采用VHDL设计的全数字锁相环电路设计
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0 引言
全数字锁相环(DPLL) 由于避免了模拟锁相环存在的温度漂移和易受电压变化影响等缺点。从而具备可靠性高、工作稳定、调节方便等优点。在调制解调、频率合成、FM立体声解码、图像处理等各个方面得到广泛的应用。随着电子设计自动化(EDA) 技术的发展,采用大规模可编程逻辑器件(如CPLD 或FPGA) 和VHDL 语言来设计专用芯片ASIC 和数字系统,而且可以把整个系统集成到一个芯片中,实现系统SOC ,构成片内锁相环。下面介绍采用VHDL技术设计DPLL 的一种方案。
1 DPLL 的基本结构
全数字锁相环结构框图如图1 所示, 由数字鉴相器、数字环路滤波器和数控振荡器3 部分组成。
设计中数字鉴相器采用了异或门鉴相器;数字环路滤波器由变模可逆计数器构成(模数K 可预置) ;数控振荡器由加/ 减脉冲控制器和除N 计数器构成。
可逆计数器和加/ 减脉冲控制器的时钟频率分别为Mf0和2Nf0 。这里f0 是环路的中心频率,一般情况下M 和N 为2 的整数幂。时钟2Nf0 经除H( = M/2N) 计数器得到。
2 数字锁相环的原理与实现
全数字锁相环原理如图2 所示, 其中: clk 为时钟频率,等于32f 0 ; U1 为输入,频率为f0 ; j 为异或门鉴相器的输出,它作为变模可逆计数器的方向控制信号;out 为加/ 减脉冲控制器的输出; U2 为DPLL 的输出,在相位锁定的频率为f0 , 相位与输入U1 相差Π/ 2 ; D、C、B 、A 可预置变模可逆计数器的模数,它在0001 —1111 范围内变化, 相应的模数在2.3 —2. 17 范围内变化; En 为可逆计数器使能端。
图2 数字锁相环原理图
2. 1 鉴相器的设计
异或门鉴相器用于比较输入信号u1 与数控振荡器输出信号u2 的相位差, 其输出信号ud 作为可逆计数器的计数方向控制信号。当ud 为低电平时( u1 和u2 有同极性时) ,可逆计数器作"加"计数。反之,当ud 为高电平时,可逆计数器作"减"计数。
当环路锁定时, f i 和f o 正交,鉴相器的输出信号Ud 为50 % 占空比的方波,此时定义相位误差为零,在这种情况下,可逆计数器"加"和"减"的周期是相同的,只要可逆计数器只对其时钟的k 值足够大( k> M/ 4) , 其输出端就不会产生进位或借位脉冲, 加/ 减脉冲控制器只对其时钟2Nf o 进行二分频, 使f i和f o 的相位保持正交。在环路未锁定的情况下, 若Ud = 0 时它使可逆计数器向上加计数,并导致进位脉冲产生, 进位脉冲作用到加/ 减脉冲控制器的"加"控制端i , 该控制器便在二分频过程中加入半个时钟周期, 即一个脉冲。反之, 若Ud = 1 时, 可逆计数器进行减计数, 并将反出解围脉冲到加/ 减脉冲控制器的"减"输入端d ,于是,该控制器便在二分频过程中减去半个时钟周期,即一个脉冲。这个过程是连续发生的。加/ 减脉冲控制器的输出经过除N计数后。使得本地估算信号U2 的相位受到调整控制,最终达到锁定的状态。
异或门鉴相器在环路锁定时和相位误差达到极限时的相应波形如图3 所示:
图3 异或门鉴相器工作波形
2. 2 数字环路滤波器的设计
数字环路滤波器是由变模可逆计数器构成的。该计数器设计为一个17 位可编程(可变模数) 可逆计数器,计数范围是,由外部置数DCBA 控制。假设系统工作无相位差,由锁相环原理知, u1 和u2 的相位差0 ,异或门鉴相器输出是一个对称的方波,如图4 (a) 所示。因此可逆计数器在相同的时间间隔内进行加或减计数,只要k 足够大,那么从零开始的计数就不会溢出或不够。
若u1 开始落后u2 ,异或门输出不对称,那么计数器加计数时间比减计数时间长,其结果计数器随着时间的增长将溢出,产生一个进位脉冲。相反,若U1 开始滞后U2 ,计数器将产生一个借位脉冲。进位和借位脉冲可用来控制DCO ,使得DCO 输出的脉冲数根据进位和借位来加上或者是删除一些脉冲,实际上也就改变了DCO 的输出频率。变模可逆计数器的设计由VHDL 完成,程序如下:
library ieee ;
use ieee. std_logic_1164. all ;
use ieee. std_logic_unsigned. all ;
entity li is
port (clk ,j ,en ,d ,c ,b ,a :in std_logic ;
r1 ,r2 :out std_logic) ;
end li ;
architecture behave of li 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 < k then cq < = cq + 1 ;
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
f 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 ;
变模可逆计数器(取k = 24) 的仿真波形图如图4 所示。
图4 变模可逆计数器(取k = 24) 的仿真波形图
2. 3 数控振荡器的设计
数控振荡器由加/ 减脉冲控制器和除N 计数器组成的。加/ 减脉冲控制器其实是一个增量—减量计数器式DCO。它和环路滤波器连用。如果在环路滤波器无进位、错位的时候,加/ 减脉冲控制器对时钟2NFo 进行二分频。当加/ 减脉冲控制的增量输入端( I = 1) 输入一个进位脉冲时, 输出脉冲中通过该计数器内部加上一个时钟脉冲。反之,当加/ 减脉冲控制的减量输入端( D = 1) 时输入一个借位脉冲输出脉冲中就减去一个时钟脉冲。因此通过借位和进位脉冲可以使输出频率得到改变, 输出频率能被进位和借位脉冲的最高频率控制在一个给定的范围内。加/ 减脉冲控制器由D 触发器和J K 触发器构成,根据功能分析,可以设计出相应的VHDL 程序。其运行后仿真波形如图5 所示:
图5 加/ 减脉冲控制器仿真波形图
3 实验仿真结果与分析
本设计中全数字锁相环路采用软件来实现的,通过用VHDL 语言编写模块,然后仿真,例化,逐渐由下而上的实现整个电路,最终达到整体仿真下载成功。
环路锁定( k = 2^5) ,DPLL 系统仿真波形如图6所示。
图6 环路锁定(取k = 2^5) 时的仿真波形
由仿真波形可以看出, u1 和u2 达到锁定状态时的仿真时间是70us。
环路锁定( k = 27) 时,DPLL 系统的仿真波形如图7 所示:
图7 环路锁定(取k = 27) 时的波形仿真图
在这种情况下, u1 和u2 达到锁定状态的仿真时间是180ms。
显然,模k 愈大,环路进入锁定状态的时间越长。k 取得过大,对抑制噪声、减少相位抖动有利,但是同时又加大了环路进入锁定状态的时间。反之, k 取得过小,可以加速环路的锁定,而对噪声的抑制能力却随之降低。
4 结语
采用VHDL 设计全数字锁相环路,具有设计灵活,修改方便和易于实现的优点,并能够制成嵌入式片内锁相环。该类数字锁相环路中计数器的模数可以随意修改,这样,就能够根据不同的情况最大限度地、灵活地设计环路。
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