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[導(dǎo)讀]摘要:針對以往全數(shù)字鎖相環(huán)研究中所存在電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)難度較大和系統(tǒng)性能欠佳等問題,提出了一種實(shí)現(xiàn)全數(shù)字鎖相環(huán)的新方法。該鎖相環(huán)以數(shù)字比例積分控制的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)取代了傳統(tǒng)的一些數(shù)字環(huán)路濾波控制方法。應(yīng)用

摘要:針對以往全數(shù)字鎖相環(huán)研究中所存在電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)難度較大和系統(tǒng)性能欠佳等問題,提出了一種實(shí)現(xiàn)全數(shù)字鎖相環(huán)的新方法。該鎖相環(huán)以數(shù)字比例積分控制的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)取代了傳統(tǒng)的一些數(shù)字環(huán)路濾波控制方法。應(yīng)用EDA技術(shù)完成系統(tǒng)設(shè)計(jì),并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。仿真結(jié)果表明:在一定的頻率范圍內(nèi),該鎖相環(huán)鎖定時(shí)間最長小于15個(gè)輸入信號周期,相位抖動(dòng)小于輸出信號周期的5%,且具有電路結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)路性能好和易于集成的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞:比列積分控制;全數(shù)字鎖相環(huán);超高速集成電路硬件描述語言;現(xiàn)場可編程門陣列

    鎖相環(huán)在通信、無線電電子學(xué)和自動(dòng)控制等領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用,它已成為各類電子系統(tǒng)中一個(gè)十分重要的部件。由于全數(shù)字鎖相環(huán)(ADPLL)消除了模擬鎖相環(huán)中壓控振蕩器(VCO)的非線性,鑒相器不精確,部件易飽和以及高階環(huán)不穩(wěn)定等特點(diǎn),而其本身又具有參數(shù)穩(wěn)定、可靠性高、易于集成的特點(diǎn),因此,ADPLL得到了越來越多的應(yīng)用。傳統(tǒng)的數(shù)字鎖相環(huán)系統(tǒng)是希望通過采用具有低通特性的環(huán)路濾波器,獲得穩(wěn)定的振蕩控制數(shù)據(jù)。對于數(shù)字濾波器采用基于DSP的運(yùn)算電路的全數(shù)字鎖相環(huán),當(dāng)環(huán)路帶寬很窄時(shí),環(huán)路濾波器的實(shí)現(xiàn)將需要很大的電路量,這給專用集成電路的應(yīng)用和片上系統(tǒng)SoC(System on Chip)的設(shè)計(jì)帶來一定困難。另一種類型的全數(shù)字鎖相環(huán)是采用脈沖序列低通濾波計(jì)數(shù)電路作為環(huán)路濾波器,如隨機(jī)徘徊序列濾波器、先N后M序列濾波器等。這些電路通過對鑒相器模塊產(chǎn)生的相位誤差脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)運(yùn)算,獲得可控振蕩器模塊的振蕩控制參數(shù)。由于脈沖序列低通濾波計(jì)數(shù)方法是一個(gè)比較復(fù)雜的非線性處理過程,難以進(jìn)行線性近似。因此,無法采用系統(tǒng)傳遞函數(shù)的分析方法確定鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)參數(shù),不能實(shí)現(xiàn)對全數(shù)字鎖相環(huán)性能指標(biāo)的解耦控制和分析,無法滿足較高的應(yīng)用要求。
    針對上述全數(shù)字鎖相環(huán)存在的問題,本文提出了采用具有比例積分特性的數(shù)字控制方法來實(shí)現(xiàn)環(huán)路濾波的全數(shù)字鎖相環(huán)。整個(gè)系統(tǒng)采用VHDL語言編程設(shè)計(jì),使用QuartusⅡ軟件對系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行編譯和仿真驗(yàn)證,給出了計(jì)算機(jī)的仿真結(jié)果。

1 全數(shù)字鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)及工作原理
   
基于比例積分控制算法的二階全數(shù)字鎖相環(huán)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),如圖1所示。該系統(tǒng)由數(shù)字鑒相器(Phase Frequency Detector,PFD)、數(shù)字環(huán)路濾波器(Digital LoopFilter,DLF)和數(shù)控振蕩器(Digitally Controlled Oseillator,DCO)三個(gè)部分組成。數(shù)字鑒相器由雙D觸發(fā)器、RS鎖存器和與非門構(gòu)成,電路原理圖如圖2所示。此數(shù)字鑒相器具有鑒頻功能和鑒相功能,其線性鑒相范圍是±2π。當(dāng)兩個(gè)輸入信號的頻率相等時(shí),其輸出為兩輸入信號之間的相位差;當(dāng)兩個(gè)輸入信號的頻率不等時(shí),其輸出為兩輸入信號之間的頻率差。因此,在數(shù)字鎖相環(huán)路中使用這種鑒相器,對頻率捕捉是非常有利的。在環(huán)路鎖定之前,鑒相器起鑒頻器的作用,使DCO的頻率向輸入信號頻率靠近。環(huán)路鎖定之后,鑒相器的輸出正比于兩輸入信號之間的相位差,保持環(huán)路鎖定。


    數(shù)字環(huán)路濾波器的主要作用是抑制噪聲及高頻分量,并且控制環(huán)路相位校正的速度與精度。其工作原理是對鑒相器輸出的相位誤差經(jīng)一階積分環(huán)節(jié)和比列環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)后,分別產(chǎn)生積分控制參數(shù)NP和比例控制參數(shù)NI,然后取出這兩個(gè)控制參數(shù)之和作為數(shù)控振蕩器的控制參數(shù)。為了使DLP輸出的控制碼組在同一瞬間并行送入DCO,在這兩個(gè)環(huán)路部件之間接入一緩沖寄存器。數(shù)字鑒相器送來的頻率/相位誤差序列分別作為周期性歸零可逆計(jì)數(shù)器和不歸零可逆計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入端。周期性歸零可逆計(jì)數(shù)器是每周期計(jì)數(shù)值輸出的同時(shí)被清零一次,不歸零可逆計(jì)數(shù)器是一直計(jì)數(shù)而不被清零。兩個(gè)可逆計(jì)器的計(jì)數(shù)方向控制信號是由數(shù)字鑒相器送來本地估算信號導(dǎo)前或滯后于輸入信號的標(biāo)志信號。不歸零可逆計(jì)數(shù)器相當(dāng)于一個(gè)理想積分環(huán)節(jié),而周期性歸零的可逆計(jì)數(shù)器相當(dāng)于比例環(huán)節(jié)。數(shù)控振蕩器由全加器和寄存器構(gòu)成的累加器組成。若累加器位長為N,則低位輸入端NL接DLF的控制碼組G,高位NH接DCO自由振蕩頻率f0的控制碼組C(該參數(shù)可由設(shè)計(jì)者設(shè)定)。當(dāng)控制碼組G均為‘0’時(shí),DCO輸出端最高位AN的輸出信號的頻率便是DCO的自由振蕩頻率f0。在環(huán)路鎖定過程中,控制碼組G不是全為零,此時(shí)累加器的累加結(jié)果將進(jìn)位而改變累加器的分頻系數(shù),從而改變DCO輸出信號的頻率,實(shí)現(xiàn)比例積分控制參數(shù)對本地估算信號的控制作用,最終達(dá)到鎖定的目的。



2 全數(shù)字鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)和軟件仿真
   
依據(jù)圖1鎖相環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),利用Altera公司的QuartusⅡ設(shè)計(jì)軟件,采用自頂向下的模塊化設(shè)計(jì)方法,用VHDL對全數(shù)字鎖相環(huán)的各個(gè)部件分別進(jìn)行編程設(shè)計(jì),然后對該系統(tǒng)做綜合設(shè)計(jì)和仿真。最后,采用Altera公司的Cyclone系列的FPGA器件實(shí)現(xiàn)了鎖相環(huán)系統(tǒng)的硬件功能。圖3為QuartusⅡ軟件設(shè)計(jì)的基于PI控制的二階全數(shù)字鎖相環(huán)的電路原理圖。此鎖相環(huán)電路原理圖由D觸發(fā)器、雙D觸發(fā)器鑒相器(FPD)、數(shù)字環(huán)路濾波器(DLF)、數(shù)控振蕩器(DCO)和鎖定檢測模塊組成。D觸發(fā)器起到延時(shí)作用,使得輸入信號與DCO的輸出信號同步。FPD的作用是比較輸入與輸出矩形信號的前沿,并產(chǎn)生超前/滯后的標(biāo)志信號和頻率/相位誤差序列。DLF中的周期性歸零可逆計(jì)數(shù)器和不歸零可逆計(jì)數(shù)器根據(jù)頻率/相位誤差序列生成比例積分控制信號,即DCO的低位控制字。DCO可根據(jù)高位控制字和低位控制字的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)其輸出信號的頻率。鎖定檢測模塊根據(jù)頻率/相位誤差來判定系統(tǒng)是否已經(jīng)鎖定,并發(fā)出相應(yīng)的鎖定標(biāo)志信號。本鎖相環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如下:DLF內(nèi)周期性歸零可逆計(jì)數(shù)器和不歸零可逆計(jì)數(shù)器的位長為14位;DCO中累加器的位長為28位,系統(tǒng)高速時(shí)鐘頻率clkin為1.25 MHz,比例積分控制碼組G的字長為14位,自由振蕩頻率f0控制碼組C的字長為14位。圖4為輸入信號F_ref=1.28 kHz的時(shí)序仿真圖,鎖頻時(shí)間T=10.62 ms。圖5為輸入信號F_ref= 2.5 kHz的時(shí)序仿真圖,鎖頻時(shí)間T=5.43 ms。


    圖6為輸入信號F_ref=10 kHz的時(shí)序仿真圖,鎖頻時(shí)間T=874.86 μs;圖7為輸入信號F_ref由10 kHz跳變到2.5 kHz時(shí)的時(shí)序仿真圖;圖中clkin為系統(tǒng)時(shí)鐘,RST為系統(tǒng)復(fù)位信號,F(xiàn)_ref為輸入信號,F(xiàn)_out為輸出信號,EN為使能計(jì)數(shù)控制信號,LOAD為置數(shù)控制信號,BH為數(shù)控振蕩器高位控制字,G為數(shù)控振蕩器低位控制字,K1,K2為數(shù)字環(huán)路濾波器的預(yù)置數(shù)。通過對所設(shè)計(jì)的全數(shù)字鎖相環(huán)的時(shí)序仿真圖可以看出:適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)參數(shù)BH,K1和K2,鎖相環(huán)能夠鎖定不同頻率的輸入信號。而且,該系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)的特性,對頻率發(fā)生跳變的輸入信號也能夠?qū)崿F(xiàn)快速跟蹤。



3 結(jié)語
   
實(shí)驗(yàn)表明:該鎖相環(huán)在一定的頻率范圍內(nèi)能較快的鎖定輸入信號,在15個(gè)輸入信號周期內(nèi)環(huán)路就進(jìn)入鎖定狀態(tài),相位抖動(dòng)小于輸出信號周期的5%。該全數(shù)字鎖相環(huán)具有電路結(jié)構(gòu)簡單,鎖定速度快,易于集成等特點(diǎn)??刹捎肰HDL語言完成系統(tǒng)設(shè)計(jì),使用EDA軟件進(jìn)行綜合仿真,并可制成片內(nèi)鎖相環(huán)。

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