基于PI控制的全數(shù)字鎖相環(huán)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)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(zhǎng)小于15個(gè)輸入信號(hào)周期，相位抖動(dòng)小于輸出信號(hào)周期的5％，且具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(hào)的頻率相等時(shí)，其輸出為兩輸入信號(hào)之間的相位差；當(dāng)兩個(gè)輸入信號(hào)的頻率不等時(shí)，其輸出為兩輸入信號(hào)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(duì)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(hào)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(hào)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(duì)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(hào)是由數(shù)字鑒相器送來本地估算信號(hào)導(dǎo)前或滯后于輸入信號(hào)的標(biāo)志信號(hào)。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(zhǎng)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(hào)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(hào)的頻率，實(shí)現(xiàn)比例積分控制參數(shù)對(duì)本地估算信號(hào)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(duì)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(duì)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(cè)模塊組成。D觸發(fā)器起到延時(shí)作用，使得輸入信號(hào)與DCO的輸出信號(hào)同步。FPD的作用是比較輸入與輸出矩形信號(hào)的前沿，并產(chǎn)生超前／滯后的標(biāo)志信號(hào)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(hào)，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(hào)的頻率。鎖定檢測(cè)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(hào)。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(zhǎng)為14位；DCO中累加器的位長(zhǎng)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(zhǎng)為14位，自由振蕩頻率f0控制碼組C的字長(zhǎng)為14位。圖4為輸入信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)，F(xiàn)_ref為輸入信號(hào)，F(xiàn)_out為輸出信號(hào)，EN為使能計(jì)數(shù)控制信號(hào)，LOAD為置數(shù)控制信號(hào)，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(duì)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(hào)。而且，該系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)的特性，對(duì)頻率發(fā)生跳變的輸入信號(hào)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(hào)，在15個(gè)輸入信號(hào)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(hào)周期的5％。該全數(shù)字鎖相環(huán)具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，鎖定速度快，易于集成等特點(diǎn)。可采用VHDL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)。