一種新型帶寬自適應(yīng)全數(shù)字鎖相環(huán)的設(shè)計方案

　　本方案采用理論分析與硬件電路設(shè)計相結(jié)合的方法進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計，并用FPGA予以實現(xiàn)。系統(tǒng)仿真與硬件電路測試結(jié)果證實了設(shè)計方案的正確性。該鎖相環(huán)的自由振蕩頻率可隨輸入信號頻率的變化而改變，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、鎖相范圍廣、鎖定速度快和穩(wěn)態(tài)誤差小等特點。

　　0 引言

　　鎖相環(huán)是一個輸出信號能夠跟蹤輸入信號相位的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，由于其獨特的優(yōu)良性能，在通信、雷達(dá)、測量和自動化控制等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。

　　全數(shù)字鎖相環(huán)(ADPLL)相對于模擬鎖相環(huán)具有可靠性高、參數(shù)穩(wěn)定、易于集成等特點，因而得到了越來越廣泛的研究，成為各種電子設(shè)備中必不可少的組成部件。

　　鎖相環(huán)具有三個重要的性能指標(biāo)：鎖相范圍、鎖相速度和穩(wěn)定性。為提高鎖相環(huán)的各項性能指標(biāo)，一些學(xué)者進(jìn)行了深入的分析和研究。

　　本文提出了一種基于自適應(yīng)比例積分的復(fù)合控制方式，來克服鎖相環(huán)所存在的鎖相范圍、鎖相速度以及穩(wěn)定性之間相互制約的問題。

　　1 全數(shù)字鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)和工作原理

　　系統(tǒng)由數(shù)字鑒相器、自適應(yīng)控制器、數(shù)字濾波器和數(shù)控振蕩器四個模塊組成，如圖1所示。下面對各個模塊的工作原理進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

　　該ADPLL采用雙D觸發(fā)式數(shù)字鑒相器。鑒相器對輸入信號和輸出信號的相位進(jìn)行比較，輸出反應(yīng)相位超前(或滯后)的信號sub(add)，sub 和add 不僅反映了相位的超前滯后情況，其脈沖寬度也反映了相位誤差的大小。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　自適應(yīng)控制器模塊主要起到調(diào)節(jié)環(huán)路帶寬的作用?？刂破饕环矫鎸斎胄盘栠M(jìn)行鑒頻，另一方面對鑒相誤差信號sub、add進(jìn)行量化，根據(jù)量化值計算出濾波器控制參數(shù)M，如果輸入信號頻率發(fā)生較大的變化，控制器發(fā)出控制信號sig，將控制參數(shù)M 賦給濾波器，對周期性復(fù)位可逆計數(shù)器和不復(fù)位可逆計數(shù)器進(jìn)行初始置位，以此來迅速地實現(xiàn)頻率捕捉和環(huán)路帶寬的調(diào)整。

　　環(huán)路濾波器主要由周期性復(fù)位可逆計數(shù)器和不復(fù)位可逆計數(shù)器構(gòu)成，其中系統(tǒng)高頻時鐘clk為其同步時鐘信號，add和sub作為兩個計數(shù)器的加、減計數(shù)使能控制信號。計數(shù)使能信號為高電平時，兩計數(shù)器在clk時鐘上升沿到來時進(jìn)行相應(yīng)的加1或減1操作，計數(shù)使能為低電平時則保持計數(shù)值不變。當(dāng)輸入信號fin 上升沿到來時，將兩計數(shù)器的計數(shù)值進(jìn)行移位相加，相加結(jié)果送入鎖存器，作為數(shù)控振蕩器的控制參數(shù)N，然后將比例計數(shù)器復(fù)位。

　　數(shù)控振蕩器模塊采用除N 計數(shù)器式數(shù)控振蕩器，在系統(tǒng)高頻時鐘clk的控制下工作，分頻參數(shù)N 來自環(huán)路濾波器的輸出值，如果計數(shù)器計數(shù)值小于N，每一次clk 上升沿到來時，計數(shù)器加1，計數(shù)到N 時，計數(shù)器復(fù)位，輸出fout 取反。

　　2 系統(tǒng)的建模與分析

　　由以上分析可知，當(dāng)輸入信號在鎖頻點附近變動時，鎖相環(huán)的數(shù)學(xué)模型可以用圖3來表示。

　　圖3 中，θin (s) 為輸入信號fin 的相位，θout (s) 為數(shù)字壓控振蕩器輸出信號fout 的相位;Kdpd (s)、Kdlf (s)、Kdco (s) 分別為數(shù)字鑒相器環(huán)節(jié)、數(shù)字濾波器環(huán)節(jié)、數(shù)字壓控振蕩器環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。

　　2.1 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

　　設(shè)系統(tǒng)高頻時鐘信號為fclk，由雙D 觸發(fā)器型鑒相器的工作原理可以求出鑒相模塊的傳遞函數(shù)為：