率发生改动。只需环路规划恰当，则这种改动将使本振信号uo（t）的频率与鉴相器输入信号ui （t）的频率一起。
（3）最终，假如本振信号的频率和输入信号的频率完全一起，两者的相位差将坚持某一安稳值，则鉴相器的输出将是一个安稳直流电压（疏忽高频重量），环路低通滤波器的输出也是一个直流电压，VCO的频率将中止改动，这时，环路处于“确认状况”。
在锁相环的作业进程中，环路存在确认、捕获和盯梢三个状况。
（1）当没有输入信号时，VCO以自由振动频率wo振动。假如环路有一个输入信号ui（t），开始时，输入频率总是不等于VCO的自由振动频率，即wi？w o 。假如wi和w o相差不大，在恰当规模内，鉴相器输出一差错电压，经环路滤波器改换后操控VCO的频率，使其输出频率改动到挨近wi，而且两信号的相位差错为j（常数），这时环路确认。
（2）从信号的参加到环路确认曾经，叫做环路的捕捉进程。
（3）环路确认今后，假如输入相位ji有改动，鉴相器鉴出ji与j o之差，发生一个正比于这个相位差的电压，并反映相位差的极性，经过环路滤波器改换去操控VCO的频率，使j o改动，削减它与ji之差，直到坚持wi=w o ，相位差为j，这一进程叫做环路盯梢进程。
锁相环的使用
1、在空间技能中的使用——窄带盯梢接纳机（锁相接纳机）
锁相接纳机是一种具有窄带盯梢功用的接纳机。首要用于空间技能中的测速与测距，来确认飞行器的运转轨迹。因为飞行器发射功率小，通讯距离远，所以收到的信号极端弱小。别的，考虑到信号有多普勒频移以及振动器发生的频率漂移，接纳机的中频通带又有必要满足宽，这样，接纳机解调器前的信噪功率比必定适当低，一般在-10～-30dB左右。选用窄带锁相盯梢接纳机因为它的带宽很窄，又能盯梢信号，因而，能大大进步接纳机的信噪比。—般说来，可比一般接纳机信噪比进步30～40dB，这一长处是很重要的。
锁相接纳机的简化框图。其作业进程如下：
混频器输入信号电压为U1（t），它是调频高频信号，中心频率为W1，它与外差本振信号U2（t）相混频，U2（t）频率为W2，它是由压控振动器频率W2/M经M次倍频后得到的。混频后输出的中频信号U3（t），其间频频率为W3，W3=W1-W2，经中频扩大器扩大后在鉴相器内与下一个频率安稳的本地规范中频参阅信号W4（t）进行相位比较，W4（t）的频率为W4。假如两者的频率有误差，鉴相器的输出电压Wd（t）经环路滤波器滤波后就去调整压控振动器的振动频率，使混频器的输出频率被确认在本地规范中频上，即W3=W4。由图可见，接纳机的中频扩大器设置在环路内部，依托环路的盯梢效果，中频信号的频率将坚持在调谐回路的中心。这样，中频扩大器的通频带能够做得很窄（例如3～300Hz），只需掩盖调频信号在载波频率固定情况下的占有频宽就够了。在载频因多普勒频移等原因发生较大漂移的情况下，因为窄带盯梢环路的效果，将使载频有漂移的已调信号频谱，经混频后仍能精确地落在中频通频带的中心，这就完结了窄带盯梢。在实践空间通讯中，飞行器实践的多普勒频移发生的频率改动要比调频信号自身占有的频宽大得多，因而有必要选用锁相环构成的窄带盯梢滤波器，才干使这种空间通讯有满足的成果，这种窄带盯梢接纳机的灵敏度很高，接纳弱小信号的才干很强。
2、在调制解调技能中的使用
（1）锁相调频电路
使用图所示的锁相环路调频器电路，能够取得载波频率安稳度很高的调频信号。完结PLL调频的条件是，调制信号的频谱要处于环路低通滤波器通带之外，而且调制指数不能太大。这样，锁相环路实践上是载波盯梢环，调制信号不能经过低通滤波器，也就不能参加环路的沟通反应，因而调制信号对锁相环路没有影响，压控振动器的中心频率被确认在晶体振动频率上。一起，调制信号加在压控振动器上，对其间心频率进行调制，因而，输出调频信号的中心频率安稳度与晶振频稳度有相同的数量级，而调频灵敏度则与VCO的电压操控灵敏度相同，克服了直接调频中心频率安稳度不高的缺陷。这种电路的缺陷是调制频偏（或相偏）较小。为了确保调制器具有优秀的低频调制特性，可用锁相环路构成一种所谓两点调制的宽带FM调制器，这种调制器在很宽的调制频率规模内，频偏正比于调制信号。
（2）锁相环路鉴频器
图8为锁相环路鉴频器原理框图。调频信号由鉴相器输入，假如环路滤波器的带宽规划得满足宽，使鉴相器的输出电压能顺畅经过，则压控振动器在环路滤波器输出电压的操控下，其输出信号频率将盯梢输入调频信号频率的改动，也便是VCO的输出是一个与输入调频信号具有相同调制规则的调频波，而环路滤波器的输出电压则正好便是调频信号解调出的调制信号电压。锁相环路鉴频器的长处是它的门限电平比一般鉴频器低。调制指数越高，门限改善的分贝数也越大。
（3）调幅信号的同步检波电路
边带的调幅信号要进行同步检波，有必要先从己调信号中恢复出与载波信号同频同相的本地载波信号，用载波盯梢型锁相环就能取得本地载波信号。图9为锁相同步检波电路原理框图。因为压控振动器输出信号与输入调幅波的载频重量之间有固定的/2?相移，因而，有必要经过3.14/2?移相器变成与已调波中载波重量同相的信号，此信号即为本地载波信号，与已调波信号一起加到同步检波器上，才干取得解调信号。
以上是用PLL完结模仿信号的调制与解调，相同能够用PLL完结数字调频、调相信号的调制与解调，最常见的是移频键控（FSK）及移相键控信号的调制与解调。
3、在稳频技能中的使用
使用锁相环路的频率盯梢特性，可完结分频、倍频、混频等频谱改换功用，并然后构成频率归纳器与规范频率源。
（1）锁相倍频电路
在窄带锁相环路压控振动器输出到鉴相器的反应支路中刺进一个分频器就得到一个锁相倍频器，如图10所示。
依据锁相原理，当环路输入信号确认后，鉴相器的两个相位进行比较的输入信号的频率应该持平，即
这样就完结了锁相倍频的使命，倍频次数等于分频器的分频次数。若选用具有高分频次数的可变数字分频器，则锁相倍频电路可做成高倍频次数的可变倍频器。锁相倍频的长处是频谱纯度很纯，且倍频次数可做得很高。
（2）锁相分频电路
假如在根本锁相环路的反应通道中刺进倍频器，就可组成根本的锁相分频电路，如图11所示。
当环路确认时，鉴相器输入信号角频率wi与压控振动器经倍频后反应至鉴相器的信号角频率Nwo应持平，即
（3）锁相混频电路
锁相混频电路的框图如图12所示。在反应通道中刺进混频器和中频扩大器。混频器参加本振信号UL（t），其频率为Lf，因而混频器输出信号的频率为|fo-fL|，经中频扩大器扩大后加至鉴相器上。当环路确认时，fr=fo-fL，即fo=fL+fr或fo=fL-fr，这样环路就完结了混频效果。至于fo是fL+fr仍是取fL-fr，在环路滤波器带宽满足窄时，取决于VCO输出频率fo是高于仍是低于fL，当fo高于fL时，取fo=fL+fr；低于fL时，取fo=fL-fr。
（4）频率组成器（频率归纳器）
指能对频率进行加、减、乘、除运算，将一个或几个规范频率变成一系列规范频率信号的设备或设备为频率组成器。频率组成的办法有以下三种：
第一种为直接频率组成法，它是使用混频器、倍频器、分频器及滤波器等来完结频率的加、减、乘、除四种运算。直接式频率组成器的长处是频率改换速度快、相位噪声小，但它的杂波大、硬件设备杂乱、体积大、造价高。日前己很少选用。
第二种为锁相式频率组成法，是使用一个或几个锁相环来完结频率改换使命，其特点是体积小，功用好、价格低廉、已取得广泛使用。
第三种为直接数字式频率组成法（DDS），它使用计算机查阅表格上所存储的正弦波的取样值，再经过数模改换来发生模仿正弦信号，改动查表速度就能够改换频率。这种办法实践上是经过对相位的运算进行频率组成的。也能够用计算机求解数字递推关系式等办法来发生正弦信号。除正弦信号外，也能发生其他各种波形的信号。这种办法也称为波形组成法。其长处是体积小、功耗低、功用优秀，己超越传统的频率组成技能，这种办法跟着计算机技能的不断发展，正取得非常广泛的使用。这儿仅简略介绍锁相频率组成器的原理框图。
图 13示出单环数字频率组成器的原理框图。
图中可见在根本锁相环路的反应支路中，接入具有高分频比的可变分频器，分频比为N操控可变分频器的分频比就可得到若干个规范频率输出。为了得到所需的频率距离，往往在电路中还加一个前置分频器。频率组成器的电路构成和锁相倍频电路是相同的，只是分频器选用可变分频器。
其作业原理如下：环路输入来源于高安稳晶体振动器，当输入参阅信号的频率为fr时，环路在确认后将没有频差，输入频率等于反应频率，环路输出频率为
可见，只需改动分频比N，就能够改动输出频率。一起，当改动组成器输出频率的距离，即
为改善单环频率组成器的功用，能够在环路中可变分频器前参加固定分频比的前置分频器，或在反应支路中参加混频器。
