基于FPGA的全數(shù)字鎖相環(huán)路的設(shè)計(jì)

數(shù)字鎖相環(huán)路已在數(shù)字通信?無線電電子學(xué)及電力系統(tǒng)自動(dòng)化等領(lǐng)域中得到了極為廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的全數(shù)字鎖相環(huán)路(DPLL)是由中?小規(guī)模TTL集成電路構(gòu)成。這類DPLL工作頻率低，可靠性較差。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，不僅能夠制成頻率較高的單片集成鎖相環(huán)路，而且可以把整個(gè)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上去，實(shí)現(xiàn)所謂片上系統(tǒng)SOC(System on a chip)。因此，可以把全數(shù)字鎖相環(huán)路作為一個(gè)功能模塊嵌入SOC，構(gòu)成片內(nèi)鎖相環(huán)。下面介紹采用VHDL技術(shù)設(shè)計(jì)DPLL的一種方案。

1 工作原理

　　全數(shù)字鎖相環(huán)路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中數(shù)字鑒相器由異或門構(gòu)成，數(shù)字環(huán)路濾波器由變?？赡嬗?jì)數(shù)器構(gòu)成，數(shù)控振蕩器由加/減脈沖控制器和除N計(jì)數(shù)器組成?？赡嬗?jì)數(shù)器和加/減脈沖控制器的時(shí)鐘頻率分別為Mf0和2Nf0。這里f0是環(huán)路的中心頻率，一般情況下M和N為2的整數(shù)冪。時(shí)鐘2Nf0經(jīng)除H(=M/2N)計(jì)數(shù)器得到。

　　異或門鑒相器用于比較輸入信號(hào)u1與數(shù)控振蕩器輸出信號(hào)u2的相位差，其輸出信號(hào)ud作為可逆計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向控制信號(hào)。當(dāng)ud為低電平時(shí)(u1和u2有同極性時(shí))，可逆計(jì)數(shù)器作“加”計(jì)數(shù)。反之，當(dāng)ud 為高電平時(shí)，可逆計(jì)數(shù)器作“減”計(jì)數(shù)。

　　異或門鑒相器在環(huán)路鎖定時(shí)和相位誤差達(dá)到極限時(shí)的相應(yīng)波形如圖2所示。當(dāng)環(huán)路瑣定時(shí)，u1和u2正交，鑒相器的輸出信號(hào)ud為50%占空比的方波，此時(shí)定義相位誤差為零。在這種情況下，可逆計(jì)數(shù)器“加”與“減”的周期相同，只要可逆計(jì)數(shù)器的k值足夠大(k>M/4)，其輸出端就不會(huì)產(chǎn)生進(jìn)位或借位脈沖。這時(shí)，加/減脈沖控制器只對(duì)其時(shí)鐘2Nf0進(jìn)行二分頻，使u1和u2的相位保持正交。在環(huán)路未鎖定的情況下，若ud=0時(shí)，它使可逆計(jì)數(shù)器向上加計(jì)數(shù)，并導(dǎo)致進(jìn)位脈沖產(chǎn)生，進(jìn)位脈沖作用到加/減脈沖控制器的“加”控制端i，該控制器便在二分頻過程中加入半個(gè)時(shí)鐘周期。反之，若ud=1，可逆計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)，并將發(fā)出借位脈沖到加/減脈沖控制器的“減”輸入端d，于是，該控制器便在二分頻的過程中減去半個(gè)周期。這個(gè)過程是連續(xù)發(fā)生的。加/減脈沖控制器的輸出經(jīng)過除N計(jì)數(shù)器后，使得本地估算信號(hào)u2的相位受到調(diào)整控制，最終達(dá)到鎖定狀態(tài)。

2 環(huán)路部件的設(shè)計(jì)

　　這里重點(diǎn)介紹數(shù)字環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)。數(shù)字環(huán)路濾波器是由變?？赡嬗?jì)數(shù)器構(gòu)成。在ud的控制下，當(dāng)j=0時(shí)，對(duì)時(shí)鐘Mf0進(jìn)行“加”計(jì)數(shù);當(dāng)j=1時(shí)，進(jìn)行“減”計(jì)數(shù)?？赡嬗?jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)容量(模數(shù)k)可以利用A?B?C?D四位進(jìn)行預(yù)置，從而方便地改變模數(shù)。其預(yù)置模數(shù)的范圍為，當(dāng)D?C?B?A在0001～1111取值時(shí)，相應(yīng)模數(shù)的變化范圍是23～217?？梢?，可逆計(jì)數(shù)器的長(zhǎng)度能夠根據(jù)模數(shù)k值的大小來實(shí)現(xiàn)數(shù)字編程控制。取D?C?B?A為0001時(shí)，K=23，計(jì)數(shù)器長(zhǎng)度只有三級(jí)，因而可以擴(kuò)大捕捉帶，縮短鎖定時(shí)間。在D?C?B?A取1111時(shí)，K=217，計(jì)數(shù)器長(zhǎng)度變?yōu)槭呒?jí)，這時(shí)捕捉帶縮小，縮定時(shí)間延長(zhǎng)。變模可逆計(jì)數(shù)器的VHDL設(shè)計(jì)程序如下:

　　library ieee；

　　use ieee.std_logic_1164.all；

　　use ieee.std_logic_unsigned.all；

　　entity count_k is

　　port(clk，j，en，d，c，b，a：in std_logic；

r1，r2：out std_logic)；

　　end；

　　architecture behave of count_k is

　　signal cq，k，mo：std_logic_vector(16 downto 0)；

　　signal cao1，cao2：std_logic；

　　signal instruction：std_logic_vector(3 downto 0)；

　　begin

instruction=d c b a；

with instruction select

mo =″00000000000000111″ when ″0001″，

″00000000000001111″ when ″0010″，

″00000000000011111″ when ″0011″，

″00000000000111111″ when ″0100″，

″00000000001111111″ when ″0101″，

″00000000011111111″ when ″0110″，

″00000000111111111″ when ″0111″，

″00000001111111111″ when ″1000″，

″00000011111111111″ when ″1001″，

″00000111111111111″ when ″1010″，

″00001111111111111″ when ″1011″，

″00011111111111111″ when ″1100″，

″00111111111111111″ when ″1101″，

″01111111111111111″ when ″1110″，

″11111111111111111″ when ″1111″，

″00000000000000111″ when others；

　　process(clk，en，j，k，cq)

　　begin

if clk＇event and clk=＇1＇ then

k=mo；

if en=＇1＇ then

if j=＇0＇ then

if cq

else cq=(others=>＇0＇)；

end if；

else

if cq>0 then cq=cq-1；

else cq=k；

end if；

end if；

else cq=(others=>＇0＇)；

end if；

　　end if；

　　end process；

　　process(en，j，cq，k)

　　begin

if en=＇1＇ then

if j=＇0＇ then

if cq=k then cao1=＇1＇；

else cao1=＇0＇；

end if；

cao2=＇0＇；

else

if cq=″00000000000000000″then cao2=＇1＇；

else cao2=＇0＇；

end if；

cao1=＇0＇；

　end if；

else cao1=＇0＇； cao2=＇0＇；

end if；

　　end process；

r1=cao1； r2=cao2；

　　end behave；

根據(jù)對(duì)其他環(huán)路部件的功能分析，也可以設(shè)計(jì)出相應(yīng)的VHDL程序。

3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　本設(shè)計(jì)中全數(shù)字鎖相環(huán)路采用XILINX公司的Foundation 3.1版本進(jìn)行設(shè)計(jì)，并用Spartan2系列的FPGA予以實(shí)現(xiàn)。下面分別給出變?？赡嬗?jì)數(shù)器和加/減脈沖控制器的仿真波形如圖3?圖4所示。從圖3中可見，當(dāng)j=0時(shí)，可逆計(jì)數(shù)器做加計(jì)數(shù)，若取模k=24，則當(dāng)計(jì)數(shù)值cq=0000FH時(shí)，計(jì)數(shù)器產(chǎn)生進(jìn)位脈沖(r1=1);當(dāng)j=1后，在下一個(gè)時(shí)鐘的上升沿到來時(shí)，可逆計(jì)數(shù)器開始做減計(jì)數(shù)，當(dāng)cq=00000H時(shí)，產(chǎn)生借位脈沖(r2=1)。改變模k便可延長(zhǎng)或縮短可逆計(jì)數(shù)器產(chǎn)生進(jìn)位脈沖和借位脈沖的時(shí)間。同時(shí)，由圖1可知，可逆計(jì)數(shù)的加/減計(jì)數(shù)信號(hào)j是由鑒相器的輸出信號(hào)ud控制的，而其進(jìn)位脈沖r1和借位脈沖r2又分別與加/減脈沖控制器的i和d相接，用于控制其輸出脈沖的序列。

　　由圖4可知，在無進(jìn)位和借位脈沖時(shí)，加/減脈沖控制器對(duì)2Nf0時(shí)鐘進(jìn)行二分頻。一旦可逆計(jì)數(shù)器有進(jìn)位脈沖或借位脈沖輸出時(shí)，作用到加/減脈沖控制器i或d端，便使其輸出脈沖序列發(fā)生了變化。當(dāng)可逆計(jì)數(shù)器輸出一個(gè)進(jìn)位脈沖時(shí)，使i=1，則在i的下降沿到來之后，加/減脈沖控制器的輸出端q插入一個(gè)脈沖，即在其輸出序列中加入了半個(gè)周期;反之，當(dāng)可逆計(jì)數(shù)器輸出一個(gè)借位脈沖時(shí)，使d=1，則在d的下降沿到來之后，q端刪除一個(gè)脈沖，即在加/減脈沖控制器的輸出序列中刪去了半個(gè)周期。由以上對(duì)圖3?4仿真波形的分析可知，變?？赡嬗?jì)數(shù)器和加/減脈沖控制器的邏輯功能符合設(shè)計(jì)要求。把全數(shù)字鎖相環(huán)路的各部件連接起來進(jìn)行系統(tǒng)仿真，可得其仿真波形如圖5和圖6所示。其中圖5是取k=25時(shí)的系統(tǒng)仿真波形，由圖中可見，u1和u2達(dá)到鎖定狀態(tài)時(shí)的仿真時(shí)間是175μs。圖6是取k=28時(shí)的系統(tǒng)仿真波形，在這種情況下，u1和u2達(dá)到鎖定狀態(tài)時(shí)的仿真時(shí)間是1.04ms。顯然，模k愈大，環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)的時(shí)間愈長(zhǎng)。

　　值得指出的是，在環(huán)路鎖定狀態(tài)下，由于可逆計(jì)數(shù)器的連續(xù)計(jì)數(shù)，或在噪聲的干擾下，會(huì)產(chǎn)生進(jìn)位和借位脈沖。如果k值取得太小，則可逆計(jì)數(shù)器因頻繁地循環(huán)計(jì)數(shù)而產(chǎn)生進(jìn)位或借位脈沖，這就導(dǎo)致了在環(huán)路的輸出端出現(xiàn)相位抖動(dòng)。為了減少這種相位抖動(dòng)，k值必須取大于M/4。

　　由以上分析可知，模k的取值要適當(dāng)。k取得大，對(duì)抑制噪聲?減少相位抖動(dòng)有利，但同時(shí)又加大了環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)的時(shí)間。反之，k取得小，可以加速環(huán)路的鎖定，而對(duì)噪聲的抑制能力卻隨之降低。

　　采用VHDL設(shè)計(jì)全數(shù)字鎖相環(huán)路，具有設(shè)計(jì)靈活?修改方便和易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，并能夠制成嵌入式片內(nèi)鎖相環(huán)。該類數(shù)字鎖相環(huán)路中計(jì)數(shù)器的模數(shù)可以隨意修改。這樣，就能夠根據(jù)不同情況最大限度地?靈活地設(shè)計(jì)環(huán)路。