前面我们稍微熟悉了电信号相位及相移的概念，今天开始初识下“高大上”的锁相环电路，简称PLL电路，PLL锁相环是个系统级电路，内部由多个模块电路组成，虽用的不多、用起来用好也比较难，但其在特定应用设计里可是极其重要的电路，是提升重要性能指标的关键一步。对于我们普通设计者、学习者而言，锁相环，单听这个词就给人感觉不简单、不一般，因其牵涉的技术面太广、太深，包括放大电路、滤波积分、正负反馈、噪声处理、鉴相器、分频器、振荡器、信号动态响应优化匹配等等太多太多，用一本书的篇幅来描述该电路也未必够用，要想充分理解、体会到PLL电路的精髓和其设计应用技巧，普通设计者、学习者仅凭勤奋还远远不够，必须要有过硬的技术基础和较强的实践调试经验。PLL电路可以说是名副其实的“高大上”电路，很多高精尖的电子产品里，尤其是军用高端武器里，PLL电路在产品电子技术设计里，有着不可动摇的重要地位，是提升并保障高性能参数指标的重要设计部分。PLL电路会用和善用区别很大，会用仅仅代表入门，但要想充分发挥PLL电路在设计里的价值还远远不够；善用才是充分理解透PLL电路的设计应用技巧，熟练掌握对其各项参数指标优化和稳定的方法，深知系统前后级电路对接设计的注意事项等等，善用是所有设计者追求的目标，从而真正达到“人电合一”的境界，即不要刻意为了学电路或者完成某项任务而学，学电路是为了能用、活用，能让我们在实际项目里，做那个能提出需求、评估需求、实现需求、优化需求的专业技术人才。
什么是PLL锁相环电路？
PLL锁相环英文全称：Phase Locked Loop，据说PLL的前身是在1932年被法国一哥们发明的，现在回想来看真是佩服那帮人，别说人家发明出这了，就是我们能熟练灵活地使用起来那也不简单。通俗地讲，PLL锁相环电路是用于生成与输入信号相位同步的新的信号电路，别看这简简单单一句话，内含丰富的信息量，宏观上最重要理解这4点：
1.PLL锁相环应用时，输入输出都是针对交流信号，且该交流信号波形种类固定，即输入信号别用类似说话的音频信号，波形种类变化无规律。
2.PLL锁相环是一种反馈闭环跟踪电路，可以实现与输入信号相位同步（可能滞后、可能超前），不能保证与输入信号相位相同，现实是由于内部电路的容抗、阻抗效应不可避免，输出信号与输入信号相位是不相同的。
3.PLL锁相环输出信号频率可以被设计成是输入信号频率的N整数倍（N≥1），即可实现稳定倍频的功能。
4.充分理解透“入锁”和“失锁”两种状态，从时序上理解两者的内在联系，即所谓的“跟踪”和“锁定”之间的联系，所有设计应用的核心都将围绕这两个状态来展开，也是理解PLL锁相环精髓、评估PLL锁相环电路优劣的关键地方。
PLL锁相环电路基本组成
图1：PLL锁相环内部基本框图
PLL锁相环电路的基本组成框图大家都很熟悉，由鉴相器PD、环路滤波器LF、压控振荡器VCO三大基本部分组成（其实分频器这一部分也很重要），对于这个技术框图，不同的人看有不同的感受。今天这一次我们统一从基础起点说起，化整为零，循序渐进，假以时日，你会发现PLL锁相环其实也没我们想得那么难。
如何理解PD鉴相器？
鉴相器这个词太抽象，咱们给它换个描述，何谓鉴相器？答曰：鉴相器有两个输入交流信号，在同一时间轴里，能够采集到这两个输入信号邻近上升沿、邻近下降沿到来的时差（就是大家常说的相位差），同时能够生成并输出与这时差成正比例关系的不同占空比的交流信号的电路（好像还是有点绕，希望大家没被绕晕），这就是电路的神奇之处，不仅能放大、抑制、变换调制解调信号、相位矫正信号等能力，还能抓取两个输入信号上升沿到来的时差，即相位差，只有我们想不到，没有电路做不到。这次我们不讨论鉴相器内部电路工作原理，可以大概了解下这里面离不开触发器的功劳，下次找机会单独对这块进行分析讨论，这里只要理解鉴相器在锁相环里的具体作用和信号输入输出关系即可达到应用级能力，啥也不说，看图分析，下图2里的三个阶段（I,II,III）分别对应相位滞后、相位锁定、相位超前3个状态下鉴相器输入、输出信号时序图，其中第I和第III阶段就是所谓的“失锁”状态，这时候的电路处于跟踪捕捉状态，第II阶段就是所谓的“锁定”状态，即跟踪捕捉完毕已锁相。
图2：鉴相器对应输入输出信号时序图
如何理解LF环路滤波器？
这里的环路滤波器也叫低通滤波器LF，但个人更愿意叫积分器，合理调整RC充放电时间常数t0(t0肯定远大于鉴相器输出信号周期t1)，将鉴相器输出的交流信号积分成直流信号，生成控制电压信号，去控制VCO振荡频率，这里要注意，这里的LF积分器可不是简单的积分器，不能一味的增大积分器的RC充放电时间常数，还得肩带滤波功能，需配合考虑截止频率和锁相的动态响应性能，同时某些PLL锁相环内的电路里还兼具直流静态信号偏移功能，既确保在鉴相器输入信号的相位差在合理区间内无论怎么变化（一般是0~180°），LF输出都为正电压信号，有效控制VCO。如下图3所示对应输入信号的相位差和LF输出信号关系图，某PLL锁相环里的环路滤波器LF的输出信号波形如上图2所示。
图3：输入信号的相位差和LF输出信号关系图
如何理解VCO压控振荡器？
VCO压控振荡器为PLL锁相环电路的输出端，根据LF输出不同的直流控制电压，对应输出指定频率的交流信号，同时也是反馈信号的源端，将VCO的输出反馈给鉴相器的反馈信号输入端，实现闭环反馈自动控制，从而实现与输入标准信号的相位同步。图4是对应LF输出电压和VCO输出频率关系图。
图4：LF输出电压和VCO输出频率关系图
PLL锁相环存在价值？
为什么有人要发明PLL锁相环电路？有何意义吗？常言道存在即合理，主要作用如下：
1.解决了直接可通过单一输入信号源，通过电路（非人为CPU逻辑运算代码实现）来实现输出信号的自动跟踪锁定，典型应用如市电220V采集计算有功功率等参数时，借助PLL锁相环64倍频或128倍频，配合过零检测电路，实现电路自动触发AD精确采集一个周期内的64个或128个信号点，确保换算结果的精度。
2.PLL也可用于高频电路，对于传统基于超外差式接收机的产品设计，如收音机、雷达等设备，借助PLL电路，可以省去传统超外差式接收机电路里漂移大、频率输出不准的本振电路模块，用PLL代替锁相跟踪，使输出信号频率本质上得到优化，更稳定精确。
当然PLL电路作用很多很广，限于本人能力有限，不能一一描述，今天就先到这，让大家对PLL锁相环有个初步认识，后期找机会再深究。
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