如何采用VHDL实现全数字锁相环电路的设计？

　　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） 威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 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 ut 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
　　with instruction select
　　mo
　　“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
　　if en = ’1‘then
　　if j = ’0‘then
　　if cq
　　else cq ’0‘） ;
　　end if ;
　　else
　　if cq 》 0 then cq
　　else cq
　　end if ;
　　end if ;
　　else cq ’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
　　else cao1
　　end if ;
　　cao2
　　else
　　if cqthen
　　cao2
　　else cao2
　　end if ;
　　cao1
　　end if ;
　　else cao1
　　end if ;
　　end process ;
　　r1
　　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。