第1章 PLL工作原理與電路構(gòu)成 1

（PLL與頻率合成技術(shù)簡介）

1.1 PLL電路的基本T作原理 1

1.1.1 PLL電路的三大組成部分 1

1.1.2 PLL的應(yīng)用與頻率合成器 3

1.1.3 PLL電路各部分工作波形 3

1.2 PLL電路以及頻率合成器的構(gòu)成 4

1.2.1 輸出為輸入N倍頻的方法 4

1.2.2 輸出為輸入N/M倍頻的方法（輸入部分接入分頻電路） 5

1.2.3 輸出為輸入N/M倍頻的方法（輸出部分接入分頻電路） 5

1.2.4 輸出為輸入N×M倍頻的方法（增設(shè)前置頻率倍減器） 6

1.2.5 PLL電路與外差電路的組合方式（輸出為（fin×N） fL） 7

1.2.6 PLL電路與DDS的組合方式 7

1.3 PLL頻率合成器的信號(hào)純正度 9

1.3.1 理想頻率合成器的輸出頻譜（1根譜線） 9

1.3.2 振幅調(diào)制的噪聲（AM噪聲） 10

1.3.3 頻率調(diào)制的噪聲（FM噪聲） 12

1.3.4 FM噪聲的影響 14

1.4 PLL的其他應(yīng)用 16

1.4.1 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)恢復(fù)為時(shí)鐘的情況 16

【專欄】 dBc 18

1.4.2 頻率-電壓轉(zhuǎn)換電路（FM解調(diào)電路） 19

1.4.3 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制電路 19

【專欄】 PLL電路的發(fā)明者Bellescize 20

附錄A PLL電路中負(fù)反饋的應(yīng)用 21

A.1 PLL電路與運(yùn)算放大器電路的異同 2l

A.2 放大電路中學(xué)習(xí)的負(fù)反饋方式與特性 23

第2章 PLL電路的傳輸特性 31

（PLL電路的特性由環(huán)路濾波器決定）

2.1 PLL電路傳輸特性的理解 31

2.1.1 PLL電路各部分的傳輸特性 31

2.1.2 簡單例題（時(shí)鐘的50倍頻電路） 33

2.1.3 傳輸特性的求法（除環(huán)路濾波器特性以外） 35

【專欄】 仿真使用SPICE非常方便 36

2.1.4 使用的環(huán)路濾波器的特性與PLL電路的傳輸特性 37

2.1.5 PLL電路中施加負(fù)反饋的效果 39

2.2 環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí) 41

2.2.1 RC低通濾波器的特性 41

2.2.2 具有階躍特性的RC低通濾波器 43

2.2.3 多級(jí)RC濾波器中增益與相位之間關(guān)系 44

2.2.4 普通的RC低通濾波器（使用滯后濾波器時(shí)環(huán)路特性不穩(wěn)定） 46

2.2.5 使PLL特性穩(wěn)定的滯后超前濾波器 47

第3章 PLL電路中環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)方法 51

（無源/有源環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)例與驗(yàn)證）

3.1 無源環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì) 51

3.1.1 滯后超前濾波器的伯德圖 51

3.1.2 PLL電路與滯后超前濾波器組合的特性 53

3.1.3 分頻系數(shù)的改變情況 56

3.1.4 根據(jù)規(guī)格化曲線圖求出環(huán)路濾波器的常數(shù)(參照附錄B) 57

3.2 10~100kHz PLL頻率合成器中環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì) 59

3.2.1 作為實(shí)驗(yàn)用頻率合成器的概況 59

3.2.2 頻率合成器傳輸特性的求法（除環(huán)路濾波器以外） 61

3.2.3 時(shí)間常數(shù)小、M=-10dB、相位裕量為60。的設(shè)計(jì) 61

3.2.4 時(shí)間常數(shù)中等、M=-20dB、相位裕量為50。的設(shè)計(jì) 64

3.2.5 時(shí)間常數(shù)大、M=-30dB、相位裕量為50。的設(shè)計(jì) 66

3.2.6 試做的頻率合成器的輸出波形 68

3.2.7 試做的頻率合成器的輸出頻譜 70

3.2.8 鎖相速度 72

3.3 有源環(huán)路濾波器 75

3.3.1 有源環(huán)路濾波器 75

3.3.2 2次有源環(huán)路濾波器的伯德圖 75

3.3.3 3次有源環(huán)路濾波器 77

3.3.4 有源環(huán)路濾波器的噪聲 79

3.3.5 根據(jù)規(guī)格化曲線圖求出有源環(huán)路濾波器常數(shù)的方法80

3.4 25~50MHz PLL頻率合成器中環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì) 80

3.4.1 實(shí)際電路中設(shè)計(jì)的有源環(huán)路濾波器 80

3.4.2 使用規(guī)格化曲線圖求出環(huán)路濾波器的常數(shù) 81

3.4.3 時(shí)間常數(shù)小、M=0dB、相位裕量為50。的設(shè)計(jì) 85

3.4.4 時(shí)間常數(shù)中等、M=-10dB、相位裕量為50。的設(shè)計(jì) 86

3.4.5 時(shí)間常數(shù)大、M=-20dB、相位裕量為50。的設(shè)計(jì) 88

3.4.6 試做的頻率合成器的輸出波形 89

3.4.7 試做的頻率合成器的輸出頻譜 90

3.4.8 鎖相速度 92

3.4.9 鎖相速度的仿真 94

【專欄】用于測量頻率變化形式的調(diào)制磁疇分析儀 97

3.5 相位裕量不同時(shí)PLL電路的特性 97

3.5.1 用作實(shí)驗(yàn)的50倍頻電路 98

3.5.2 環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì) 99

3.5.3 相位裕量為40。的設(shè)計(jì) 99

3.5.4 相位裕量為50。的設(shè)計(jì) 100

3.5.5 相位裕量為60。的設(shè)計(jì) 100

3.5.6 頻率特性的仿真 101

3.5.7 輸出波形的頻譜 103

3.5.8 鎖相速度 104

3.5.9 PLL電路最適用的相位裕量(40。~50。) 105

第4章 4046與各種鑒相器 109

（PLL電路中使用的重要器件的基礎(chǔ)知識(shí)）

4.1 PLL的重要器件4046 109

4.1.1 PLL的入門器件 109

4.1.2 4046的三種類型 110

4.1.3 74 HC4016片內(nèi)三種鑒相器 110

4.1.4 4046片內(nèi)VCO的特性 113

4.2 鑒相器的工作要點(diǎn) 115

4.2.1 模擬鑒相器 115

4.2.2 數(shù)字鑒相器 118

4.2.3 相位頻率型鑒相器 120

4.2.4 4046中PC2型鑒相器 123

4.2.5 死區(qū) 124

4.2.6 電流輸出型鑒相器 126

4.2.7 高速鑒相器AD 9901 127

第5章 電壓控制振蕩器VCO的電路 131

（VCO要求的特性及各種振蕩電路方式）

5.1 VCO要求的性能 131

5.1.1VCO的概況 131

3.1.2 頻率可變范圍 133

5.1.3 頰率控制的線性 133

5.1.4 輸出噪聲 133

5.1.5 輸出波形的失真 134

5.1.6 電源電壓變化時(shí)的穩(wěn)定度 134

5.1.7 環(huán)境溫度變化時(shí)的穩(wěn)定度 134

5.1.8 外界磁場與振動(dòng)的影響 135

5.2 由弛張振蕩器構(gòu)成的VCO 135

5.2.1 函數(shù)發(fā)生器的基本工作原理 135

5.2.2 由函數(shù)發(fā)生器構(gòu)成的VCO 138

5.2.3 函數(shù)發(fā)生器IC MAX038的應(yīng)用 139

5.3 反饋振蕩器 142

5.3.1 反饋振蕩器的基本工作原理 142

5.3.2 反饋振蕩器振蕩穩(wěn)定的方法 142

5.3.3 由RC構(gòu)成的反饋振蕩器 143

5.3.4 狀態(tài)可變VCO 147

5.4 高頻用LC振蕩電路及其在VCO中的應(yīng)用 151

5.4.1 基本的哈脫萊/科耳皮茲振蕩電路 151

5.4.2 科耳皮茲的改進(jìn)型克拉普振蕩電路 152

5.4.3 反耦合振蕩電路 153

5.4.4 由LC振蕩器構(gòu)成VCO時(shí)采用的變?nèi)荻O管 151

5.4.5 市售的LC振蕩式VCO電路 157

5.5 其他的VCO電路 158

5.5.1 由振子構(gòu)成的反饋振蕩器 158

5.5.2 延遲振蕩器 162

第6章 可編程分頻器的種類與工作原理 163

（構(gòu)成PLL頻率合成器的數(shù)字電路）

6.1 可編程分頻器的基本器件（減計(jì)數(shù)器） l63

6.1.1 7IHC191 163

6.1.2 74HC40102/40103 164

6.1.3 TC 9198 165

6.2 前置頻率倍減器 168

6.2.1 前置頻率倍減器IC 168

6.2.2 脈沖吞沒(Pulse Swallow)方式 170

6.2.3 分?jǐn)?shù)(Fractional)-N方式 171

6.3 PLL用LSI 172

6.3.1 PLL專用LSI的構(gòu)成 172

6.3.2 ADF4110/4111/4112/4113 173

第7章 PLL電路的測試與評價(jià)方法 177

（無源/有源環(huán)路濾波器的環(huán)路增益）

7.1 負(fù)反饋電路中環(huán)路增益的測試 177

7.1.1 難以測試的環(huán)路增益 177

7.1.2 施加負(fù)反饋時(shí)原環(huán)路增益的測試 l78

7.1.3 負(fù)反饋環(huán)路測試的仿真 180

7.1.4 實(shí)際注入的信號(hào) 181

7.2 使用頻率響應(yīng)分析儀的測試方法 183

7.2.1 負(fù)反饋環(huán)路特性的測試 183

7.2.2 FRA與FFT分析儀的不同之處 185

7.2.3 FRA與網(wǎng)絡(luò)分析儀的不同之處 185

7.3 PLL電路中環(huán)路增益的測試 186

7.3.1 使用無源環(huán)路濾波器的PLL 186

7.3.2 使用有源環(huán)路濾波器的PLL 188

第8章 PLL特性改善技術(shù) 191

（信號(hào)純正度與鎖相速度的提高技術(shù)）

8.1 優(yōu)質(zhì)的電源 191

8.1.1 使用CMOS反相器電路進(jìn)行的實(shí)驗(yàn) 191

8.1.2 使用晶體振蕩電路進(jìn)行的實(shí)驗(yàn) 193

8.1.3 串聯(lián)穩(wěn)壓器噪聲特性的比較 196

8.2 VCO控制電壓特性的改善 200

8.2.1 CD74HC4046內(nèi)VCO線性的改善 200

8.2.2 CD74HC4046片內(nèi)VCO的頻率變化范圍的擴(kuò)大 204

8.3 VCO與鑒相器之間的干擾 206

8.3.1 74HC4046中VCO與鑒相器同在的情況 206

8.3.2 用1個(gè)74HC4046進(jìn)行的實(shí)驗(yàn) 207

8.3.3 使用2個(gè)74HC4046迸行的實(shí)驗(yàn)(VCO和鑒相器在不同的封裝中） 209

8.4 鑒相器的死區(qū) 210

8.4.1 用74HC4046進(jìn)行死區(qū)影響的實(shí)驗(yàn) 211

8.4.2 PC2與巴厘枚嘎模塊VCO的組合使用 213

8.4.3 4046中PC1與巴厘枚嘎模塊VCO的組合使用 217

8.4.4 74HCT9046與巴厘枚嘎模塊VCO的組合使用 220

8.5 鎖相速度的改善 221

8.5.1 用二極管切換環(huán)路濾波器常數(shù)的方法 222

8.5.2 用模擬開關(guān)切換環(huán)路濾波器常數(shù)的方法 224

8.5.3 用D-A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行預(yù)置電壓相加的方法 226

第9章 實(shí)用的PLL頻率合成器的設(shè)計(jì)與制作 229

（環(huán)路濾波器的詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)測特性）

9.1 使用74HC4046的時(shí)鐘頻率合成器 229

9.1.1 替代1Hz~10MHz晶體的頻率合成器 229

9.1.2 全部使用CMOS IC構(gòu)成的頻率合成器 230

9.1.3 環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì) 233

9.1.4 輸出波形 235

9.1.5 頻譜 235

9.1.6 鎖相速度 238

9.2 使用TLC2933構(gòu)成的脈沖頻率合成器 239

9.2.1 TLC29xx系列的概況 239

9.2.2 時(shí)鐘頻率合成器電路 239

9.2.3 環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì) 241

9.2

鎖相環(huán)[PLL]電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用造價(jià)信息

市場價(jià) 信息價(jià) 詢價(jià)
材料名稱 規(guī)格/型號(hào) 市場價(jià)
（除稅）		 工程建議價(jià)
（除稅）		 行情 品牌 單位 稅率 供應(yīng)商 報(bào)價(jià)日期
PBI高頻頭（單極化數(shù)字寬帶鎖相環(huán)） 規(guī)格型號(hào)：PLC-900-Ku 查看價(jià)格 查看價(jià)格

PBI

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電路板 HBA 產(chǎn)品編號(hào):39R6525 單口 4Gb, PCI-E FC HBA, Qlogic 查看價(jià)格 查看價(jià)格

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嘉州Cal150345-Ku高頻頭（本振11.30GHz）（+-25kHz鎖相環(huán)） 規(guī)格型號(hào)：Cal150345-Ku 查看價(jià)格 查看價(jià)格

嘉州

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諾賽特Norsat3220-C高頻頭(本振5.15GHz)（+-10kHz鎖相環(huán)） 規(guī)格型號(hào)：Norsat3220-C 查看價(jià)格 查看價(jià)格

諾賽特

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材料名稱 規(guī)格/型號(hào) 除稅
信息價(jià)		 含稅
信息價(jià)		 行情 品牌 單位 稅率 地區(qū)/時(shí)間
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（元）		 供應(yīng)商 報(bào)價(jià)地區(qū) 最新報(bào)價(jià)時(shí)間
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適讀人群 ：電子、通信等領(lǐng)域技術(shù)人員，大學(xué)相關(guān)專業(yè)的本科生、研究生，廣大的電子愛好者

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鎖相環(huán)[PLL]電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用圖書目錄文獻(xiàn)

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1 工程常用圖書目錄（電氣、給排水、暖通、結(jié)構(gòu)、建筑） 序號(hào) 圖書編號(hào) 圖書名稱 價(jià)格（元） 備注 JTJ-工程 -24 2009JSCS-5 全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施－電氣 128 JTJ-工程 -25 2009JSCS-3 全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施－給水排水 136 JTJ-工程 -26 2009JSCS-4 全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施－暖通空調(diào) ?動(dòng)力 98 JTJ-工程 -27 2009JSCS-2 全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施－結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)體系） 48 JTJ-工程 -28 2007JSCS-KR 全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施 節(jié)能專篇－暖通空調(diào) ?動(dòng)力 54 JTJ-工程 -29 11G101-1 混凝土結(jié)構(gòu)施工圖平面整體表示方法制圖規(guī)則和構(gòu)造詳圖（現(xiàn)澆混凝土框架、剪力墻、框架 -剪力墻、框 支剪力墻結(jié)構(gòu)、現(xiàn)澆混凝土樓面與屋面板） 69 代替 00G101

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鎖相的意義是相位同步的自動(dòng)控制，能夠完成兩個(gè)電信號(hào)相位同步的自動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)叫做鎖相環(huán)，簡稱PLL。它廣泛應(yīng)用于廣播通信、頻率合成、自動(dòng)控制及時(shí)鐘同步等技術(shù)領(lǐng)域。

一個(gè)典型的鎖相環(huán)（PLL）系統(tǒng)，是由鑒相器（PD），壓控蕩器（VCO）和低通濾波器（LPF）三個(gè)基本電路組成，如圖1，

圖1

一、鑒相器（PD）

構(gòu)成鑒相器的電路形式很多，這里僅介紹實(shí)驗(yàn)中用到的兩種鑒相器。

1．異或門鑒相器 異或門的邏輯真值表示于表1，圖2是邏輯符號(hào)圖。

從表1可知，如果輸入端A和B分別送入占空比為50%的信號(hào)波形， 則當(dāng)兩者存在相位差Dθ時(shí)，輸出端F的波形的占空比與Δθ有關(guān)，見圖3。將F輸出波形通過積分器平滑，則積分器輸出波形的平均值，它同樣與Δθ有關(guān)，這樣，我們就可以利用異或門來進(jìn)行相位到電壓的轉(zhuǎn)換，構(gòu)成相位檢出電路。于是經(jīng)積分器積分后的平均值（直流分量）為：U = Vdd * Δ θ/π (1)

不同的Δθ，有不同的直流分量Vd。Δθ與V的關(guān)系可用圖4來描述。從圖中可知，兩者呈簡單線形關(guān)系：Ud = Kd *Δθ (2)

Kd 為鑒相靈敏度

圖3

圖4

2．邊沿觸發(fā)鑒相器 前已述及，異或門相位比較器在使用時(shí)要求兩個(gè)作比較的信號(hào)必須是占空比為50%的波形，這就給應(yīng)用帶來了一些不便。而邊沿觸發(fā)鑒相器是通過比較兩輸入信號(hào)的上跳邊沿（或下跳邊沿）來對信號(hào)進(jìn)行鑒相，對輸入信號(hào)的占空比不作要求。

二、壓控振蕩器（VCO）

壓控振蕩器是振蕩頻率ω0受控制電壓U-F（t）控制的振蕩器，即是一種電壓——頻率變換器。VCO的特性可以用瞬時(shí)頻率ω0（t）與控制電壓U-F（t）之間的關(guān)系曲線來表示。未加控制電壓時(shí)（但不能認(rèn)為就是控制直流電壓為0，因控制端電壓應(yīng)是直流電壓和控制電壓的疊加），VCO的振蕩頻率，稱為自由振蕩頻率ωom，或中心頻率，在VCO線性控制范圍內(nèi)，其瞬時(shí)角頻率可表示為：

ωo（t）= ωom + K0 UF（t）

式中，K0——VCO控制特性曲線的斜率，常稱為VCO的控制靈敏度，或稱壓控靈敏度。

三、環(huán)路濾波器

這里僅討論無源比例積分濾波器如圖5。其傳遞函數(shù)為：

式中：τ1 = R1 C

τ2 = R2 C

圖5

四、鎖相環(huán)的相位模型及傳輸函數(shù)

圖6

圖6為鎖相環(huán)的相位模型。要注意一點(diǎn)，鎖相環(huán)是一個(gè)相位反饋系統(tǒng)，在環(huán)路中流通的是相位，而不是電壓。因此研究鎖相環(huán)的相位模型就可得環(huán)路的完整性能。

由圖6可知：

（1）當(dāng)A點(diǎn)斷開環(huán)路時(shí)，鎖相環(huán)的開環(huán)相位傳輸函數(shù)為

KL(S)=

（2）環(huán)路閉合時(shí)的相位傳輸函數(shù)為

H（S）

（3）環(huán)路閉合時(shí)的相位誤差傳輸函數(shù)為

He（S）=

當(dāng)環(huán)路濾波器選用無源比例積分濾波器時(shí)，經(jīng)推導(dǎo)可得：

H（S）=

式中，，τ1 = R1 C ,τ2 = R2 C

2x

x= , K = Kd Ko

同樣可得：

He(S)=

ωn稱為系統(tǒng)的固有頻率或自然角頻率；

x 稱為系統(tǒng)的阻尼系數(shù)。

要注意的是上面討論中的ω指的是輸入信號(hào)相位的變化角頻率，而不是輸入信號(hào)本身的角頻率。如輸入信號(hào)是調(diào)頻信號(hào)，則ω指的是調(diào)制信號(hào)的角頻率而不是載波的角頻率。

五、鎖相環(huán)的同步與捕捉

鎖相環(huán)的輸出頻率（或VCO的頻率）ωo能跟蹤輸入頻率ωi的工作狀態(tài)，稱為同步狀態(tài)，在同步狀態(tài)下，始終有ωo = ωi。在鎖相環(huán)保持同步的條件下，輸入頻率ωi的最大變化范圍，稱為同步帶寬，用DωH 表示。超出此范圍，環(huán)路則失鎖。

失鎖時(shí)，ωo≠ωi，如果從兩個(gè)方向設(shè)法改變?chǔ)豬，使ωi向ωo靠攏，進(jìn)而使Δωo =（ωi－ωo）↓，當(dāng)Δωo小到某一數(shù)值時(shí)，環(huán)路則從失鎖進(jìn)入鎖定狀態(tài)。這個(gè)使PLL經(jīng)過頻率牽引最終導(dǎo)致入鎖的頻率范圍稱為捕捉帶Δωp。同步帶ΔωH，捕捉帶Δωp 和VCO 中心頻率ωo的 關(guān)系如圖7。

圖7

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3.1、基本工作原理

壓控振蕩器給出一個(gè)信號(hào)，一部分作為輸出，另一部分通過分頻與PLL IC所產(chǎn)生的本振信號(hào)作相位比較，為了保持頻率不變，就要求相位差不發(fā)生改變，如果有相位差的變化，則PLL IC的電壓輸出端的電壓發(fā)生變化，去控制VCO，直到相位差恢復(fù)！達(dá)到鎖頻的目的！能使受控振蕩器的頻率和相位均與輸入信號(hào)保持確定關(guān)系的閉環(huán)電子電路。

3.2、模擬鎖相環(huán)工作原理

模擬鎖相環(huán)主要由相位參考提取電路、壓控振蕩器、相位比較器、控制電路等組成。壓控振蕩器輸出的是與需要頻率很接近的等幅信號(hào)，把它和由相位參考提取電路從信號(hào)中提取的參考信號(hào)同時(shí)送入相位比較器，用比較形成的誤差通過控制電路使壓控振蕩器的頻率向減小誤差絕對值的方向連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)鎖相，從而達(dá)到同步。

3.3、數(shù)字鎖相環(huán)工作原理

數(shù)字鎖相環(huán)主要由相位參考提取電路、晶體振蕩器、分頻器、相位比較器、脈沖補(bǔ)抹門等組成。分頻器輸出的信號(hào)頻率與所需頻率十分接近，把它和從信號(hào)中提取的相位參考信號(hào)同時(shí)送入相位比較器，比較結(jié)果示出本地頻率高了時(shí)就通過補(bǔ)抹門抹掉一個(gè)輸入分頻器的脈沖，相當(dāng)于本地振蕩頻率降低；相反，若示出本地頻率低了時(shí)就在分頻器輸入端的兩個(gè)輸入脈沖間插入一個(gè)脈沖，相當(dāng)于本地振蕩頻率上升，從而達(dá)到同步。

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鎖相環(huán)最初用于改善電視接收機(jī)的行同步和幀同步，以提高抗干擾能力。20世紀(jì)50年代后期隨著空間技術(shù)的發(fā)展，鎖相環(huán)用于對宇宙飛行目標(biāo)的跟蹤、遙測和遙控。60年代初隨著數(shù)字通信系統(tǒng)的發(fā)展，鎖相環(huán)應(yīng)用愈廣，例如為相干解調(diào)提取參考載波、建立位同步等。具有門限擴(kuò)展能力的調(diào)頻信號(hào)鎖相鑒頻器也是在60年代初發(fā)展起來的。在電子儀器方面，鎖相環(huán)在頻率合成器和相位計(jì)等儀器中起了重要作用.

鎖相環(huán)技術(shù)目前的應(yīng)用集中在以下三個(gè)方面：第一 信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)；第二 信號(hào)的調(diào)頻和解調(diào)；第三信號(hào)頻率合成電路。

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