锁相环（相位Locked Loop，PLL）是一个通过对输出信号和输入信号的相位进行比较，使这两个信号实现同步的电路，其具有载波跟踪、调制跟踪、低门限等特性。这一过程涉及将相位差通过鉴相器转换为电压信号，然后该电压信号经低通滤波器处理后用于控制压控振荡器（VCO），从而调整输出信号的频率。通过这种方式，输出信号的频率和相位持续地与输入信号保持同步，实现闭环控制。

锁相环的研究可以追溯到17世纪，1919年，文森特（Vincent）提出了锁相的概念，研究出实现振荡器之间同步的方法。20世纪30年代，无线电技术处于发展的初期阶段，锁相环的一些数学理论就已经出现。1932年，贝莱希泽（De Bellescize）提出同步检波理论，首次公开发表了对锁相环的描述，实现同步检波。到1940年，锁相环首次用于电视无线电接收机扫描同步装置中，改善了电视图像质量。20世纪50年代，杰斐（Jaffe）和里希廷（Rechtin）发表了包含噪声效应的锁相环路理论分析，解决了最佳设计问题，并将其应用于空间技术。20世纪70年代，随着集成电路技术的发展，出现了集成的锁相环路部件和多种专用集成锁相环路。进入21世纪，锁相环结构由单环向复合环发展，并朝低功耗、高频率和宽范围方向发展。

锁相环由相位比较器（也称为鉴相器）（PD）、低通滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）等部分组成，锁相环按不同电路结构可分为模拟锁相环、模数混合锁相环和数字锁相环等，按环路的带宽可分为窄带锁相环和宽带锁相环，涉及到相位噪声、回路带宽、频率调谐范围等性能指标，广泛应用在调制与解调、载波提取与同步、测速与测距等方面，但也存在着时钟速度提升与误码率问题、锁相环的相位误差与失锁风险等局限。

同步带：同步带是锁相环能够保持锁定状态的频率范围。在锁相环锁定的状态下，当输入信号的频率或相位缓慢变化时，由于锁相环的自动跟踪作用，可以在相当大的频率范围内保持其锁定状态。

捕捉带：捕捉带是锁相环能够实现捕捉的最大输入频差，锁相环从失锁状态下进入锁定状态的过渡过程称为捕捉。

“锁相"的概念起源可以追溯到17世纪，荷兰天文学家、物理学家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）首次提出了“同步振荡器”的概念，并给出了两个振荡器之间出现相位锁定的物理解释。但因为受到当时科学技术条件的限制，这一想法并没有引起重视。

1919年，文森特（Vincent）提出了锁相的概念，研究出实现振荡器之间同步的方法。20世纪30年代，无线电技术尚处于发展的初期阶段，锁相环的一些数学理论就已经出现。

1932年，法国科学家贝莱希泽（De Bellescize）公开发表了锁相环路的数学描述和同步检波的理论，锁相技术才首次被用在同步接收中。他提出实现同步检波技术的关键是如何产生一个本振信号，使它与同步检波器另一个输入的微弱载波信号保持频率相同。同步检波能够在低信噪比的条件下工作，且没有大信号检波时导致失真的缺点，因而受到人们的关注，但由于电路结构复杂以及制造成本较高等原因，当时并没有获得广泛的应用。

1940年，锁相环第一次用于电视无线电接收机扫描同步装置中，改善了电视图像质量。随后，由杰斐和里希廷利用锁相环路作为导弹信标的跟踪滤波器获得成功，第一次发表了包含有噪声效应的锁相环路线性理论分析的文章，同时解决了锁相环路最优化设计的问题。

1943年，锁相环路应用于黑白电视接收机水平同步电路中，它可以抑制外部噪声对同步信号的干扰，从而避免了由于噪声干扰引起的扫描随机触发使画面抖动的现象，使荧光屏上的电视图像稳定清晰。随后在彩色电视接收机中锁相电路用来同步彩色副载波信号，从此锁相环路开始得到了广泛的应用和迅速的发展。

20世纪50年代，杰斐（Jaffe）和里希廷（Rechtin）发表了包含噪声效应的锁相环路线性理论分析的文章，解决了锁相环路最佳设计问题，并将锁相环路应用于空间技术领域。苏联在1957年发了第1颗人造卫星，同样也是锁相环技术首次被运用在这个领域，利用锁相跟踪无线电接收机才能提取到噪声中的信号。

1964年，Enlog等首次使用He-Ne激光器进行激光锁相的实验，光锁相环发展出很多种结构的实现方案。1965年，出现了利用模拟集成电路技术设计的模拟集成锁相环，这使锁相环成为一个低成本的电路。

随着时代的发展，锁相环中的相位比较器和分频器部分开始由数字电路代替，其他部分仍为模拟电路，这种锁相环称为数模混合锁相环，并逐渐成为锁相环的主流。1969年，Signetics公司于研发出了像NE565这种可以集成一个完整车位地锁相环系统于一个芯片上的单片集成电路，锁相技术的大规模应用爆发了。20世纪70年代，集成电路技术的发展，推动了集成的锁相环路部件、通用单片集成锁相环路以及多种专用集成锁相环路的出现。后来随着数字电路技术的发展，出现了全部由纯数字电路构成的全数字锁相环路以及全部功能由软件实现的软件锁相环路。

1980年，霍华德·加德纳（Gardner）提出了一种典型的数模混合锁相环——电荷泵锁相环。1988年，约翰逊（Johnson）等设计了基于CMOS电压控制延时的锁相环结构，其具备动态调整时钟周期的功能，提高了环路的稳定性，又增强了系统整体的抗噪声的性能。1993年，赖利（Riley）等提出了小数分频锁相环结构，提高输出频率精度，这种小数分频是通过把累加器用调制器来代替的方式完成的。

2003年，斯塔斯泽斯基（Staszewski）等提出了全数字锁相环的完整结构，其数字特性使得它能够达到非常短的锁定时间，这促进了高性能处理器时钟的发展。进入21世纪，随着电子通信的发展，锁相环结构也由单环结构向复合环发展，并且向低功耗、高频率和宽范围的方向不断发展。

相位比较器，又称鉴相器，是将输入相位差值转换成电流或电压的模块，通常以两个时钟信号为输入信号，而输出正比于两信号上升沿的相位差值。相位比较器输入基准信号加到相位比较器的一个输入端，从压控振荡器（VCO）输出端反馈的信号加到相位比较器的另一个输入端，两个输入信号在相位比较器中进行相位或频率的比较，然后将比较结果作为误差电压输出。

低通滤波器是锁相环必不可少的组成部分，它滤除相位比较器输出信号中的高频谐波，允许直流或低频通过，即把相位比较器的输出转变为平滑的直流控制电压。由于低通滤波器具有有限的时间常数，锁相环锁定不是瞬时发生的，VCO的频率变化由低通滤波器的时间常数决定，时间常数越大，颜率变化越缓慢；时间常数越小，频率变化越迅速。输出频率锁定于输入信号的中间频率，而不是其瞬时值。

压控振荡器（VCO）是一种可变频率振荡器，它的振荡频率受低通滤波器输出的直流信号控制。当相位比较器的输入端无输入信号或噪声时，低通滤波器输出的直流电平等于电源电压的二分之一，这时VCO的振荡频率称为自由振荡频率或中心频率（）。加入输入信号后，如果起初VCO的振荡频率低于输入基准信号频率，滤波器的输出就会使VCO的频率向增高的方向变化，使VCO的振荡频率向输入信号频率接近，频率差逐渐减小，直到两个频率相等，锁相环达到锁定。

分频器构成锁相环的反馈回路，其功能是将振荡器的高频信号按指定的分频倍数分频到较低的频率，以便和参考时钟进行比较。对分频器的基本性能要求是高精确度、高线性和低相位噪声。在锁相环中，分频器输入端的信号是电路中频率最高的信号，这部分电路的功耗也是最大的。

在锁相频率合成器当中，输入信号通常是由石英晶振产生的参考信号。当压控振荡器的工作频率由于某种原因发生变化时，其相位也要相应地发生变化，这种变化是在相位比较器中与输入参考信号的相位进行比较产生的，其结果使相位比较器输出一个与相位误差成正比的误差电压，该电压经环路滤波器取出低频直流分量，用来控制压控振荡器频率发生变化，使VCO的振荡频率能够稳定在参考频率上。PLL输出频率的稳定度与参考石英晶振的频率稳定度相同。由上面过程可知，锁相环（PLL）实质上是一个相位负反馈控制系统。在系统稳定时，有（无频差跟踪）；（相位差固定）。

载波跟踪特性：锁相环路对输入信号的相位变化而言，可等效为一个窄带跟踪滤波器，不但能有效地利用窄带来滤除噪声与干扰，而且环路输出能跟踪输入信号的载波变化，从受噪声污染的、有载波调制或抑制载波调制的输入信号中提取出纯净的载波。

调制跟踪特性：适当设计可使输入信号调制频谱落在环路的通频带内，那么环路输出频率和相位能够准确地跟踪输入信号的频率与相位的调制变化。

低门限特性：锁相环路不像一般的非线性器件那样，门限取决于输入信噪比，而是由环路信噪比决定，较高的环路信噪比可取得低门限性能。因此，将环路带宽设计成窄带，就可把淹没在噪声中的微弱信号提取出来，而环路用于解调、调频、调相信号时，可取得门限扩展效果；用于解调移相键控与移频键控信号，可使误码率降低。

相位比较器、环路滤波器、压控振荡器等部件全是模拟电路。这是应用较早的锁相环。在模拟锁相环中，最常用的相位比较器是模拟乘法器。环路滤波器是由电阻（R）和电容器（C）组成的无源低通滤波器或由RC和运算放大器组成的有源低通滤波器。压控振荡器有变容二极压控管振荡器，射极耦合多谐压控振荡器等。另外，由数字门电路组成的振荡器也常归属于模拟压控振荡器，因为它的控制电压是模拟量，振荡频率是连续可变的。锁相无线电接收机、载波提取、调角信号的产生与解调等常用模拟锁相环。

模数混合锁相环采用数字相位比较器，环路滤波器、压控振荡器仍与模拟环相同。这种锁相环出现初期，常被称为数字锁相环，可称之为传统的数字锁相环。在这种锁相环中，相位比较器的两个输入信号为二进制数字信号。

电荷泵锁相环（CPPLL）是一种典型的模数混合锁相环，常在频率合成器中使用，也可用于提取相干载波及位同步信号，产生及解调调角信号。

数字锁相环的全部部件都是数字电路，所有信号都是二进制的或多进制的数字信号，而且VCO的频率不是连续可调的。数字锁相环常用来提取位同步信号。

模拟锁相环的输入信号是固定频率正弦信号或正弦载波调角信号。电荷泵锁相环的输入信号是固定频率矩形脉冲周期信号或脉冲载波调角信号。数字锁相环输入信号一般是固定码速随机矩形脉冲序列，它不是一个周期信号。

全数字锁相环是指全部以数字功能块或以软件为基础构成的锁相环，输入和输出信号为二进制信号。它可以用1位或n位字节来表示2n的不同状态。全数字锁相环已被应用于各类通信和雷达射频无线发射机中，其核心部件数控振荡器相比传统的电荷泵锁相环的压控振荡器有更高的精度。当锁相环作为频率发生器模式下，全数字锁相环里的数控振荡器会产生稳定的高频信号；当锁相环作为无线收发机的调制解调器模式下，全数字锁相环的数控振荡器将会产生稳定的调频信号。

软件锁相环可以认为是一个时间离散的模拟锁相环。由于软件锁相环主要是算法实现，仿真也是虚拟的环境，不是一个实际的物理系统，仿真过程是程序的执行过程，其不像硬件锁相环那样，整个系统协同实时真实地工作。软件锁相环的性能很大程度上取决于所采用处理器的速度高低和指令集对复杂算法的适用程度与效率，以及设计人员算法程序的编写水平。

采样锁相环是用采样保持电路作为鉴相器的环路，亦称脉冲锁相环。采样保持电路由采样器和保持电路两部分组成。采样器是一个电子开关，在采样脉冲存在的时间内输出被采信号的瞬时值电压。保持电路使离散的采样器输出电压变成时间上连续的阶梯电压，此电压取决于采样脉冲和被采信号之间的相位关系，故可作为误差信号以控制压控振荡器，使环路入锁。

锁相环窄带和自动跟踪等特性，使得它在无线电接收机中被广泛运用。锁相接收机的工作就是在尽可能消除加性噪声的前提下，对原信号进行正确重构。窄带锁相环输入频率稳定的信号时，本地振荡器只需较少信息就可以进行跟踪。窄带锁相环主要用于载波同步以及降低数字电路的时钟抖动等应用中。

当锁相环环路带宽足够宽时，它才能跟踪输入的信号。宽带锁相环主要用于闭环锁相环频率调制以及解调信号，其中控制电压就是解调输出的信号。

锁相环在未锁定的情况下，鉴频鉴相器比较参考信号和经分频后的信号输出两者之间的相位误差信号。经过反馈，环路可以实现参考信号相位与反馈信号相位保持锁定，因此，参考信号频率必须等于分频后信号的输出频率，则存在压控振荡器输出频率是输入参考频率N倍的锁定关系，即，这就是整数分频锁相环，该类型环路结构简单，噪声性能较好，缺点是整数锁相环的频率分辨率较低，当电路有高精度要求时，无法达到设计要求。

若要求输出频率精度更高时，一般选用小数分频型锁相环，其电路结构在电荷泵锁相环的基础上多了由调制器控制的双模分频器模块。调制器由1个调制器和1个积分器构成，采用该结构，可以得到较高频率分辨率、把低频噪声推到高频处以实现噪声整形或者调制。

电荷泵锁相环是一种鉴频鉴相器适用于方波输入信号的锁相回路。该类型锁相环的特点是可以快速的锁定到输入信号的相位，达到很低的稳态相位误差。因此，该类型锁相环被广泛地应用于各类型汽车传感器中，成为音频、视频、通信、导航等各种装置的重要组成部分。

非电荷泵锁相环是是一种不包含电荷泵模块的锁相环系统。与电荷泵锁相环相比，非电荷泵锁相环采用无源超前-滞后滤波器，环路增益在起始处只有一个极，鉴相器输出一个电压驱动环路滤波器。

工程上使用的锁相环有三种工作状态，即锁定状态、线性跟踪状态和失锁状态，不同用途的锁相环应工作在不同状态。在锁相频率合成器中，锁相环工作在锁定状态；在锁相无线电接收机、锁相调制、锁相解调及锁相环相于载波提取等用途中，锁相环工作在线性跟踪状态；在反馈信号与输入信号的载波不相等时，锁相环处于失锁状态。

锁定状态指的是环路频差为零的稳定状况，在此状态下，控制电压与误差电压保持为直流形式，而相位误差则维持为一个恒定的值。环路要达到锁定状态，必须满足其固有的频差必须小于环路的捕捉带的前提条件。由于环路的捕捉带是一个正值，而固有频差既可以是正值也可以是负值，因此，更准确的表述应该是固有频差的绝对值必须小于环路的捕捉带。

当环路成功锁定后，控制电压会起到关键作用，将压控振荡器的频率平均值精确地调整到与输入信号的频率平均值一致。但并不代表实现了零相位误差的完全锁相，实际上，恒定的相位误差或起伏的相位误差在锁相环中都是可能存在的。

当环路处于平均频差为零，且相位误差在相位比较器的线性范围内变化时，这种状态被称为线性跟踪状态。在此状态下，反馈信号与输入信号共享相同的载波频率，但它们的瞬时频率并不相等，即环路频差不为零，相位误差不为常数。此时，相位比较器处于线性工作状态。

在线性跟踪状态下，锁相环的输入信号可以是固定频率信号，也可以是调角信号或其他具有一定带宽的信号，而其输出信号则表现为调角信号。此外，环路的控制电压及误差电压在这种状态下都是交流信号。理论上，虽然存在一种非线性跟踪状态，即平均频差为零但相位误差超出相位比较器线性范围的状态，但这并非锁相环的正常工作模式。

当环路的反馈信号与输入信号的载波不相等时，环路既不是锁定状态也不是跟踪状态，称此状态为失锁状态。失锁状态下，环路无法正常工作。

高精度和稳定性：锁相环能够在各种电能质量问题下对输入信号的属性进行快速精确估计，为并网电力汽车传感器的检测和控制提供有效、可靠的基准。

抗干扰能力强：通过改进型二阶反常积分器（SOGI）结构，锁相环能够消除直流分量影响，并通过多个并联达到消除低次谐波干扰的目的。

适应性强：锁相环能够满足系统变频的要求，即使在相位和频率发生变动时仍能有效地锁定相位。

高集成度和灵活的配置性：全数字锁相环（ADPLL）拥有较高的集成度、灵活的配置性和快速的工艺可移植性，可以解决模拟集成电路中的一些瓶颈问题。

低功耗设计：随着集成电路工艺节点的不断降低，低功耗成为设计的重要挑战。锁相环的设计也趋向于超低功耗，以提高系统的续航能力。

设计复杂性：传统锁相环的设计比较复杂，涉及到坐标变换等步骤，这增加了设计的难度。

动态性能受限：基于d-q变换的锁相环在电压不平衡和畸变时动态过程较差。

对电网故障敏感：锁相环基于正常运行工况设计，一般不考虑电网故障时的特性，这可能影响其在实际应用中的性能。

资源占用大：数字三相锁相环中含有大量乘法运算和三角函数运算，占用大量的硬件逻辑资源。

噪声问题：尽管有些设计采用了差分对输入形式的延时单元来抑制电源噪声，但在某些情况下，锁相环仍然面临相位噪声的问题。

锁相环路在通信、雷达、导航、仪表测量、遥测与遥控等系统的相干调制解调中有着非常广泛的应用。如用以解调模拟的调幅（AM）、调频（FM）与调相（PM）信号；解调数字的振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）与移相键控（PSK）信号；在测遥控等空间通信系统中，常用于解调N个正弦副载波与L个方波副载波组合调制的信号；在数字卫星通信系统中，使用反调制环路可获得快速捕捉与移相键控信号相干解调相结合的良好性能。

例如，针对电磁辐射调制信号识别所需数据采集问题，可设计出一种基于锁相环的可编程幅移键控调制信号源的生成方法。设计的ASK调制信号源可实现频率可变、码元可变、功率可变和可编程控制功能，解决了实时便捷数据采集的问题，也可用于电磁辐射调制信号类型检测的验证。

在相干解调技术中，要求在接收端提供一个参考载波，此载波应与信号载波同步。从接收信号中提取相干载波（或称载波同步）有两种基本的方法。一种是在发送信号的同时，辅助传送一个载波信号，称为插入导频法。插入导频可用一般的窄带滤波器提取。由于载波跟踪环路具有良好的窄带特性而常被采用。另一种方法是直接从已调信号中提取，称为直接法。在移相键控信号和抑制载波的双边带信号中并不含有载频分量，用普通的锁相环路无从提取，要设计特殊的锁相环路，即所谓抑制载波跟踪环路，才能完成从中提取载波的功能。

例如，在锁相环研究的基础上，为了克服平方锁相环法提取载波存在的180°的相位含糊问题，可用相对相移平方锁相环法来实现从2DPSK信号中提取相干载波，从工程角度补充完善了载波提取的电路结构，消除了频移载波信号的误锁问题，同时构成了几种锁相环路用来进行提取载波并产生位同步信息。

锁相环路在空间通信与导航等系统中，广泛地用来测定飞行器、飞机与舰船的速度与位置。从国际发射第一颗人造卫星开始，就使用了窄带锁相跟踪无线电接收机接收卫星发回地面的微弱信号，测定多普勒频移，确定卫星的运行速度与轨道。锁相环路的窄带滤波与跟踪特性，最适宜于用来接收信噪比很低的微弱信号，实现遥测遥控、提取多普勒信息、测定移动目标的速度与位置。通常，应用上有锁相接收机，测距跟踪环路与锁相相干应答器等。

例如，为了解决传统单频连续波只能测量车辆速度，不能测量车辆的距离的问题，可设计一种基于锁相技术产生调频信号，利用小数分频器adf4159来产生调频连续波，经过电路仿真能满足系统技术指标，具有锁相时间快、功耗低、频率稳定等特点。从而达到速度和距离测量的目的。

近代许多小型直流电动机（包括有刷或无刷直流电动机）在应用时通常需要精确的速度控制。在数据存储设备，如磁盘驱动、盒式录音磁带驱动、光盘驱动或高级音像设备，为了提高存储密度，要求记录媒体通过读/写头时有精确的速度。这些设备的驱动电动机转速往往要求与某一基准频率严格同步，或多台电动机转速同步，或保持以一个确定速比同步运转，在这种场合下，常采用锁相环速度数字技术。

时钟速度提升与误码率问题：随着现代通信系统的快速发展，系统时钟由Hz到MHz，再到GHz级。但是时钟速度的提高也使得相位噪声和抖动从在模拟设计中不可忽视转变到在数字芯片以及电路板的设计中造成其性能的损耗。在高速系统中，时钟或者振荡器波形存在一定时延的定时误差。这些定时误差会导致数字I/O口的最大速率无法达到所设计的额定速率，从而导致通信链路的误码率增大。

锁相环的相位误差与失锁风险：当环路成功锁定后，控制电压将VCO频率的平均值调整到与输入信号频率的平均值完全一致。这意味着振荡器针对输入信号的每个周期都能精准地输出相应的周期。然而，锁相并不意味着相位误差被完全消除，在锁相环中，可能会存在稳定的相位误差或相位误差的波动，一旦这些误差过大，可能会打破环路的锁定状态，导致失锁现象的发生。

锁相环频率合成器的速度限制：锁相环利用相位负反馈原理使振荡器反馈频率和参考频率严格一致且相位相差一个固定常数，以频率再生的形式实现频率合成。与直接型和数字型合成器比较，锁相环频率合成器是闭环结构，速度慢是它的固有特性。

全数字化：随着数字技术的不断发展，全数字锁相环的应用范围也更加广泛。全数字锁相环具有比模拟锁相环更多的优点，它可以解决模拟锁相环中设计复杂性较高、可移植性较差和对噪声十分敏感等问题。对于系统芯片而言，系统运行速度和功耗是衡量其性能优劣的重要指标之一，因此从该方面入手可进一步改善锁相环全数字化的技术进步，例如基于流水线技术的全数字锁相环能够提高锁相系统的运行速度，降低系统功耗，也可实现数字滤波器参数的动态调节，从根本上解决提高锁相速度与增强系统稳定性之间的矛盾。

高性能与低功耗：在保持或提升性能的同时，降低系统的功耗也是锁相环发展的一个重要方向。例如，通过优化设计减小系统延迟和总功耗，以及针对数字射频前端设计并实现快速锁定ADPLL频率合成器，有效减小ADPLL的锁定时间，同时降低功耗。

快速锁定与高精度：提高锁相环的锁定速度和精度是另一个重要的发展方向。例如，基于流水线技术的全数字锁相环能够加快锁相速度，增强系统的稳定性。

光锁相环：光学锁相环是电锁相环在光学领域的拓展，利用了锁相环的频率相位锁定跟踪特性，其实质是在光频段对信号光进行的锁相，频率范围变化更大，所以相比于电锁相环，光锁相环对频率捕获的要求更高，且必须具备宽范围、精密鉴相性能等。研究零差相干光锁相技术以提高接收系统灵敏度，可通过光锁相选型、关键器件优化选取等方式对影响锁相环性能的因素进行有效抑制，提高锁相环性能。

在Cpu.c文件中找到EntryPoint函数，编写如下PLL的初始化函数即可实现采用时钟源信号作为系统时钟。