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锁相环的那些事 2

锁相环的那些事 2

Part2 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):
  module KCounter(Kclock,reset,dnup,enable, Kmode,carry,borrow);
input Kclock; /*系统时钟信号*/
input reset; /*全局复位信号*/
input dnup; /*鉴相器输出的加减控制信号*/
input enable; /*可逆计数器计数允许信号*/
input [2:0]Kmode; /*计数器模值设置信号*/
output carry; /*进位脉冲输出信号*/
output borrow; /*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)
begin
case(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;
endcase
end
/*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 @(posedge Kclock or posedge reset)
begin
if(reset)
Count<=0;
else if(enable)
begin
if(!dnup)
begin
if(Count==Ktop)
Count<=0;
else
Count<=Count+1;
end
else
begin
if(Count==0)
Count<=Ktop;
else
Count<=Count-1;
end
end
end
/*输出进位脉冲carry和借位脉冲borrow*/
assign carry=enable&(!dnup) &(Count==Ktop);
assign borrow=enable&dnup& (Count==0);
endmodule
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