锁相技术名词解释、简答题和计算公式

名词解释和简答题整理

第一章锁相环路的基本工作原理：

1.锁相环（PLL）---锁相环是一个能够跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统。

2.捕获带：环路能通过捕获过程而进入同步状态所允许的最大固有频差｜Δωo｜max。

3.同步带：锁相环路能够保持锁定状态所允许的最大固有频差｜Δωo｜max。

4.快捕带：保证环路只有相位捕获一个过程的最大固有频差值｜Δωo｜max。

5.输入信号频率与环路自由振荡频率之差，称为环路的固有频率

环路固有角频差：输入信号角频率ωi与环路自由振荡角频率ωo之差。

瞬时角频差：输入信号频率ωi与受控压控振荡器的频率ωv之差。

控制角频差：受控压控振荡器的频率ωv与自由振荡频率ωo之差。

三者之间的关系：瞬时频差=固有频差-控制频差。

6.鉴相器是一个相位比较装置，用来检测输入信号相位θ1(t)与反馈信号相位θ2(t)之间

的相位差θe(t)。输出的误差信号u d(t)是相差θe(t)的函数。

7.锁相环路由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三个主要部件构成；其独特的性能有载波

跟踪特性、调制跟踪特性和低门限特性。

8.环路滤波器---即低通滤波器，滤除鉴相器输出电压中的高频分量，起平滑滤波的作用，

提高环路的稳定性。

9.压控振荡器---压控振荡器是一个电压-频率变换装置,它的振荡频率应随输入控制电压

u c(t)线性地变化。

10.环路的动态方程：pθe(t)= pθ1(t)-K o U d F（p）sin θ1(t)

11.相平面：将瞬时频差与瞬时相差的关系在平面直角坐标系中所做的图。相点：是相平面

上相轨迹上的一个点，表示环路在某一时刻的状态。

12.如果锁相环路的起始状态处于不稳定平衡点时，环路自身没有能力摆脱这种状态，只有

依靠外力（噪声或人为扰动）才能使环路偏离这个状态而进行捕获；所以一旦遇到这种情况就可能出现在不稳定平衡状态的滞留，致使捕获过程延长。这种现象称为锁相环路的延滞现象。

13.环路固有频差Δωo大于环路增益K，锁相环路处于失锁差拍状态，被控振荡器未被输

入信号锁定；但是由于锁相环路的控制作用，使锁相环路的平均频率向输入信号频率方向牵引。这种现象称为锁相环路的频率牵引现象

第二章环路跟踪性能：

1.对于输入相位阶跃而言，因为锁相环路在暂态过程中误差电压u d(t)≠0，压控振荡器的

相位已得到调整，最终并不再要求压控振荡器的频率得到调整，可以允许控制电压等于零。所以稳态时，鉴相器输出的误差电压u d（t）=0，环路的跟踪状态是可以维持的。

2.采用理想积分滤波器的二阶环路，在输入频率阶跃的情况下，稳态时，鉴相器输出的误

差电压ud（t）=0，环路的跟踪状态是如何维持的？在输入频率阶跃的情况下，达到稳态时要求压控振荡器的频率调整到与输入频率相等，所以控制电压是不可少的。在跟踪的暂态过程中，误差电压u d（t）并不等于零，它将对滤波器充电，因而获得控制电压u c（t）。达到稳态后，误差电压u d（t）消失，不再继续对环路滤波器充电，但是对于一个理想积分环节来说，前面充电得到控制电压u c（t）将会永远保持下去，不会消失。

所以由于暂态过程中对环路滤波器充电积累起来的控制电压维持了环路的稳态跟踪。3.若一个锁相环路的截止频率ΩC=1000rad/s。输入信号为u i（t）=U i sin[1000000t+2sin

（100t+θi）]。环路这时是处于调制跟踪状态还是载波跟踪状态？为什么？环路这时处于调制跟踪状态；因为这里的锁相环路的截止频率ΩC=1000rad/s即环路的自然频率ωn；

输入信号的相位调制频率Ω=100rad/s小于环路的截止频率，即处于闭环低通特性的通带之内，这时环路可以良好的传递相位调制，压控振荡器的输出相位θ2(t)就可以良好地跟踪输入相位θ1(t)的变化。即环路处于调制跟踪状态。

4.调制跟踪：（当Ω小于ωn,即处于闭环低通特性的通带之内时）,环路输出相位θ2(t)将

跟踪θ1(t)的瞬时变化,压控振荡器的输出电压u o(t)也就成为一个正弦调相信号，这种跟踪状态称为调制跟踪。可作调频信号的解调器。

5.载波跟踪：（当Ω大于ωn，即输入信号的调制频率处于闭环低通特性的通带之外时）环

路输出相位不能跟踪输入的相位调制，而是跟踪了输入信号载频的漂移，这种跟踪称为载波跟踪。

6.载波跟踪环可用于提取输入已调信号的载波，也可提取淹没在噪声中的载波信号。

7.根据奈奎斯特准则，可以用锁相环路开环频率响应的伯德图来直接判定锁相环路闭环时

的稳定性。

8.开环增益达到0dB时的频率称为增益临界频率，用ΩT表示；开环相移达到π的频率称

为相位临界频率，用符号Ωk表示。

9.相位余量是指开环增益降至0dB时，开环相移量与π的差值。增益余量是指开环相移达

到π时，开环增益低于0dB的dB数。

第三章环路噪声性能：

1.环路输入信噪比(S／N)i:指的是输入信号载波功率U2i／2与通过环路前置带宽B i的噪声

功率N o B i之比。

2.环路信噪比(S／N)L：是指输入信号载波功率U2i／2与可通过环路单边噪声带宽B L的噪

声功率N o B L之比。反映了对噪声的抑制能力。

3.在低(S／N)L时，出现的另一个现象是环路相差可能跳越一个错误！未找到引用源。或

几个错误！未找到引用源。周期才能重新稳定下来，这种现象叫做跳周。

第四章环路的捕获性能：

1.如果环路依靠自己的控制能力达到捕获锁定，称这种捕获过程为自捕获。

2.若环路借助于辅助电路才能实现捕获锁定，则称这种捕获过程为辅助捕获。

3.相轨迹：是相平面上相点的移动形成的一条轨迹，它反映了环路状态的变化过程。相轨

迹方程：瞬时频差与瞬时相差的关系式。

4.辅助频率捕获的基本出发点:(1)减小作用到环路上的起始频差,使之尽快的落入快捕带

内，达到快捕锁定。属于这方面的有人工电调、辅助扫描、辅助鉴频和鉴频鉴相；（2）使用两种不同的环路带宽或增益，捕获时使环路具有较大的带宽和增益，锁定以后使环路带宽或增益减小。就是所谓的变带宽和变增益法。

5. 变带宽法的基本原理是在捕获过程中使环路具有较大的带宽，以扩大捕获带；在锁定后，

则使环路的带宽变窄，以保证跟踪和滤波性能；加大环路的带宽还必须保证环路工作于门限之上；通过改变环路滤波器的带宽可以实现变带宽。

6. 变增益法的基本工作原理是在捕获过程中提高环路的增益，以扩大捕获带；捕获过程中

通过辅助鉴相器使直流放大器的增益变大，是捕获带变宽；在锁定后，环路的增益降低。 第五章 集成锁相环路：

1. 模拟乘法器可以完成两输入信号的相乘作用，用作鉴相器的主要特点是输出电压的平均

值与两输入信号的幅度成正比，输出频率为输入差拍；模拟乘法器鉴相器具有正弦鉴相特性；四象限模拟乘法器特点是工作频带较宽，线性好、精度好，可输入正弦信号等。

2. T4044数字式鉴频鉴相器电路主要由数字比相器（9个与非门）、电荷泵（V 1~V 7）和一个作为LF 用的放大器（达林顿电路）三部分组成。

3. 射极耦合多谐振荡器型压控振荡器的工作原理: 交叉耦合的晶体管V 1、V 2组成正反馈级，

在V 1、V 2相互翻转时，并分别接受有电压u c 控制的恒流源I O1、I O2(通常选择I O1=I O2=I O ）的交替充放电。 得到的输出方波频率f 必然与C T 、I O 及二极管正相压降有关，又因I O1=I O2同时受控于u c ，则f 也与u

c 有关。

4. 在负阻型压控振荡器中，端电压的上升引起端电流的下降，此时端口点电阻为负值。这

种现象称为负阻效应。

5. CMOS 压控振荡器的工作原理：CMOS 开关（P 1、N 1）、（P 1、N 2）在门电路输出的控制下分

别导通与截止；对C T 充放电，充电或放电过程中随着C T 两端的电压的变化触发R-S 触发器的翻转；故输出频率f 必然与C T 、I O 有关，又因I O 受电压u c 的控制，则f 与

u c 有关。这就是压控振荡器的工作原理。

444o m c o o T D T D

m o T D

I g u f K u C U C U g K C U ====8o T

I f C =

第六章锁相环路的应用：

1.锁相环路的三个独特的优良性能分别为：载波跟踪特性、调制跟踪特性和低门限特性。

典型应用∈载波跟踪特性的应用：作为一个窄带滤波器，可提取淹没在噪声中的信号；

调制跟踪特性：可制成高性能的调制器和解调器；低门限特性：用于解调调频、调相信号时，可取得门限扩展的效果，用于解调数字调制信号时，可是误码率降低。

2.锁相环路的载波跟踪特性：无论输入锁相环路的信号是已调制的还是为调制的，只要信

号中包含有载波频率成分，就可将环路设计成一个窄带跟踪滤波器，跟踪输入信号载波成分的频率与相位的变化，环路的输出信号就是（放大的）需要提取得载波信号。这就是锁相环路的载波跟踪特性。载波跟踪特性的三重含意：一是窄带：锁相环路利用环路滤波器的低通特性来实现输入信号载频上的窄带带通特性，有效地滤除输入信号伴随的噪声与干扰；二是跟踪：环路能够在保持窄带特性的情况下跟踪输入载波频率的漂移；

三是放大：可将弱输入载波信号放大为强信号输出。

3.调制跟踪特性（解调器）：只要让环路有适当宽度的低频通带，压控振荡器输出信号的

频率与相位就能跟踪输入调频或调相信号的变化，即得到输入角调制信号的复制品，这就是调制跟踪特性。

4.低门限特性：一般环路的通频带总比环路输入端的前置通频带窄得多，因而环路信噪比

明显高于输入信噪比，环路能在低输入信噪比的条件下工作，即具有低门限的优良特性。

5.跟踪滤波器：是一个带通滤波器，其中心频率能够自动跟踪输入信号载波频率的变化。

当输入信号暂时消失时，环路滤波器输出的控制电压不会立即消失，压控振荡器能在一个短时间内维持振荡频率不变，因而锁相环还能跟踪衰弱信号。

6.为什么锁相环路对输入信号来说具有带通滤波的特性？锁相环路能够跟踪输入信号载

波成分频率和相位的变化，可以有效地滤去输入信号伴随的噪声与干扰，环路输出信号就是需要提取得载波信号；锁相环路对输入高频信号的带通特性是由环路传递函数的低通特性决定的（锁相环路主要是利用环路滤波器的低通特性来实现输入信号载频上的窄带带通特性的）；在高载频上，用锁相环路可以将通带做到几赫兹的带宽。锁相环路的调制跟踪特性同样说明了环路对输入信号的带通特性。

7.二元数据信号的移频键控信号FSK以及移相键控信号PSK。（会画波形）

8.频率合成器是将一个高精确度和高稳定度的标准参考频率，经过混频、倍频与分频等对

它进行加、减、乘、除的四则运算，最终产生大量的具有同样精确度和稳定度的频率源。

9.频率合成的方法有直接频率合成、间接合成和直接数字频率合成。直接频率合成：利用

混频器、倍频器、分频器盒带通滤波器来完成对频率的四则运算的合成方法，是最早的频率合成方法。间接频率合成：应用锁相环路的频率合成方法，是目前应用最广泛的一种频率合成方法。直接数字频率合成：是利用数字计算机和数模变换器来产生信号的频率合成方法，是最新的频率合成方法。

10.双模分频器的工作原理：双模分频器有两个分频模数，控制电平为高、低电平时其分频

摸数分别为V+1和V；其输出同时送给两个可编程分频器N1和N2（N1＞N2），并同时进行减法计数；在一个完整的周期中，输入的周期数为D=（V+1）N2+V（N1-N2）=VN1+N2.。双模分频合成器在保持分辨率的条件下提高了频率合成器的工作频率，频率转换时间也未受到影响。

11.小数分频实现的基本原理:N.F=m.n=[m*(10-n)+(m+1)*n]/10。（在10次分频中）

12.在相干解调中，要求在接收端提供一个参考载波，它应与信号载波相同步，称相干载波。

载波同步是在接收端提取相干载波的过程。

13. 从接收信号提取相干载波（或称载波同步）有两种基本方法：一是在发送信号的同时，

辅助传送一个较弱的载波信号，称为插入导频法。另一种是直接从已调信号中提取相干载波。需要设计特殊的锁相环路，即所谓抑制载波跟踪环，才能完成载波同步的功能。

14. 位同步，或称为码元同步，是要在接收端确定每一个码元的起始时刻。

15. 相移器是使相位超前或滞后的装置，用PLL 很容易做成非常精确的90o 相移器。

第七章 数字锁相环：

1. 全数字锁相环主要由数字鉴相器、数字环路滤波器、数字压控振荡器（DCO ）三部分组

成。与模拟环路相比：在全数字锁相环中，误差控制信号是离散的数字信号而不是模拟电压，因而受控的输出相位的改变是离散的而不是连续的；且环路的组成部件也全用数字电路实现。

2. 按数字鉴相器的实现方式可分为（1）触发器型数字锁相环（FF-DPLL ）；（2）奈奎施特

型数字锁相环（NR-DPLL ）；（3）过零检测式数字锁相环（ZC-DPLL ）；（4）超前滞后型数字锁相环（LL-DPLL ）。

3. 数字环路滤波器由A/D 、数字计算器和D/A 三部分组成。原理是A/D 将输入的样值变换

为二进制数字代码序列；数字计算器按照要求的滤波性能对输入数字代码进行数字计算与处理；D/A 再将运算处理后的代码变换为样值输出。

公式：（1）

（2）闭环传递函数H （s ）=)

(1)(s Ho s Ho + 开环传递函数Ho （s ）

误差传递函数He （s ）=)(1)

(11s H s Ho -=+ （3）有源比例积分滤波器的捕获带?ωp=∞ RC 积分滤波器的捕获带?ωp ≈1.68

1τK 无源比例积分滤波器的捕获带?ωp ≈122ττK

（5）一阶环的稳定相差θe (∞)=arcsin )

0(ωo j KF ? （6）调制跟踪环设计：令最大调制角频率m c Ω=Ω， 得出??????++++Ω=1)12(1222221ξξc

n w

(7)求环路信噪比（单位dB ）

)41(82ξξ+=n L w B L o s L B N P N S lg 10)(=