采用VHDL設(shè)計(jì)的全數(shù)字鎖相環(huán)電路設(shè)計(jì)

鎖相環(huán)

鎖相環(huán)

0 　引言

全數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL) 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(diǎn)。從而具備可靠性高、工作穩(wěn)定、調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)。在調(diào)制解調(diào)、頻率合成、FM立體聲解碼、圖像處理等各個(gè)方面得到廣泛的應(yīng)用。隨著電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA) 技術(shù)的發(fā)展,采用大規(guī)模可編程邏輯器件(如CPLD 或FPGA) 和VHDL 語言來設(shè)計(jì)專用芯片ASIC 和數(shù)字系統(tǒng),而且可以把整個(gè)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片中,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)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 　DPLL 的基本結(jié)構(gòu)

全數(shù)字鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示, 由數(shù)字鑒相器、數(shù)字環(huán)路濾波器和數(shù)控振蕩器3 部分組成。

　　設(shè)計(jì)中數(shù)字鑒相器采用了異或門鑒相器;數(shù)字環(huán)路濾波器由變?？赡嬗?jì)數(shù)器構(gòu)成(模數(shù)K 可預(yù)置) ;數(shù)控振蕩器由加/ 減脈沖控制器和除N 計(jì)數(shù)器構(gòu)成。

　　可逆計(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。

　　2 　數(shù)字鎖相環(huán)的原理與實(shí)現(xiàn)

　　全數(shù)字鎖相環(huán)原理如圖2 所示, 其中: clk 為時(shí)鐘頻率,等于32f 0 ; U1 為輸入,頻率為f0 ; j 為異或門鑒相器的輸出,它作為變?？赡嬗?jì)數(shù)器的方向控制信號(hào);out 為加/ 減脈沖控制器的輸出; U2 為DPLL 的輸出,在相位鎖定的頻率為f0 , 相位與輸入U(xiǎn)1 相差Π/ 2 ; D、C、B 、A 可預(yù)置變?？赡嬗?jì)數(shù)器的模數(shù),它在0001 ―1111 范圍內(nèi)變化, 相應(yīng)的模數(shù)在2.3 ―2. 17 范圍內(nèi)變化; En 為可逆計(jì)數(shù)器使能端。

　圖2 數(shù)字鎖相環(huán)原理圖

　2. 1 　鑒相器的設(shè)計(jì)

　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)。

　當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí), f i 和f o 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)器加和減的周期是相同的,只要可逆計(jì)數(shù)器只對(duì)其時(shí)鐘的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, 加/ 減脈沖控制器只對(duì)其時(shí)鐘2Nf o 進(jìn)行二分頻, 使f i和f o 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, 即一個(gè)脈沖。反之, 若Ud = 1 時(shí), 可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行減計(jì)數(shù), 并將反出解圍脈沖到加/ 減脈沖控制器的減輸入端d ,于是,該控制器便在二分頻過程中減去半個(gè)時(shí)鐘周期,即一個(gè)脈沖。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)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)到鎖定的狀態(tài)。