全数字锁相环的设计

全数字锁相环的设计锁相环(PLL)技术在众多领域得到了广泛的应用。如信号处理，调制解调，时钟同步，倍频，频率综合等都应用到了锁相环技术。传统的锁相环由模拟电路实现，而全数字锁相环(DPLL)与传统的模拟电路实现的PLL相比，具有精度高且不受温度和电压影响，环路带宽和中心频率编程可调，易于构建高阶锁相环等优点，并且应用在数字系统中时，不需A/D及D/A转换。随着通讯技术、集成电路技术的飞速发展和系统芯片(SoC)的深入研究，DPLL必然会在其中得到更为广泛的应用。这里介绍一种采用VERILOG硬件描述语言设计DPLL的方案。DPLL结构及工作原理一阶DPLL的基本结构如图1所示。主要由鉴相器、K变模可逆计数器、脉冲加减电路和除N计数器四部分构成。K变模计数器和脉冲加减电路的时钟分别为Mfc和2Nfc。这里fc是环路中心频率，一般情况下M和N都是2的整数幂。本设计中两个时钟使用相同的系统时钟信号。图1数字锁相环基本结构图鉴相器常用的鉴相器有两种类型：异或门(XOR)鉴相器和边沿控制鉴相器(ECPD)，本设计中采用异或门(XOR)鉴相器。异或门鉴相器比较输入信号Fin相位和输出信号Fout相位之间的相位差Фe=Фin-Фout，并输出误差信号Se作为K变模可逆计数器的计数方向信号。环路锁定时，Se为一占空比50%的方波，此时的绝对相为差为90°。因此异或门鉴相器相位差极限为±90°。异或门鉴相器工作波形如图2所示。图2异或门鉴相器在环路锁定及极限相位差下的波形K变模可逆计数器K变模可逆计数器消除了鉴相器输出的相位差信号Se中的高频成分，保证环路的性能稳定。K变模可逆计数器根据相差信号Se来进行加减运算。当Se为低电平时，计数器进行加运算，如果相加的结果达到预设的模值，则输出一个进位脉冲信号CARRY给脉冲加减电路；当Se为高电平时，计数器进行减运算，如果结果为零，则输出一个借位脉冲信号BORROW给脉冲加减电路。脉冲加减电路脉冲加减电路实现了对输入信号频率和相位的跟踪和调整，最终使输出信号锁定在输入信号的频率和信号上，工作波形如图3所示。图3脉冲加减电路工作波形除N计数器除N计数器对脉冲加减电路的输出IDOUT再进行N分频，得到整个环路的输出信号Fout。同时，因为fc=IDCLOCK/2N，因此通过改变分频值N可以得到不同的环路中心频率fc。DPLL部件的设计实现了解了DPLL的工作原理，我们就可以据此对DPLL的各部件进行设计。DPLL的四个主要部件中，异或门鉴相器和除N计数器的设计比较简单：异或门鉴相器就是一个异或门；除N计数器则是一个简单的N分频器。下面主要介绍K变模可逆计数器和脉冲加减电路的设计实现。K变模可逆计数器的设计实现K变模可逆计数器模块中使用了一个可逆计数器Count，当鉴相器的输出信号dnup为低时，进行加法运算，达到预设模值则输出进位脉冲CARRY；为高时，进行减法运算，为零时，输出借位脉冲BORROW。Count的模值Ktop由输入信号Kmode预设，一般为2的整数幂，这里模值的变化范围是23-29。模值的大小决定了DPLL的跟踪步长，模值越大，跟踪步长越小，锁定时的相位误差越小，但捕获时间越长；模值越小，跟踪步长越大，锁定时的相位误差越大，但捕获时间越短。K变模可逆计数器的VERILOG设计代码如下(其中作了部分注释，用斜体表示)：moduleKCounter(Kclock，reset，dnup，enable，Kmode，carry，borrow);inputKclock;/*系统时钟信号*/inputreset;/*全局复位信号*/inputdnup;/*鉴相器输出的加减控制信号*/inputenable;/*可逆计数器计数允许信号*/input[2:0]Kmode;/*计数器模值设置信号*/outputcarry;/*进位脉冲输出信号*/outputborrow;/*借位脉冲输出信号*/reg[8:0]Count;/*可逆计数器*/reg[8:0]Ktop;/*预设模值寄存器*//*根据计数器模值设置信号Kmode来设置预设模值寄存器的值*/always@(Kmode)begincase(Kmode)3'b001:Ktop=7;3'b010:Ktop=15;3'b011:Ktop=31;3'b100:Ktop=63;3'b101:Ktop=127;3'b110:Ktop=255;3'b111:Ktop=511;default:Ktop=15;endcaseend/*根据鉴相器输出的加减控制信号dnup进行可逆计数器的加减运算*/always@(posedgeKclockorposedgereset)beginif(reset)Count=0;elseif(enable)beginif(!dnup)beginif(Count==Ktop)Count=0;elseCount=Count+1;endelsebeginif(Count==0)Count=Ktop;elseCount=Count-1;endendend/*输出进位脉冲carry和借位脉冲borrow*/assigncarry=enable&(!dnup)&(Count==Ktop);assignborrow=enable&dnup&(Count==0);endmodule脉冲加减电路的设计实现脉冲加减电路完成环路的频率和相位调整，可以称之为数控振荡器。当没有进位/借位脉冲信号时，它把外部参考时钟进行二分频；当有进位脉冲信号CARRY时，则在输出的二分频信号中插入半个脉冲，以提高输出信号的频率；当有借位脉冲信号BORROW时，则在输出的二分频信号中减去半个脉冲，以降低输出信号的频率。VERILOG设计代码如下：moduleIDCounter(IDclock，reset，inc，dec，IDout);inputIDclock;/*系统时钟信号*/inputreset;/*全局复位信号*/inputinc;/*脉冲加入信号*/inputdec;/*脉冲扣除信号*/outputIDout;/*调整后的输出信号*/wireQ1,Qn1,Q2,Qn2,Q3,Qn3;wireQ4,Qn4,Q5,Qn5,Q6,Qn6;wireQ7,Qn7,Q8,Qn8,Q9,Qn9;wireD7,D8;FFDFFD1(IDclock,reset,inc,Q1,Qn1);FFDFFD2(IDclock,reset,dec,Q2,Qn2);FFDFFD3(IDclock,reset,Q1,Q3,Qn3);FFDFFD4(IDclock,reset,Q2,Q4,Qn4);FFDFFD5(IDclock,reset,Q3,Q5,Qn5);FFDFFD6(IDclock,reset,Q4,Q6,Qn6);assignD7=((Q9&Qn1&Q3)|(Q9&Q5&Qn3));assignD8=((Qn9&Qn2&Q4)|(Qn9&Q6&Qn4));FFDFFD7(IDclock,reset,D7,Q7,Qn7);FFDFFD8(IDclock,reset,D8,Q8,Qn8);JKFFJK(IDclock,reset,Qn7,Qn8,Q9,Qn9);assignIDout=(!Idclock)|Q9;endmodule其中，FFD为D触发器，JK为JK触发器。当环路的四个主要部件全部设计完毕，我们就可以将他们连接成为一个完整的DPLL，进行仿真、综合、验证功能的正确性。DPLL的FPGA实现本设计中的一阶DPLL使用XILINX公司的FOUNDATION4.1软件进行设计综合，采用XILINX的SPARTAN2系列的XC2S15FPGA器件实现，并使用Modelsim5.5d软件进行了仿真。结果表明：本设计中DPLL时钟可达到120MHz，性能较高；而仅使用了87个LUT和26个触发器，占用资源很少。下面给出详细描述DPLL的工作过程。(1)当环路失锁时，异或门鉴相器比较输入信号(DATAIN)和输出信号(CLOCKOUT)之间的相位差异，并产生K变模可逆计数器的计数方向控制信号(DNUP)；(2)K变模可逆计数器根据计数方向控制信号(DNUP)调整计数值，DNUP为高进行减计数，并当计数值到达0时，输出借位脉冲信号(BORROW)；为低进行加计数，并当计数值达到预设的K模值时，输出进位脉冲信号(CARRY)；(3)脉冲加减电路则根据进位脉冲信号(CARRY)和借位脉冲信号(BORROW)在电路输出信号(IDOUT)中进行脉冲的增加和扣除操作，来调整输出信号的频率；(4)重复上面的调整过程，当环路进入锁定状态时，异或门鉴相器的输出DNUP为一占空比50%的方波，而K变模可逆计数器则周期性地产生进位脉冲输出CARRY和借位脉冲输出BORROW，导致脉冲加减电路的输出IDOUT周期性的加入和扣除半个脉冲。有关一阶DPLL的一些讨论“波纹”(Ripple)消除在DPLL工作过程中，环路锁定时，异或门鉴相器的输出DNUP是一个占空比50%的方波。因为在DPLL的基本结构中，K变模可逆计数器始终起作用。因此当环路锁定后，如果模数K取值较小，K变模可逆计数器会频繁地周期性输出进位脉冲信号CARRY和借位脉冲信号BORROW，从而在脉冲加减电路中产生周期性的脉冲加入和扣除动作，这样就在脉冲加减电路的输出信号IDOUT中产生了周期性的误差，称为“波纹”；如果模数K取值足够大——对于异或门鉴相器，K应大于M/4；对于边沿控制鉴相器，K应大于M/2，则这种“波纹”误差通过除N计数器后，可以减少到N个周期出现一次，也就是说K变模可逆计数器的进位脉冲信号CARRY和借位脉冲信号BORROW的周期是N个参考时钟周期。为了消除“波纹”误差，可以为K变模可逆计数器产生一个计数允许信号ENABLE，环路失锁时，此信号有效，允许计数；环路锁定时，此信号无效，禁止计数，则不会产生周期性的进位和借位脉冲信号。“波纹”消除电路消除“波纹”误差的同时，也减小了DPLL的锁定范围，环路的相位极限误差(异或门鉴相器为±90°；ECPD为±180°)减小为原来的1/(1+1/2K)，鉴相增益也减小到原来的1/2。使用DPLL进行FSK解调一个带有边沿控制鉴相器ECPD的DPLL再加上一个D触发器，就可以构成一个FSK解调器，如图4所示。图4FSK解调假设有一个输入信号Fin，它的频率在F1和F2之间变化，DPLL的中心频率为Fc，并且F1FCF2。如果输入信号频率为F1，则ECPD会产生一个负的相位误差(FIN落后于FOUT),则D触发器的输出始终为“1”；如果输入信号频率为F2，ECPD产生一个正的相位误差(FIN超前FOUT)，则D触发器的输出始终为“0”。这样就完成了FSK调制的解调。结语本文介绍了一种一阶DPLL的设计方法，利用VERILOG语言配合XILINX的FPGA，为设计提供了极大的便利和性能保证。DPLL中可逆计数器模值可随意修改，来控制DPLL的跟踪补偿和锁定时间；同时，除N计数器的分频值也可随意改变，使DPLL可跟踪不同中心频率的输入信号，而这些只需在设计中修改几行代码即可完成。另外，设计好的DPLL模块还可作为可重用的IP核，应用于其他设计。