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(jiǎn)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。
輸入
輸出
a
b
f
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
0
圖2
表1
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(jiǎn)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(duì)信號(hào)進(jìn)行鑒相，對(duì)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uf（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uf（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