锁相环（Phase-Locked Loop，PLL）是一种电子电路，常用于时钟生成、频率合成、信号恢复、频率调制解调和频率多路复用等应用中。在FPGA设计中我们通常会调用IP核来使用PLL，目的是为了得到想要的时钟频率，下图是quartusII调用IP核使用PLL锁相环的选择生成界面。可以实现分频、倍频、改变占空比，其中areset与原复位信号相反，c0为输出想要的频率，locked锁定。

以下是关于锁相环的背景、原理、介绍和应用的概要：

1. 背景和意义

   - 锁相环最早在20世纪30年代提出，最初用于电信和雷达应用。
   - 锁相环广泛用于电子系统中，以稳定和控制信号的频率、相位和时序，以满足各种通信、数据传输和信号处理需求。
   - 在数字电路和通信领域，PLL可以用来提取、跟踪、复原和生成特定频率的信号，以实现数据同步、时钟分配和频率调整等功能。

2. 原理

   - 锁相环由三个主要部分组成：相位比较器、控制环和振荡器。（有的地方会有不同的叫法例如鉴频鉴相器、环路滤波器、压控振荡器）

鉴频鉴相器（PD-Phase Detector）通过比较输入信号和压控振荡器的输出信号的相位，输出一定的电压信号。输出的电压信号是关于这个信号相位差的函数。

环路滤波器（LF-Loop Filter）我们可以把它理解为一个低通滤波器，滤除掉鉴相器输出电压中的高频分量和噪声，只保留低频分量。

压控振荡器（Voltage-Controlled Oscillator，VCO）受环路滤波器输出电压的控制，压控振荡器的振荡频率向输出信号的频率靠拢，直到它们的频率相同。同时使VCO的输出信号和输入信号的相位保持着特定的关系，用来锁定相位。

反馈路径（Feedback Path）

从VCO输出的信号通过反馈路径输入到相位比较器，与输入信号进行比较，形成反馈信号。反馈路径的目的是让系统试图保持输入信号和VCO输出信号的相位差稳定。

   - 相位比较器比较输入信号与反馈信号，并产生一个误差信号，表示它们之间的相位差。
   - 控制环使用误差信号来调整振荡器的频率，使其逐渐接近输入信号的频率，从而最小化相位误差。
   - 一旦锁定，PLL会保持输入信号和振荡器信号之间的恒定相位差，这就是锁定状态。

PLL的工作原理如下：

1. 起始状态：

   • 初始时，PLL处于未锁定状态，VCO的输出频率可能与输入信号的频率不同。

2. 相位比较：

   • 相位比较器比较输入信号和反馈信号的相位差，产生误差信号。

3. 误差信号滤波：

   • 误差信号通过环路滤波器，滤除高频噪声，产生一个平滑的控制电压。

4. 控制电压调整：

   • 控制电压通过VCO，调整VCO的输出频率。
   • 当误差信号存在时，控制电压将逐渐变化，以使VCO的频率逐渐接近输入信号的频率。

5. 锁定状态：

   • 当VCO的输出频率与输入信号的频率非常接近时，相位差趋于零，误差信号趋近于零。
   • 此时，PLL处于锁定状态，VCO的频率与输入信号的频率保持稳定的相位关系。

6. 维持稳定状态：

   • 一旦锁定，PLL会持续调整VCO的频率，以保持输入信号和反馈信号之间的恒定相位差，即使输入信号的频率发生变化也能迅速跟随。

PLL的应用广泛，包括时钟生成、频率合成、信号恢复、频率调制解调、频率多路复用等领域。它在通信、电子、射频和控制系统中都有重要作用。

3. 介绍

   - PLL通常由一个参考信号和一个VCO（Voltage-Controlled Oscillator，电压控制振荡器）组成。
   - 参考信号可以是外部信号，也可以是PLL内部产生的。
   - VCO的频率由控制电压调节，这个电压受到相位比较器输出的影响。
   - 当输入信号与反馈信号达到锁定状态时，VCO的频率与输入信号的频率相匹配。

锁相环（PLL: Phase-locked loops）是利用回授（Feedback）控制原理实现的频率及相位的控制系统，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，当参考信号的频率或相位发生改变时，锁相环会检测到这种变化，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）。

锁相环有许多种，最简单的锁相环会包括变频振荡器以及鉴相器，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，锁相环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、解调变及频率合成。

锁相环常用在无线电、电信、电子计算机及其他电子设备中。锁相环也可以用来解调变讯号、从高噪声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）、或在数字电路（例如微处理器）中产生准确的时钟脉冲。因为单一的集成电路即可提供完整的锁相环机能，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。

4. 应用

   - 时钟生成和分配：PLL常用于数字系统中，以产生和分配稳定的时钟信号，确保各个部件的同步操作。
   - 频率合成：PLL可用于将多个低频率信号合成为一个高频率信号，适用于通信和射频设备。
   - 信号恢复：在数据通信中，PLL可用于从调制信号中恢复基带信号。
   - 频率调制解调：PLL可用于调制和解调模拟信号，如调频调幅调制解调。
   - 频率多路复用：PLL可用于生成和同步多个信号，以在通信系统中进行频率多路复用。

1. 时钟生成和分配：

   • 在数字系统中，时钟信号的稳定性和准确性至关重要。PLL常用于生成稳定的时钟信号，确保各个系统元件的同步操作。
   • PLL可以将不稳定的参考时钟信号转换为高质量的本地时钟信号，以供微处理器、FPGA、ASIC等数字电路使用。

2. 频率合成：

   • PLL可以将一个或多个低频信号合成为一个高频信号。这在通信和射频领域中特别有用，例如，将多个频带信号合成为一个宽带信号。
   • PLL还用于产生稳定的本振信号，用于射频发射机和接收机。

3. 信号恢复：

   • 在通信中，PLL可用于从接收到的复杂调制信号中恢复出原始基带信号。这在调频调幅调制解调、QPSK解调等数字通信中非常重要。
   • 它还可以用于消除时钟抖动或噪声对接收到的信号的影响。

4. 频率调制解调：

   • PLL可用于实现频率调制（FM）和频率解调（FM）功能。在FM广播、音频处理和数据通信中广泛使用。
   • 在FM广播中，PLL用于解调广播信号以获取声音或音乐。

5. 频率多路复用：

   • PLL可用于生成和同步多个频率信号，以进行频率多路复用（FDM）或频分多址（FDMA）通信。
   • 这在无线通信系统中常用于同时传输多个信号或用户。

6. 频率跟踪和偏差检测：

   • PLL可用于实时跟踪输入信号的频率变化，并检测频率偏差。
   • 这在自动频率控制（AFC）和频率锁定环（FLL）中非常有用，例如，GPS接收机中用于跟踪卫星信号的频率。

7. 电源管理：

   • 在电源管理电路中，PLL用于产生稳定的时钟信号，以实现功耗优化和电源调整。

8. 光通信：

   • 在光通信系统中，PLL用于控制光源的频率，确保光信号与其他信号同步，以实现高速数据传输。

总之，锁相环在多个领域中都扮演着关键的角色，用于控制、合成和跟踪信号的频率和相位，以满足通信、计算机、射频和电子系统的各种需求。其应用范围广泛，从时钟生成到信号处理，都离不开PLL的支持。