摘 要: 介紹了應用VHDL技術設計嵌入式全數字" title="全數字">全數字鎖相環路" title="鎖相環路">鎖相環路的方法。詳細敘述了其工作原理和設計思想，并用可編程邏輯器件FPGA予以實現。

　　關鍵詞: VHDL語言 全數字鎖相環路(DPLL) 片上系統(SOC) FPGA

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　　數字鎖相環路已在數字通信?無線電電子學及電力系統自動化等領域中得到了極為廣泛的應用。傳統的全數字鎖相環路(DPLL)是由中?小規模TTL集成電路構成。這類DPLL工作頻率低，可靠性較差。隨著集成電路技術的發展，不僅能夠制成頻率較高的單片集成鎖相環路，而且可以把整個系統集成到一個芯片上去，實現所謂片上系統SOC(System on a chip)。因此，可以把全數字鎖相環路作為一個功能模塊嵌入SOC，構成片內鎖相環。下面介紹采用VHDL技術設計DPLL的一種方案。

1 工作原理

　　全數字鎖相環路的結構框圖如圖1所示。其中數字鑒相器由異或門構成，數字環路濾波器由變模可逆計數器構成，數控振蕩器由加/減脈沖控制器" title="脈沖控制器">脈沖控制器和除N計數器組成?？赡嬗嫈灯骱图?減脈沖控制器的時鐘頻率分別為Mf₀和2Nf₀。這里f₀是環路的中心頻率，一般情況下M和N為2的整數冪。時鐘2Nf₀經除H(=M/2N)計數器得到。

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

　　異或門鑒相器在環路鎖定時和相位誤差達到極限時的相應波形如圖2所示。當環路瑣定時，u₁和u₂正交，鑒相器的輸出信號ud為50%占空比的方波，此時定義相位誤差為零。在這種情況下，可逆計數器“加”與“減”的周期相同，只要可逆計數器的k值足夠大(k>M/4)，其輸出端就不會產生進位或借位脈沖。這時，加/減脈沖控制器只對其時鐘2Nf0進行二分頻，使u₁和u₂的相位保持正交。在環路未鎖定的情況下，若u_d=0時，它使可逆計數器向上加計數，并導致進位脈沖產生，進位脈沖作用到加/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時鐘周期。反之，若u_d=1，可逆計數器減計數，并將發出借位脈沖到加/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周期。這個過程是連續發生的。加/減脈沖控制器的輸出經過除N計數器后，使得本地估算信號u2的相位受到調整控制，最終達到鎖定狀態。

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2 環路部件的設計

　　這里重點介紹數字環路濾波器的設計。數字環路濾波器是由變模可逆計數器構成。在u_d的控制下，當j=0時，對時鐘Mf₀進行“加”計數;當j=1時，進行“減”計數。可逆計數器的計數容量(模數" title="模數">模數k)可以利用A?B?C?D四位進行預置，從而方便地改變模數。其預置模數的范圍為，當D?C?B?A在0001～1111取值時，相應模數的變化范圍是23～217?？梢姡赡嬗嫈灯鞯拈L度能夠根據模數k值的大小來實現數字編程控制。取D?C?B?A為0001時，K=23，計數器長度只有三級，因而可以擴大捕捉帶，縮短鎖定時間。在D?C?B?A取1111時，K=217，計數器長度變為十七級，這時捕捉帶縮小，縮定時間延長。變?？赡嬗嫈灯鞯腣HDL設計程序如下:

　　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；

????根據對其他環路部件的功能分析，也可以設計出相應的VHDL程序。

3 設計實現

　　本設計中全數字鎖相環路采用XILINX公司的Foundation 3.1版本進行設計，并用Spartan2系列的FPGA予以實現。下面分別給出變?？赡嬗嫈灯骱图?減脈沖控制器的仿真波形" title="仿真波形">仿真波形如圖3?圖4所示。從圖3中可見，當j=0時，可逆計數器做加計數，若取模k=2⁴，則當計數值cq=0000FH時，計數器產生進位脈沖(r1=1);當j=1后，在下一個時鐘的上升沿到來時，可逆計數器開始做減計數，當cq=00000H時，產生借位脈沖(r2=1)。改變模k便可延長或縮短可逆計數器產生進位脈沖和借位脈沖的時間。同時，由圖1可知，可逆計數的加/減計數信號j是由鑒相器的輸出信號ud控制的，而其進位脈沖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。

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　　由圖4可知，在無進位和借位脈沖時，加/減脈沖控制器對2Nf₀時鐘進行二分頻。一旦可逆計數器有進位脈沖或借位脈沖輸出時，作用到加/減脈沖控制器i或d端，便使其輸出脈沖序列發生了變化。當可逆計數器輸出一個進位脈沖時，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插入一個脈沖，即在其輸出序列中加入了半個周期;反之，當可逆計數器輸出一個借位脈沖時，使d=1，則在d的下降沿到來之后，q端刪除一個脈沖，即在加/減脈沖控制器的輸出序列中刪去了半個周期。由以上對圖3?4仿真波形的分析可知，變模可逆計數器和加/減脈沖控制器的邏輯功能符合設計要求。把全數字鎖相環路的各部件連接起來進行系統仿真，可得其仿真波形如圖5和圖6所示。其中圖5是取k=2⁵時的系統仿真波形，由圖中可見，u₁和u₂達到鎖定狀態時的仿真時間是175μs。圖6是取k=2⁸時的系統仿真波形，在這種情況下，u₁和u₂達到鎖定狀態時的仿真時間是1.04ms。顯然，模k愈大，環路進入鎖定狀態的時間愈長。

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　　值得指出的是，在環路鎖定狀態下，由于可逆計數器的連續計數，或在噪聲的干擾下，會產生進位和借位脈沖。如果k值取得太小，則可逆計數器因頻繁地循環計數而產生進位或借位脈沖，這就導致了在環路的輸出端出現相位抖動。為了減少這種相位抖動，k值必須取大于M/4。

　　由以上分析可知，模k的取值要適當。k取得大，對抑制噪聲?減少相位抖動有利，但同時又加大了環路進入鎖定狀態的時間。反之，k取得小，可以加速環路的鎖定，而對噪聲的抑制能力卻隨之降低。

　　采用VHDL設計全數字鎖相環路，具有設計靈活?修改方便和易于實現的優點，并能夠制成嵌入式片內鎖相環。該類數字鎖相環路中計數器的模數可以隨意修改。這樣，就能夠根據不同情況最大限度地?靈活地設計環路。

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參考文獻

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2 胡華春，石 玉.數字鎖相環路原理與應用.上海:上?？萍汲霭嫔纾?990