什么是锁相环？
锁相环是一种电子电路，它包含一个电压或电压驱动振荡器，该振荡器会不断调整以匹配输入信号的频率。PLL 用于在数据可能被中断的“嘈杂”通信信道中生成、稳定、调制、解调、滤波或恢复信号。
PLL 广泛应用于无线或射频应用，包括 Wi-Fi 路由器、广播电台、对讲机、电视和移动电话。
最简单的锁相环是一个对频率和相位都敏感的闭环反馈控制电路。PLL 不是单个组件，而是一个系统，由模拟和数字组件组成，以“负反馈”配置互连。可以将其类比为基于运算放大器（op amp）的复杂放大电路。
锁相环有什么用途？
PLL 的主要目标是使输出振荡器信号与参考信号同步。即使两个信号具有相同的频率，它们的波峰和波谷也可能不会出现在同一位置。简而言之，它们不会在同一时间到达波形上的同一点。
这被称为相位差，它被测量为信号之间的角度。对于频率变化的信号，它们之间的相位差将始终变化，这意味着一个信号会以变化的量滞后或超前于另一个信号。
当存在相位差时，超前相位指的是一个波发生在同频率另一个波的“前面”，而滞后相位则表示波发生在同频率另一个波的“后面”。
PLL 减少了输出和输入频率之间的相位误差。当这些信号之间的相位差为零时，系统被称为“锁定”。这种锁定行为依赖于 PLL 提供负反馈的能力——即将输出信号反馈回相位检测器。
除了同步输出和输入频率外，PLL 还有助于建立输入-输出相位关系以生成适当的控制电压。因此，它有助于在电路中同时实现频率和相位锁定。
锁相环的关键组件
PLL 由三个关键组件组成：
- 相位检测器（也称为相位比较器或混频器）。它比较两个信号的相位，并根据相位差产生电压。它将参考输入和压控振荡器输出相乘。
- 压控振荡器。生成正弦信号，其频率与低通滤波器提供的中心频率紧密匹配。
- 低通滤波器。一种环路滤波器，用于衰减输入信号的高频交流分量，使信号平滑并变得更具直流特性。
在这里，相位检测器充当模拟乘法器，压控振荡器充当增益块，低通滤波器充当滞后块。
锁相环、压控振荡器、参考振荡器和相位比较器共同构成了一个频率合成器——一个从单个固定振荡器产生一系列频率的电子系统。使用这种频率控制方式的无线设备被称为频率合成设备。
其他频率合成设备包括：
- 移动电话
- 卫星接收器
- 全球定位系统
锁相环的工作原理
PLL 的基本工作机制基于两个信号之间的相位差。它检测这种差异，并提供一种反馈机制来修改压控振荡器的频率。
PLL 比较压控振荡器信号和输入/参考信号。由于 PLL 对频率和相位都敏感，它可以检测两个信号之间的频率和相位差异。
它生成一个与信号之间的相位差相对应的误差信号。该差值被传递到低通滤波器，低通滤波器移除任何高频成分，并将误差信号滤波为变化的直流电平。然后，这个“反馈信号”被施加回压控振荡器以控制其频率。
开始时，此环路将处于失锁状态。误差信号会将压控振荡器的频率拉向参考频率，并持续这样做，直到无法进一步减小误差为止。然而，在某个时刻，两个信号之间的相位差将变为零（即，它们将恰好处于同一频率上）。
此时，环路被称为锁定，并产生稳态误差电压。
常见的锁相环应用
PLL 用于数十种应用；其中包括：
- 电信系统
- 计算机
- 无线电
- 其他电子系统
锁相环经常用于无线通信，主要用于调频传输，它们能够从 FM 信号中解调出高质量的音频。它们也用于调相传输。
间接频率合成器是 PLL 的另一个重要应用。另外两个关键的 PLL 应用是：
- 定时分配。用于在数字逻辑电路（例如微处理器系统）中分配精确计时的时钟脉冲。
- 信号恢复。用于提供“干净”的信号，并在中断（例如，使用脉冲传输时）时记住频率。
数字数据传输比模拟传输更常使用锁相环。它们也更常被制造为集成电路，尽管分立电路也用于微波信号处理。