又稱調頻迴旋加速器或穩相加速器，它是為克服經典迴旋加速器的極限能量的限制而發展起來的迴旋式加速器。同步迴旋加速器採用調頻技術，在加速過程中，使加速電場的頻率跟隨粒子的迴旋頻率同步下降，以此保持諧振加速條件。它在結構上同經典迴旋加速器非常相似。主要區別是它在 D形電極共振回路中使用可變電容器，以實現頻率的調變。頻率調變的幅度一般在2:1左右，調製的重複頻率約60～100Hz。
在調變加速場的頻率時，實際上隻有某種所謂“同步步”粒子準確滿足諧振加速條件，其他粒子則不能嚴格滿足。但是加速器中存在著一種稱為“自動穩相”的機制。它是由Β.И.韋克斯勒和E.M.麥克米倫各自在1944～1945年提出的，稱為自動穩相原理。它保證同步粒子周圍有一群粒子穩定地得到加速。當非同步粒子的相位 φ因某種原因小於同步粒子的相位φs（設能量W 等於同步粒子的能量Ws）時，它將獲得較大的加速，從而周期變長，在以後的加速中φ不斷增大，直到φ＞φs；而φ一旦大於φs，粒子在加速中獲得的能量就比同步粒子小，於是周期開始減小。φ繼續增長到某最大值（此時W＝Ws）後，開始變小。如此往復，使非同步粒子的相位φ 保持在φs的附近作穩定的相振蕩。隻要非同步粒子的能量以及進入電場時的相位都與同步粒子足夠靠近。它們可以一直保持在同步粒子的周圍作穩定的相振蕩，並獲得與同步粒子相同的平均能量增益。附圖定性地表示瞭這種加速過程中非同步粒子的能量(W)和相位(φ)圍繞同步粒子變化的情況。其他遠離同步的粒子，不能被加速器所“俘獲”，在調變頻率的一個周期內，隻提供一個束流脈沖。
采用頻率調變不再可能連續加速粒子，加速得的束流是脈沖束，平均電流通常在幾微安以下，僅為經典回旋加速器的0.1％～1％。它提高瞭加速粒子的能量（每粒子能量可達幾百乃至上千兆電子伏）。但限制瞭束流的強度。這個缺點後來被不變頻率的新型回旋加速器(見扇形聚焦回旋加速器)所克服。另外，由於磁鐵重量近似同能量的三次方成比例，能量增大時磁鐵迅速變大，結果建造大磁鐵的經濟性成為新的限制。為瞭克服這個困難，在高能范圍，一般采用具有環形磁鐵的同步加速器結構（見粒子加速器）。