全數(shù)字鎖相環(huán)的設計及分析

　　1 引 言

　　鎖相環(huán)是一種能使輸出信號在頻率和相位上與輸入信號同步的電路，即系統(tǒng)進入鎖定狀態(tài)(或同步狀態(tài))后，震蕩器的輸出信號與系統(tǒng)輸入信號之間相差為零，或者保持為常數(shù)。傳統(tǒng)的鎖相環(huán)各個部件都是由模擬電路實現(xiàn)的，一般包括鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VCO)三個環(huán)路基本部件。

　　隨著數(shù)字技術的發(fā)展，全數(shù)字鎖相環(huán)ADPLL(AllDigital Phase-Locked Loop)逐步發(fā)展起來。所謂全數(shù)字鎖相環(huán)，就是環(huán)路部件全部數(shù)字化，采用數(shù)字鑒相器、數(shù)字環(huán)路濾波器、數(shù)控振蕩器構成鎖相環(huán)路，并且系統(tǒng)中的信號全是數(shù)字信號。與傳統(tǒng)的模擬電路實現(xiàn)的鎖相環(huán)相比，由于避免了模擬鎖相環(huán)存在的溫度漂移和易受電壓變化影響等缺點，從而具備可靠性高、工作穩(wěn)定、調節(jié)方便等優(yōu)點。全數(shù)字鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬和中心頻率編程可調，易于構建高階鎖相環(huán)，并且應用在數(shù)字系統(tǒng)中時，不需A／D及D／A轉換。在調制解調、頻率合成、FM立體聲解碼、圖像處理等各個方面得到廣泛的應用。

　　隨著電子設計自動化(EDA)技術的發(fā)展，可以采用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?如CPLD或FPGA)和VHDL語言來設計專用芯片ASIC和數(shù)字系統(tǒng)。本文完成了全數(shù)字鎖相環(huán)的設計，而且可以把整個系統(tǒng)嵌入SoC，構成片內鎖相環(huán)。

　　2全數(shù)字鎖相環(huán)的體系結構和工作原理

　　74XX297 是出現(xiàn)最早，應用最為廣泛的一款全數(shù)字鎖相環(huán)，在本文中以該芯片為參考進行設計、分析。ADPLL基本結構如圖1所示，主要由鑒相器、K變?？赡嬗嫈?shù)器、脈沖加減電路和除N計數(shù)器4部分構成。K變模計數(shù)器和脈沖加減電路的時鐘分別為Mfc和2Nfc。這里fc是環(huán)路中心頻率，一般情況下M和N都是2的整數(shù)冪。

　　2.1 鑒相器

　　常用的鑒相器有兩種類型：異或門(XOR)鑒相器和邊沿控制鑒相器(ECPD)。異或門鑒相器比較輸入信號Fin相位和輸出信號Fout相位之間的相位差 θe，并輸出誤差信號Se作為K變模可逆計數(shù)器的計數(shù)方向信號。環(huán)路鎖定時，θe=0，Se為一占空比50％的方波。當θe=+π/2時，Se等于1；當 θe=-π／2時，Se等于0。因此異或門鑒相器相位差極限為±π／2，邊沿控制鑒相器相位差極限為±π。

　　2.2 K變模可逆計數(shù)器

　　K 變?？赡嬗嫈?shù)器消除了鑒相器輸出的誤差信號Se中的高頻成分，保證環(huán)路的性能穩(wěn)定。K變模可逆計數(shù)器主要是根據(jù)鑒相器的輸出作為方向脈沖，輸出加減脈沖信號。當Se為低電平時，計數(shù)器進行加運算，如果相加的結果達到預設的模值，則輸出一個進位脈沖信號CARRY；當Se為高電平時，計數(shù)器進行減運算，如果減的結果達到零，則輸出一個借位脈沖信號BORROW。

　　2.3脈沖加減電路

　　K變?？赡嬗嫈?shù)器的CARRY和BORROW信號分別接到脈沖加減電路的INC和DEC信號。脈沖加減電路實現(xiàn)了對輸入信號頻率和相位的跟蹤和調整，最終使輸出信號鎖定在輸入信號的頻率和相位上，可以稱之為數(shù)控振蕩器。

　　2.4除N計數(shù)器

　　除N計數(shù)器對脈沖加減電路的輸出IDOUT進行N分頻，得到整個環(huán)路的輸出信號Fout。同時，因為fc=IDCLOCK／2N，因此通過改變分頻值N可以得到不同的環(huán)路中心頻率fc。

　　3全數(shù)字鎖相環(huán)的實現(xiàn)與仿真

　　本設計在Altera公司的Max+PlusⅡ開發(fā)軟件平臺上，利用VHDL語言運用自頂向下的系統(tǒng)設計方法，完成ADPLL的設計。首先根據(jù)系統(tǒng)中各個功能模塊的要求分別設計環(huán)路各個部件的邏輯電路，并進行仿真驗證，然后再將各部件組合起來，進行系統(tǒng)仿真和驗證。

　　異或門鑒相器和除N計數(shù)器的實現(xiàn)較為簡單，不再進行詳細說明。

　　3.1 K變?？赡嬗嫈?shù)器

　　K 變模可逆計數(shù)器由兩個獨立的計數(shù)器UPCOUNTER，DOWN COUNTER組成，分別對應設計中的q0，q1。K為計數(shù)器的模值，總是2的整數(shù)冪，可由輸入a[3..0]控制改變。計數(shù)器的操作由DN／UP信號控制。時鐘clk頻率為數(shù)字鎖相環(huán)中心頻率的M倍，clk上升沿計數(shù)。K計數(shù)器首先預置模數(shù)，然后把鑒相器的輸出信號作為方向脈沖，控制內部計數(shù)器進行加、減計數(shù)。如果這個信號為高，DOWN COUNTER有效進行遞減計算，UP COUNTER保持為零；相反，UP COUNTER有效進行累加計算，DOWN COUNTER保持為預置模數(shù)。UP COUNTER計數(shù)值超過K時，increase輸出為1，計數(shù)器清零。DOWN COUNTER計數(shù)值為0時，decrease輸出為1，計數(shù)器恢復為預置模數(shù)。

　　a[3..0]=1時，設定K值為4。K變?？赡嬗嫈?shù)器仿真波形如圖2所示。

　　3.2脈沖加減電路

　　脈沖加減電路需要利用多個觸發(fā)器配合產生時序，其輸出為IDOUT。當沒有進位或借位脈沖信號時，他把外部參考時鐘進行二分頻；當有進位脈沖信號inc 時，則在輸出的二分頻信號中插入半個脈沖，以提高輸出信號的頻率；當有借位脈沖信號dec時，則在輸出的二分頻信號中減去半個脈沖，以降低輸出信號的頻率。VHDL設計代碼如下，圖3為其仿真波形。

　　3.3全數(shù)字鎖相環(huán)的實現(xiàn)與仿真