锁相回路(PLL: Phase-locked loops)是利用回授(Feedback)控制原理实现的频率相位控制系统,其作用是将电路输出的信号与其外部的参考信号保持同步,当参考信号的频率相位发生改变时,锁相回路会检测到这种变化,并且通过其内部的回授系统来调节输出频率,直到两者重新同步,这种同步又称为“锁相”(Phase-locked)。

最简单的类比锁相回路

锁相回路有许多种,最简单的锁相回路会包括变频振荡器英语variable frequency oscillator以及鉴相器,形成回授回路。振荡器产生讯号,鉴相器比较输出讯号和输入周期讯号之间的相位,调整振荡器输出,设法和输入周期讯号同步。

若让输出讯号和输入讯号之间的相位一致,则两者的频率也会一致。因此,锁相回路除了让相位一致之外,也可以追踪输入讯号的频率,或是产生频率是输入讯号整数倍的信号。此特性可以用在电脑时脉的同步、解调变英语demodulation频率合成英语frequency synthesis

锁相回路常用在无线电电信电子计算机及其他电子设备中。锁相回路也可以用来解调变讯号、从高杂讯的通讯频道中恢复原始信号、产生频率为输入信号频率整数倍的频率(频率合成)、或在数位电路(例如微处理器)中产生准确的时钟脉冲。因为单一的积体电路即可提供完整的锁相回路机能,此技术已普遍使用在现在的电子设备中,输出频率从1Hz以下,到数GHz。

实际上类似的例子

赛车

锁相回路可以用赛车来说明:考虑两部车进行的绕圈赛车,一部车代表输入信号,另一部车代表锁相回路的输出,也就是压控振荡器(VCO)频率。每一圈代表一个完整的周期。每小时的圈数代表频率,两部车之间的距离代表信号之间的相位差。

大部份赛车的过程中,两部车都可以超过对方或落过对方,这类似锁相回路的非锁相状态。

但若有事故,赛车场会出现黄色警告旗,此时,任何一部车辆都不允许超过其他的车,也不允许被其他的车超过。此时的两部车就代表锁相回路在锁相状态下的输入信号和输出信号。每一个驾驶者都会量测其车辆和其他车辆的相位差。若和前车保持的距离太远了,会设法加速使距离拉近,若和前车保持的距离太近了,会设法减速使距离拉远。因此,两部车会保持固定的距离。因为车辆不允许超过其他的车,因此在相同时间内,两车绕的圈数会相同,因此两个信号的频率相同。

时钟的例子

相位和时间成正比[a],因此相位差可以用时间差来表示。时钟相对其他时钟而言,某程度上会有锁相(固定时间差),但准确度可能有些不同。

若让时钟自行运作,各时钟计时的速率会有些微的差距。例如墙上的钟每一小时可能会比国家标准技术研究所的钟快了几秒,随著时间过去,时间差会越来越大。

若要让墙上的钟和参考时钟同步,可以每一周比较墙上的钟和参考时钟的时间(相位比较),然后调整墙上的钟。若没有调整,墙上的钟和参考时钟的偏差会越来越大。

有些时钟有计时调整功能,若比较时钟和标准时钟,发现时钟太快了,会设法让时钟的计时慢一点,若时钟太慢了,会设法让时钟的计时快一点。若顺利的话,时钟和标准时钟的误差会渐渐缩小。几周后,时钟就会准确的对应标准时钟(在时钟本身的稳定性范围内,频率和相位都和标准时钟一致)。

早期电动机械学中也有锁相回路,例如1921年的Shortt-Synchronome钟英语Shortt-Synchronome clock

历史

 
安森美 HC4046A,是锁相回路IC

荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯早在1673年就发现弱耦合的摆钟会有自发性同步的情形[1]。在19世纪时,瑞利男爵发现弱耦合的风琴管及音叉也有同步的情形[2]。1919年时,威廉·埃克尔斯英语William Eccles和J. H. Vincent发现二个调谐到频率略有差异的电子振荡器,若在谐振电路中耦合,会以相同的频率共振[3]。电子振荡器的自动同步是由爱德华·阿普尔顿在1923年发现的[4]

1925年时,布里斯托尔大学电机系的大卫·罗宾森(David Robertson)教授,在威尔斯纪念大楼Great George钟敲钟出声的时钟控制电路中,引入了锁相的概念。罗宾森教授设计的钟有一个机电装置可以调整摆钟的振动速率,所用的修正讯号是来自一个比较电路,在每天上午格林威治时间10点时,比较格林威治天文台的电报脉冲以及摆钟的相位。其中除了现在电子锁相回路中会有的每一个组件之外,罗宾森的设计还有一个特点,其相位比较器是用继电器逻辑的方式实现相位/频率比较的机能,一直到1970年代之后才在电子电路中看到类似的设计。罗宾森的研究比后来1932年提出,后来命名为“锁相回路”(phase-lock loop)的研究要早。1932年的研究是英国科学家设法想找到可以代替埃德温·霍华德·阿姆斯特朗超外差收音机同差检测英语Homodyne detection直接变换接收机英语direct-conversion receiver的方案。在同差系统中,会将本机振荡器英语local oscillator调到想要的频率,再乘上输入的信号。所得的输出信号会包括原始的调变资讯。原意是想发展一种调谐电路比超外差收音机要少的电路。因为本机振荡器的频率会快速的飘移,会有自动修正信号加到振荡器上,使其频率和相位和输入信号相同。此技术是在1932年时,在Henri de Bellescize发表在法文期刊L'Onde Électrique的论文中所提及[5][6][7]

至少从1930年代起,类比电视接收器的锁相回路垂直扫描和水平扫描电路,都会和广播信号的同步信号锁相[8]西格尼蒂克在1969年推出了具有完整锁相回路机能的单片集成电路(例如NE565)[9],类似技术的应用就不断的增加。后来RCA推出了CD4046互补式金属氧化物半导体的微功率锁相回路IC,是当时广为使用的积体电路。

结构和功能

一个锁相回路电路通常由以下模块构成:

 

每个模块的简单原理描述如下:

分类

  • 按照实现技术,可以分为模拟锁相回路(APLL,Analog PLL)和数字锁相回路(DPLL,Digital PLL)。
    • 模拟锁相回路(Analog PLL)是指类比的鉴相器,滤波器可能是主动的,也可能是被动的。使用压控振荡器,若其回路在原点恰有一个极点,则此APLL称为type II锁相回路。
    • 数字锁相回路(Digital PLL)是指数位的鉴相器,若滤波器、振荡器也都是数位的(如数控振荡器英语Numerically-controlled oscillator),则称为全数位锁相回路(ADPLL,All digital PLL)
  • 按照反馈回路,可以分为整数倍分频锁相回路(Integer-N PLL)和分数倍分频锁相回路(Fractional-N PLL)。
  • 按照鉴频鉴相器的实现方式,可以分为电荷泵锁相回路(Charge-Pump PLL)和非电荷泵锁相回路。
  • 按照环路的带宽,它可以分为宽带锁相回路(Wide band loop PLL)和窄带锁相回路(Narrow band loop PLL)。

性能指标

  • 种类和阶数
  • 锁相回路频率范围:hold-in范围(追踪范围)、捕获范围、锁定范围[10]
  • 稳定性指标:回路频宽,相位裕度(Phase margin)。
  • 暂态响应:例如过冲、到特定精度(例如50 ppm)的安定时间。
  • 稳态误差:相位误差或是时序误差。
  • 输出频谱纯净度:例如特定VCO调谐电压涟波的边带。
  • 相位杂讯:定义为特定频带的杂讯能量(例如载波上下10 kHz)。这和VCO相位杂讯、PLL频宽高度相关。
  • 通用参数:例如能耗、电源范围、输出振幅。

减少抖动以及杂讯

锁相回路的理想特性是是参考时脉和回授时脉的边缘可以对正。在PLL已经锁定时,两者相位的平均误差称为静态相位偏移(static phase offset)或稳态相位误差(steady-state phase error)。二个相位之间的变异称为追随抖动。理想上,静态相位偏移要是0,追随抖动越小越好[可疑]

相位杂讯英语Phase noise是锁相回路会有的另一种抖动,是因为振荡器本身以及振荡器的频率控制电路元件所造成。在此一层面上,已有一些技术比其他技术的性能更好。最早的数位锁相回路是用射极耦合逻辑电路英语Emitter coupled logic(ECL)组成,不过其功耗很高。若要让锁相回路有小的相位杂讯,最好避免使用电晶体-电晶体逻辑(TTL)或的互补式金属氧化物半导体(CMOS)等饱和逻辑特性的零件[11]

锁相回路的另一个理想特性是在电源及地的电压突然变化时,其产生的时脉频率和相位不会受到影响。这称为电源电压抑制比,抑制比越高越好。

若要改善输出的相位杂讯,其VCO可以用注入锁定振荡器英语injection locked oscillator

应用领域

锁相回路常用在同步应用中,例如太空同调解调英语coherent demodulation和门限扩展(threshold extension)的通讯、位元同步英语bit synchronization和符号同步。锁相回路也用在频率调制信号的解调变。在无线电发射机中,会用PLL来合成新的频率,是参考频率的倍数,和参考频率有相同的稳定度。

其他的应用有:

  • 频率调制(FM)讯号的解调变:若PLL锁定FM讯号,VCO会追踪输入信号的瞬时频率。滤波后的误差电压会控制VCO,并且和输入信号锁定,这就是解调变后的FM输出。VCO转递特征会决定解调变输出的线性度。因为用在PLL积分电路中的VCO是高度线性的信号,因此可以实现高线性度的FM解调变器。
  • 频率偏移调变(FSK)的解调变:用在数位资料通讯以及电脑周边上,透过在二个事先设定频率之间切换的信号来传输二进位资料。
  • 小信号的恢复(用锁相放大器来追踪参考频率)
  • 恢复资料流(例如来自碟盘存储资料)的时脉资讯
  • 微处理器倍频器英语CPU multiplier,让内部的处理器元件可以运行的比外部的时脉更快,而且有准确的比例关系。
  • 调制解调器的解调变,以及电信遥控讯号的音频信号。
  • 影响信号的数字信号处理。锁相回路也用来同步影片讯号的相位和频率,因此可以取样及进行数位处理。
  • 非接触式的原子力显微镜,侦测探针和表面的交叉作用产生的共振频率。
  • 直流电动机电机控制器

时脉恢复

有些资料流,特别是高速的串列资料流(例如硬碟磁头读到的原始资料流),在传送时不会将其时脉信号一起送出。接收器利用类似的参考频率来产生时脉,再利用PLL将其时脉和接收资料的相位锁定同步。此程序称为时脉恢复英语clock recovery。为了时脉功能,资料流中必须有够快的资料切换,以校正PLL振荡器的频率飘移。一般而言,会使用一些线路码(例如8b/10b),让二次资料切换时间间隔有一个明确的上限值 [12]

偏移校正

若时脉和资料一起传送,会用时脉为准来进行资料取样。因为时脉接收后需放大,才能驱动正反器取样资料。时脉边缘和接收的资料窗之间会有一个有限大小的时间延迟,长度随过程、温度、电压而不同。此时间延迟会限制传送资料的速率。有一种消除延迟的方式是在接收端加入一个偏移校正(deskew)的PLL,使得每一次资料正反器的时脉都接收到的时间同相位。此应用中,常会使用一种特殊的锁相回路,称为延迟锁定回路英语delay-locked loop(DLL)[12]

展频

所有的电子系统都会发射一些不想要的无线电讯号。有许多的机构(例如美国的联邦通信委员会)会限制这些发射的能量,以及其带来的干扰。发射的杂讯其频率一般会有一个尖锐的频谱峰值(一般是在元件的工作频率,或是其几倍的谐波)。系统设计者可以用展频(spread-spectrum)PLL,将频谱上的能量分散在其他频段,使峰值降低,以减少对高Q值接收器的干扰。例如,将工作频率略为往上或往下调整(约1%),工作在数百MHz的元件,可以将其干扰频谱扩展到数MHz的频宽范围内,这可以大幅减少对调频广播频道(其频宽是数万Hz)的干扰。

时脉分配

 

一般来说,晶片的参考时脉会驱动晶片中的锁相回路(PLL),接著驱动晶片内的时脉分配。时脉分配一般会以平衡分配,设法让时脉可以同时到达晶片的各个端点。其中一个端点是锁相回路的回授输入。锁相回路的功能是比较分配的时脉以及参考时脉,并且调整分配时脉的相位以及频率,使其分配时脉的相位以及频率和参考输入同步。

锁相回路无所不在,包括在距离数公尺的系统时钟校准,也用在晶片中的时脉里。有时参考信号不一定是单纯的时脉信号,也有可能是有够快资料转换的资料流,让锁相回路可以从资料流中取得正常且够快的时脉讯号。有时参考时脉的频率和分配时脉相同,也有可能分配时脉的频率和参考频率之间有有理数的比例关系。

AM侦测

锁相回路可以同步的解调变调幅(AM)信号。锁相回路会从调幅信号的载波中还原频率以及相位资料。VCO收到的相位会和载波差90度,因此会调整相位差使其同步,再送到乘法器中。乘法器的输出包括频率信号的和以及差,再经过低通滤波后取得解调变信号。因为PLL只会针对很接近VCO输出的载波频率有反应,因此PLL AM侦测器有高度的选择性以及杂讯抑制能力,这是传统峰值型解调变器作不到的。不过,若调幅讯号的调变深度到100%,锁相回路可能会无法锁定(lose lock)[13]

频率合成

在数位无线通讯系统(例如GSM、CDMA等)中,在传输时会用PLL针对本地振荡器进行上转换(up-conversion),在接收时也会对本地振荡器进行数位下转换英语Digital down converter。大部份的行动电话中,此一机能已整合到单一的积体电路中,以减小行动电话的成本及体积。在基地站,因为讯号需要的高性能,需要用分立元件来达到所需的性能。GSM本地振荡器模组一般会用频率合成器英语frequency synthesizer积体电路及分立的共振腔压控振荡器[来源请求]

方块图

 
锁相回路的方块图

鉴相器会比较两个输入信号,并产生和其相位差成正比的误差信号,误差信号会经过低通滤波,之后驱动压控振荡器(VCO),以产生输出相位。此输出会透过回授回路(可能再加上除频器)再成为系统的回授输入,因此形成负反馈。若输出相位偏移,误差信号会增加,使压控振荡器的相位往另一个方向变化,以减少相位误差。因此输出相位可以锁定另一输入信号(称为参考信号)的相位[来源请求]

类比的锁相回路是由类比的鉴相器、低通滤波器以及压控振荡器组成,形成负反馈的组态。数位的锁相回路则会有数位的鉴相器,也可能在参考信号、反馈路径(或两者都有)加上除频器,让PLL输出的频率可以维持为参考信号频率的有理数。若将反馈路径的除以N除频器改为可程式化的吞脉冲计数器,也可以让输出信号的频率是参考信号的非整数倍。

振荡器会产生周期性的输出信号。假设一开始振荡器的频率几乎和参考信号相同,若振荡器的相位落后参考信号,鉴相器会增加振荡器的控制电压,使其频率加快。若振荡器的相位领先参考信号,鉴相器会降低振荡器的控制电压,使其频率减慢。因为一开始振荡器的频率可能会和参考信号的频率差很多。实务上的鉴相器也会回应频率差,目的是增加可允许输入的锁定范围。依应用的不同,可能会用压控振荡器的输出作为PLL系统的输出,也可能是以给振荡器的控制信号作为系统输出[来源请求]

组成

鉴相器

鉴相器(phase detector,简称PD)会产生对应二信号相位差的电压。在鉴相器中,鉴相器的信号输入分别是参考输入,以及压控振荡器(VCO)输出的回授信号。鉴相器的输出可以用来控制压控振荡器,使二信号之间的相位差可以调整为定值,因此整个系统是负回授系统 [14]

不同种类的鉴相器有不同的性能特性。

例如,混频器会产生谐波,因此会产生不希望出现的频率边带,也称为参考突波(reference spurs),若希望压控振荡器(VCO)产生的是单一频率的讯号,这就会增加设计的复杂性。在滤波器设计需求中,会因为这部份的滤波而降低捕获范围,或是拉长锁定时间。在这些应用中会使用比较复杂的数位鉴相器,其输出不会有严重的参考突波问题。而且在锁波时,其输入的稳态的相差会接近90度[来源请求]

在锁相回路应用中,常需要知道锁相回路是否有失锁(out of lock)的情形,比较复杂的数位鉴相器会有对应失锁的输出信号。

数位锁相回路中常会使用XOR 门当作简易鉴相器。若对线路作一些简单的修改,也可以用在类比锁相回路中。

滤波器

锁相回路滤波器(多半是低通滤波器)一般会有两种不同的功能。

第一个功能是决定回路的动态特性(也称为稳定性)。这是指回路对扰动(例如参考频率的变动、田回授除频器的变化,或是启动)的响应特性。常见的考量是回路可以锁定的范围(pull-in范围、锁定范围、捕获范围),回路锁定的速度(lock时间,lock-up时间或安定时间)、阻尼英语Damping factor特性等。依应用的不同,滤波器可能会是以下几种的一种或多种:单纯的比例(P,增益或衰减量)、积分(I,低通滤波器)、导数(D,高通滤波器)。回路的参数常会用波德图相位裕度进行检验。控制理论中的常用概念(包括PID控制器)用设计此功能。

第二个功能是限制参考信号的频率能量范围(涟波),这是鉴相器输出以及VCO控制输入上的信号。此信号上若有不希望出现的频率边带,即为参考突波(reference spurs)。

此模组的设计可能主要会是上述二个功能中的一个,也有可能是比较复杂的模组,设法达到上述二功能。常见的取舍可能是增加系统频宽,但是会降低稳定值,或是加入阻尼使稳定性变好,但是降低系统反应速度,增加安定时间。上述的调整也会影响相位杂讯。

振荡器

所有的锁相回路都会有可以调整输出频率的振荡器,可以是由类比电路驱动的类比振荡器(类比锁相回路),或是像部份数位锁相回路(DPLL)的作法,使用数位类比转换器(D-A converter)。若是全数位锁相回路(ADPLL),会用纯数位的振荡器[来源请求]

回授路径以及除频器

 
一个数位除频器(除以4)的例子,可以用在倍数的锁相回路

可以在PLL的振荡器和回授输入之间加入除频器,以进行频率合成英语Frequency synthesizer。在无线电发射器的应用中常会用到可程式的除频器,因为可以用稳定、准确但昂贵的单一频率石英晶体谐振器产生许多不同的频率。

有些PLL在参考时脉和给鉴相器的参考输入之间加入除频器。若回授回路有除 的除频器,而参考输入有除 的除频器,可以让PLL的频率为参考频率的 倍。直接给锁相回路较低频率的参考输入似乎不难,不过有时参考频率因为其他因素而受到限制,因此会改在参考时脉和给鉴相器的参考输入之间加入除频器。

乘频率的PLL也可以用将电子振荡器的输出锁定在参考信号的N次谐波来实现。此时就不用单纯的鉴相器,会用谐波混合器(harmonic mixer)。谐波混合器会将参考信号变成有许多谐波的脉冲序列,[b]。VCO的输出会大约调整到接近其中的一个谐波。因此,想要的谐波混合器输出(表示N次谐波和VCO输出的差异)落在滤波器通带频率范围内。

回授回路中也不一定只能用除频器。回授回路中也可以用乘频器或频率混合器。乘频器会让VCO的输出是参考频率的几分之一。也可以是这些元件的组合。例如频率混合器加上除频器:这可以让除频器运作在很低的频率,但不会影响回路增益。

建模

类比PLL的时域模型

用类比乘法器作为鉴相器,使用线性滤波器的类比PLL,可以用以下方式来推导其方程式。令鉴相器的参考输入为 ,VCO的输出为 ,相位分别是    是各信号波形的函数。则鉴相器的输出 

 

VCO频率会是VCO输入的函数 

 

其中 为VCO的灵敏度,其单位为Hz / V,  是VCO的自由运行频率。

回路滤波器可以用以下线性微分方程系统来表示

 

其中 是滤波器输入  是输波器输出,  维方阵,  .  是滤波器的初始状态。星号表示共轭转置

因此PLL的系统如下

 

其中 是初始的相位偏差量。

类比PLL的相位域模型

考虑PLL的参考输入 和VCO的输出  是高频讯号。 则针对任何片段可微的 周期函数   and  ,存在一函数  使得滤波器 的输出

 

在相位域上渐近等于在时域模型中滤波器的输出( 的差值,相对频率而言很小) [15][16]。 此处 鉴相器特性函数

相位差标示为 

 

则以下的动力系统可以描述PLL的行为

 

此处 ;   是参考振荡器的频率(假设 是定值)。

举例

考虑弦波信号

 

以及作为滤波器的单极点RC电路。其时域模型如下

 

此信号的鉴相器特性等于[17]

 

因此相位域模型如下

 

此系统方程式和单摆的数学方程式等效

 

线性化的相位域模型

锁相回路也可以进行拉普拉斯变换,当做控制系统来分析。其回路响应可以写为下式:

 

其中

  •  是输出相位,单位为弧度
  •  是输入相位,单位为弧度。
  •  是鉴相器增益,单位是V/rads
  •  是压控振荡器增益,单位是rads/V-s
  •  是回路滤波器传递函数(无因次)

回路中可以加入不同的回路滤波器,以控制回路特性。最简单的滤波器是一个极点的RC电路。其回路传递函数如下

 

回路响应为:

 

这是标准的谐振子型式。其分母和以下的二阶系统有关:

 

其中 阻尼比 是回路的自然频率

针对单极点的RC滤波器

 
 

回路的自然频率是量测回路的响应时间,阻尼比则是和过冲和振铃(ringing)有关。理想上,自然频率越高越好,阻尼比应接近0.707(临界阻尼)。不过针对单极点滤波器,自然频率和阻尼比两者无法个别独立调整。考虑临界阻尼

 
 

另外一种比较有效的滤波器,超前-滞后滤波器(lag-lead filter),其中有一个极点和一个零点,可以用二个电阻和一个电容实现,其传递函数为

 

此滤波器有二个时间常数

 
 

自然频率和阻尼比和时间常数的关系如下

 
 

因此给定自然频率和阻尼比,可以针算回路滤波器的时间常数

 
 

真实应用中的回路滤波器设计会更复杂,可能会使用高阶的滤波器去降低特定来源的相位杂讯(可以参考以下D Banerjee的参考资料)。

用软体实现数位锁相回路

数位锁相回路可以用硬体来实现,例如用像是CMOS 4046的积体电路。不过微处理器的速度越来越快,因此若锁相的频率没有到MHz的等级,这类的应用(例如精准的控制马达速度)可以用软体来实现锁相回路。用软体实现数位锁相回路有几个好处,对于反馈回路的客制比比较简单(包括参考信号和输出信号的除频、倍频或频率比例关系)。而且,软体实现容易了解,也容易作实验。以下是一个用MATLAB实现的数位鉴相器,这类的鉴相器强健性高,而且容易实现。

% This example is written in MATLAB

% Initialize variables
vcofreq = zeros(1, numiterations);
ervec = zeros(1, numiterations);
% Keep track of last states of reference, signal, and error signal
qsig = 0; qref = 0; lref = 0; lsig = 0; lersig = 0;
phs = 0;
freq = 0;

% Loop filter constants (proportional and derivative)
% Currently powers of two to facilitate multiplication by shifts
prop = 1 / 128;
deriv = 64;

for it = 1:numiterations
    % Simulate a local oscillator using a 16-bit counter
    phs = mod(phs + floor(freq / 2 ^ 16), 2 ^ 16);
    ref = phs < 32768;
    % Get the next digital value (0 or 1) of the signal to track
    sig = tracksig(it);
    % Implement the phase-frequency detector
    rst = ~ (qsig & qref); % Reset the "flip-flop" of the phase-frequency
    % detector when both signal and reference are high
    qsig = (qsig | (sig & ~ lsig)) & rst; % Trigger signal flip-flop and leading edge of signal
    qref = (qref | (ref & ~ lref)) & rst; % Trigger reference flip-flop on leading edge of reference
    lref = ref; lsig = sig; % Store these values for next iteration (for edge detection)
    ersig = qref - qsig; % Compute the error signal (whether frequency should increase or decrease)
    % Error signal is given by one or the other flip flop signal
    % Implement a pole-zero filter by proportional and derivative input to frequency
    filtered_ersig = ersig + (ersig - lersig) * deriv;
    % Keep error signal for proportional output
    lersig = ersig;
    % Integrate VCO frequency using the error signal
    freq = freq - 2 ^ 16 * filtered_ersig * prop;
    % Frequency is tracked as a fixed-point binary fraction
    % Store the current VCO frequency
    vcofreq(1, it) = freq / 2 ^ 16;
    % Store the error signal to show whether signal or reference is higher frequency
    ervec(1, it) = ersig;
end

在此例子中,假设tracksig阵列中有要追踪的参考信号。振荡器是用计数器来实现,计数器的最高位元表示振荡器开启或是关闭。程式模拟二个D型触发器,可以作为相位和频率的比较器。不论参考信号或回授信号出现上缘时,对应的触发器会为高准位,当二个触发器都是高准位时,会将触发器重置。二个触发器中何者为高准位,表示参考信号领先回授信号或落后回授信号。误差信号是这二个触发器值的差值。超前-滞后滤波器是用在滤波误差信号中入误差信号以及其导数所得。接下来要进行整合以找到其自然频率。

在实务上,可以在锁相回路的回授中加入其他的动作。例如锁相回路是要实现倍频器,则振荡信号可以先除频,再和参考信号比较。

相关条目

注解

  1. ^ 若频率为常数,初始相位为零,弦波的相位就和时间成正比
  2. ^ 一般而言,参考弦波会驱动步进恢复二极体英语step recovery diode产生脉冲序列。脉冲序列会驱动取样率

参考资料

  1. ^ Christiaan Huygens, Horologium Oscillatorium … (Paris, France: F. Muguet, 1673), pages 18–19. From page 18: " … illudque accidit memoratu dignum, … brevi tempore reduceret." ( … and it is worth mentioning, since with two clocks constructed in this form and which we suspend in like manner, truly the cross beam is assigned two fulcrums [i.e., two pendulum clocks were suspended from the same wooden beam]; the motions of the pendulums thus share the opposite swings between the two [clocks], since the two clocks at no time move even a small distance, and the sound of both can be heard clearly together always: for if the innermost part [of one of the clocks] is disturbed with a little help, it will have been restored in a short time by the clocks themselves.) English translation provided by Ian Bruce's translation of Horologium Oscillatorium页面存档备份,存于互联网档案馆), pages 16–17.
  2. ^ See:
    • Lord Rayleigh, The Theory of Sound (London, England: Macmillan, 1896), vol. 2. The synchronization of organ pipes in opposed phase is mentioned in §322c, pages 221–222.
    • Lord Rayleigh (1907) "Acoustical notes — VII," Philosophical Magazine, 6th series, 13 : 316–333. See "Tuning-forks with slight mutual influence," pages 322–323.页面存档备份,存于互联网档案馆
  3. ^ See:
    • Vincent (1919) "On some experiments in which two neighbouring maintained oscillatory circuits affect a resonating circuit," Proceedings of the Physical Society of London, 32, pt. 2, 84–91.
    • W. H. Eccles and J. H. Vincent, British Patent Specifications, 163 : 462 (17 Feb. 1920).
  4. ^ E. V. Appleton (1923) "The automatic synchronization of triode oscillators," Proceedings of the Cambridge Philosophical Society, 21 (Part III): 231–248. Available on-line at: Internet Archive.
  5. ^ Henri de Bellescize, "La réception synchrone," L'Onde Électrique (later: Revue de l'Electricité et de l'Electronique), vol. 11, pages 230–240 (June 1932).
  6. ^ See also: French patent no. 635,451 (filed: 6 October 1931; issued: 29 September 1932); and U.S. patent "Synchronizing system,"页面存档备份,存于互联网档案馆) no. 1,990,428 (filed: 29 September 1932; issued: 5 February 1935).
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延伸阅读

外部链接