全數(shù)字鎖相環(huán)的設(shè)計

DPLL結(jié)構(gòu)及工作原理
一階DPLL的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由鑒相器、K變?？赡嬗嫈?shù)器、脈沖加減電路和除N計數(shù)器四部分構(gòu)成。K變模計數(shù)器和脈沖加減電路的時鐘分別為Mfc和2Nfc。這里fc是環(huán)路中心頻率，一般情況下M和N都是2的整數(shù)冪。本設(shè)計中兩個時鐘使用相同的系統(tǒng)時鐘信號。
鑒相器
常用的鑒相器有兩種類型：異或門(XOR)鑒相器和邊沿控制鑒相器(ECPD)，本設(shè)計中采用異或門(XOR)鑒相器。異或門鑒相器比較輸入信號Fin相位和輸出信號Fout相位之間的相位差Фe=Фin-Фout，并輸出誤差信號Se作為K變模可逆計數(shù)器的計數(shù)方向信號。環(huán)路鎖定時，Se為一占空比50%的方波，此時的絕對相為差為90°。因此異或門鑒相器相位差極限為±90°。異或門鑒相器工作波形如圖2所示。

圖1 數(shù)字鎖相環(huán)基本結(jié)構(gòu)圖

圖2 異或門鑒相器在環(huán)路鎖定及極限相位差下的波形

圖3 脈沖加減電路工作波形

圖4 FSK解調(diào)

K變?？赡嬗嫈?shù)器
K變?？赡嬗嫈?shù)器消除了鑒相器輸出的相位差信號Se中的高頻成分，保證環(huán)路的性能穩(wěn)定。K變?？赡嬗嫈?shù)器根據(jù)相差信號Se來進行加減運算。當(dāng)Se為低電平時，計數(shù)器進行加運算，如果相加的結(jié)果達到預(yù)設(shè)的模值，則輸出一個進位脈沖信號CARRY給脈沖加減電路；當(dāng)Se為高電平時，計數(shù)器進行減運算，如果結(jié)果為零，則輸出一個借位脈沖信號BORROW給脈沖加減電路。
脈沖加減電路
脈沖加減電路實現(xiàn)了對輸入信號頻率和相位的跟蹤和調(diào)整，最終使輸出信號鎖定在輸入信號的頻率和信號上，工作波形如圖3所示。
除N計數(shù)器
除N計數(shù)器對脈沖加減電路的輸出IDOUT再進行N分頻，得到整個環(huán)路的輸出信號Fout。同時，因為fc=IDCLOCK/2N，因此通過改變分頻值N可以得到不同的環(huán)路中心頻率fc。

DPLL部件的設(shè)計實現(xiàn)
了解了DPLL的工作原理，我們就可以據(jù)此對DPLL的各部件進行設(shè)計。DPLL的四個主要部件中，異或門鑒相器和除N計數(shù)器的設(shè)計比較簡單：異或門鑒相器就是一個異或門；除N計數(shù)器則是一個簡單的N分頻器。下面主要介紹K變?？赡嬗嫈?shù)器和脈沖加減電路的設(shè)計實現(xiàn)。
K變?？赡嬗嫈?shù)器的設(shè)計實現(xiàn)
K變?？赡嬗嫈?shù)器模塊中使用了一個可逆計數(shù)器Count，當(dāng)鑒相器的輸出信號dnup為低時，進行加法運算，達到預(yù)設(shè)模值則輸出進位脈沖CARRY；為高時，進行減法運算，為零時，輸出借位脈沖BORROW。Count的模值Ktop由輸入信號Kmode預(yù)設(shè)，一般為2的整數(shù)冪，這里模值的變化范圍是23-29。模值的大小決定了DPLL的跟蹤步長，模值越大，跟蹤步長越小，鎖定時的相位誤差越小，但捕獲時間越長；模值越小，跟蹤步長越大，鎖定時的相位誤差越大，但捕獲時間越短。
K變?？赡嬗嫈?shù)器的VERILOG設(shè)計代碼如下(其中作了部分注釋，用斜體表示)：
module KCounter(Kclock，reset，dnup，enable， Kmode，carry，borrow);
input Kclock; /*系統(tǒng)時鐘信號*/
input reset; /*全局復(fù)位信號*/
input dnup; /*鑒相器輸出的加減控制信號*/
input enable; /*可逆計數(shù)器計數(shù)允許信號*/
input [2:0]Kmode; /*計數(shù)器模值設(shè)置信號*/
output carry; /*進位脈沖輸出信號*/
output borrow; /*借位脈沖輸出信號*/
reg [8:0]Count; /*可逆計數(shù)器*/
reg [8:0]Ktop; /*預(yù)設(shè)模值寄存器*/
/*根據(jù)計數(shù)器模值設(shè)置信號Kmode來設(shè)置預(yù)設(shè)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
/*根據(jù)鑒相器輸出的加減控制信號dnup進行可逆計數(shù)器的加減運算*/
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
/*輸出進位脈沖carry和借位脈沖borrow*/
assign carry=enable&(!dnup) &(Count==Ktop);
assign borrow=enable&dnup& (Count==0);
endmodule

脈沖加減電路的設(shè)計實現(xiàn)
脈沖加減電路完成環(huán)路的頻率和相位調(diào)整，可以稱之為數(shù)控振蕩器。當(dāng)沒有進位/借位脈沖信號時，它把外部參考時鐘進行二分頻；當(dāng)有進位脈沖信號CARRY時，則在輸出的二分頻信號中插入半個脈沖，以提高輸出信號的頻率；當(dāng)有借位脈沖信號BORROW時，則在輸出的二分頻信號中減去半個脈沖，以降低輸出信號的頻率。VERILOG設(shè)計代碼如下：
module IDCounter(IDclock，reset，inc，dec，IDout);
input IDclock; /*系統(tǒng)時鐘信號*/
input reset; /*全局復(fù)位信號*/
input inc; /*脈沖加入信號*/
input dec; /*脈沖扣除信號*/
output IDout; /*調(diào)整后的輸出信號*/
wire Q1, Qn1, Q2, Qn2, Q3, Qn3;
wire Q4, Qn4, Q5, Qn5, Q6, Qn6;
wire Q7, Qn7, Q8, Qn8, Q9, Qn9;
wire D7, D8;
FFD FFD1(IDclock, reset, inc, Q1, Qn1);
FFD FFD2(IDclock, reset, dec, Q2, Qn2);
FFD FFD3(IDclock, reset, Q1, Q3, Qn3);
FFD FFD4(IDclock, reset, Q2, Q4, Qn4);
FFD FFD5(IDclock, reset, Q3, Q5,Qn5);
FFD FFD6(IDclock, reset, Q4, Q6,Qn6);
assign D7=((Q9 & Qn1 & Q3) | (Q9 & Q5 & Qn3));
assign D8=((Qn9 & Qn2 & Q4) | (Qn9 & Q6 & Qn4));
FFD FFD7(IDclock, reset, D7, Q7, Qn7 );
FFD FFD8(IDclock, reset, D8, Q8, Qn8);
JK FFJK(IDclock, reset, Qn7, Qn8, Q9, Qn9);
assign IDout = (!Idclock)|Q9;
endmodule
其中，F(xiàn)FD為D觸發(fā)器，JK為JK觸發(fā)器。
當(dāng)環(huán)路的四個主要部件全部設(shè)計完畢，我們就可以將他們連接成為一個完整的DPLL，進行仿真、綜合、驗證功能的正確性。

DPLL的FPGA實現(xiàn)
本設(shè)計中的一階DPLL使用XILINX公司的FOUNDATION4.1軟件進行設(shè)計綜合，采用XILINX的SPARTAN2系列的XC2S15 FPGA器件實現(xiàn)，并使用Modelsim5.5d軟件進行了仿真。結(jié)果表明：本設(shè)計中DPLL時鐘可達到120MHz，性能較高；而僅使用了87個LUT和26個觸發(fā)器，占用資源很少。下面給出詳細描述DPLL的工作過程。
(1) 當(dāng)環(huán)路失鎖時，異或門鑒相器比較輸入信號(DATAIN)和輸出信號(CLOCKOUT)之間的相位差異，并產(chǎn)生K變?？赡嬗嫈?shù)器的計數(shù)方向控制信號(DNUP)；
(2) K變模可逆計數(shù)器根據(jù)計數(shù)方向控制信號(DNUP)調(diào)整計數(shù)值，DNUP為高進行減計數(shù)，并當(dāng)計數(shù)值到達0時，輸出借位脈沖信號(BORROW)；為低進行加計數(shù)，并當(dāng)計數(shù)值達到預(yù)設(shè)的K模值時，輸出進位脈沖信號(CARRY)；
(3) 脈沖加減電路則根據(jù)進位脈沖信號(CARRY)和借位脈沖信號(BORROW)在電路輸出信號(IDOUT)中進行脈沖的增加和扣除操作，來調(diào)整輸出信號的頻率；
(4) 重復(fù)上面的調(diào)整過程，當(dāng)環(huán)路進入鎖定狀態(tài)時，異或門鑒相器的輸出DNUP為一占空比50%的方波，而K變模可逆計數(shù)器則周期性地產(chǎn)生進位脈沖輸出CARRY和借位脈沖輸出BORROW，導(dǎo)致脈沖加減電路的輸出IDOUT周期性的加入和扣除半個脈沖。

有關(guān)一階DPLL的一些討論
“波紋”(Ripple)消除
在DPLL工作過程中，環(huán)路鎖定時，異或門鑒相器的輸出DNUP是一個占空比50%的方波。因為在DPLL的基本結(jié)構(gòu)中，K變?？赡嬗嫈?shù)器始終起作用。因此當(dāng)環(huán)路鎖定后，如果模數(shù)K取值較小，K變?？赡嬗嫈?shù)器會頻繁地周期性輸出進位脈沖信號CARRY和借位脈沖信號BORROW，從而在脈沖加減電路中產(chǎn)生周期性的脈沖加入和扣除動作，這樣就在脈沖加減電路的輸出信號IDOUT中產(chǎn)生了周期性的誤差，稱為“波紋”；如果模數(shù)K取值足夠大——對于異或門鑒相器，K應(yīng)大于M/4；對于邊沿控制鑒相器，K應(yīng)大于M/2，則這種“波紋”誤差通過除N計數(shù)器后，可以減少到N個周期出現(xiàn)一次，也就是說K變模可逆計數(shù)器的進位脈沖信號CARRY和借位脈沖信號BORROW的周期是N個參考時鐘周期。
為了消除“波紋”誤差，可以為K變?？赡嬗嫈?shù)器產(chǎn)生一個計數(shù)允許信號ENABLE，環(huán)路失鎖時，此信號有效，允許計數(shù)；環(huán)路鎖定時，此信號無效，禁止計數(shù)，則不會產(chǎn)生周期性的進位和借位脈沖信號。
“波紋”消除電路消除“波紋”誤差的同時，也減小了DPLL的鎖定范圍，環(huán)路的相位極限誤差(異或門鑒相器為±90°；ECPD為±180°)減小為原來的1/(1+1/2K)，鑒相增益也減小到原來的1/2。
使用DPLL進行FSK解調(diào)
一個帶有邊沿控制鑒相器ECPD的DPLL再加上一個D觸發(fā)器，就可以構(gòu)成一個FSK解調(diào)器，如圖4所示。
假設(shè)有一個輸入信號Fin，它的頻率在F1和F2之間變化，DPLL的中心頻率為Fc，并且F1

結(jié)語
本文介紹了一種一階DPLL的設(shè)計方法，利用VERILOG語言配合XILINX的FPGA，為設(shè)計提供了極大的便利和性能保證。DPLL中可逆計數(shù)器模值可隨意修改，來控制DPLL的跟蹤補償和鎖定時間；同時，除N計數(shù)器的分頻值也可隨意改變，使DPLL可跟蹤不同中心頻率的輸入信號，而這些只需在設(shè)計中修改幾行代碼即可完成。另外，設(shè)計好的DPLL模塊還可作為可重用的IP核，應(yīng)用于其他設(shè)計。■

參考文獻
1 “Digital Phase_locked Loop Design Using SN54/74Ls297”Texas Instruments Incorprated,1997
2 “Phase Locked Loop(PLL) in High Speed Designs”Lattice Semiconductor Corpration, AN8017～01 1997
3 《數(shù)字鎖相環(huán)路原理與應(yīng)用》胡華春 著 上?？萍汲霭嫔?1990年