隨著集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)字化應(yīng)用逐漸普及，在數(shù)字通信、電力系統(tǒng)自動化等方面越來越多地運用了數(shù)字鎖相環(huán)。它的好處在于免去了模擬器件的繁瑣，而且成本低、易實現(xiàn)、省資源。本文綜合以上考慮，在一片FPGA中以Quartus II為平臺用VHDL實現(xiàn)了一個全數(shù)字鎖相環(huán)功能模塊，構(gòu)成了片內(nèi)鎖相環(huán)。

　　數(shù)字鎖相環(huán)是一種相位反饋控制系統(tǒng)。在數(shù)字鎖相環(huán)中，由于誤差控制信號是離散的數(shù)字信號而不是模擬信號，與之相對應(yīng)，受控的輸出相位的改變是離散的而不是連續(xù)的；此外，環(huán)路組成的部件也全由數(shù)字電路實現(xiàn)，故名“數(shù)字鎖相環(huán)”。常用的數(shù)字鎖相環(huán)原理如圖1所示。

　　1 數(shù)字鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)及工作原理

　　如圖1所示，數(shù)字鎖相環(huán)主要由鑒相器、K變?？赡嬗嫈?shù)器、脈沖加減器、N分頻器構(gòu)成。

　　鑒相器其實就是一個異或門，它將輸入信號Din與位同步脈沖輸出信號Dout相異或，比較它們之間的相位差，并輸出相位誤差信號作為K變?？赡嬗嫈?shù)器的計數(shù)方向的控制信號CS。當(dāng)環(huán)路鎖定時，這個控制信號為占空比是50%的方波。

　　K變?？赡嬗嫈?shù)器根據(jù)相差信號CS的變化，向不同的方向計數(shù)。當(dāng)CS為邏輯“1”時，計數(shù)器向下計數(shù)，如果計到0，則輸出一個借位脈沖給脈沖加減器；當(dāng)CS為邏輯“0”時，計數(shù)器向上計數(shù)，如果計到模值，則輸出一個進(jìn)位脈沖給脈沖加減器。

　　脈沖加減器是根據(jù)K變?？赡嬗嫈?shù)器輸出的進(jìn)位、借位脈沖來不斷地對本地時鐘進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)有進(jìn)位脈沖時，脈沖加減器就在本地時鐘上加入一個周期的時鐘信號；當(dāng)有借位脈沖時，脈沖加減器就在本地時鐘上扣除一個周期的時鐘信號。如此反復(fù)不斷地對本地時鐘進(jìn)行調(diào)整，最終達(dá)到準(zhǔn)確確定出輸入信號時鐘的目的，從而實現(xiàn)位同步［2］。

　　N分頻器是將脈沖加減器輸出的經(jīng)過調(diào)整以后的時鐘信號進(jìn)行分頻，以減小同步誤差。N值越大得到的同步誤差越小。

　　2 數(shù)字鎖相環(huán)各部分的VHDL實現(xiàn)

　　K變?？赡嬗嫈?shù)器根據(jù)預(yù)設(shè)模值Kmode來設(shè)置對應(yīng)的模值寄存器的值，也即當(dāng)預(yù)設(shè)模值范圍在0～15變化時，與之相對應(yīng)的Ktop的變化范圍為20～215。模值的大小直接決定了數(shù)字鎖相環(huán)鎖定時間的長短，模值越大鎖定時間越長，反之越小。但鎖定時間越長，鎖定時的相位誤差越小，反之越大。這部分的VHDL設(shè)計程序［3］如下：

　　有了K變?？赡嬗嫈?shù)器產(chǎn)生的進(jìn)位、借位脈沖，脈沖加減器就可以按照這兩種脈沖對本地高頻時鐘進(jìn)行不斷地調(diào)整，如圖2所示。

　　N分頻器的設(shè)計相對簡單，其功能是將脈沖加減器輸出的經(jīng)過了調(diào)整的本地時鐘進(jìn)行N分頻，以減小同步脈沖輸出誤差。本例暫時用32分頻代替，其VHDL設(shè)計程序如下：

　　按照圖1數(shù)字鎖相環(huán)原理框圖的設(shè)計理念，設(shè)計出各個主要的功能塊，并將它們各自進(jìn)行仿真。在確認(rèn)無誤后再連接起來進(jìn)行綜合仿真，以驗證設(shè)計的正確性。在綜合仿真的過程中一個最關(guān)鍵的問題就是分析各個功能塊的時序關(guān)系、頻率關(guān)系。

　　3 頻率關(guān)系、時序分析

　　假設(shè)輸入信號的頻率為fi=1 200 Hz，則位同步輸出信號頻率fo=1 200 Hz，脈沖加減器輸出信號頻率fm2=N×fo，則其時鐘頻率fm1=2×fm2；K變?？赡嬗嫈?shù)器工作時鐘可設(shè)為M fo。這里的M、N值一般均為2的整數(shù)次冪，他們之間的具體關(guān)系需根據(jù)fi確定。綜合仿真的時序圖如圖3所示。

　　由圖3可以看出，CS控制信號逐漸變成了占空比為50%的方波，這也從側(cè)面反映出了鎖定過程。當(dāng)鎖相環(huán)鎖定后，信號CODEIN出現(xiàn)連“0”和連“1”時，也能準(zhǔn)確實現(xiàn)位同步。鎖定時間約為15.8 ms。通過以上仿真，驗證了設(shè)計的正確性。對于不同的設(shè)計，只需要計算好頻率關(guān)系、修改一下N分頻器的N值，就可以實現(xiàn)不同輸入信號的同步。

　　本文介紹的這種以VHDL語言實現(xiàn)的全數(shù)字鎖相環(huán)，是在ALTERA公司的Cyclone系列FPGA—EP1C12Q240C8上實現(xiàn)的。它僅僅需要FPGA的95個邏輯單元，對于擁有12 060個邏輯單元的EP1C12來說，消耗的資源微乎其微，但卻是信號的差分相干解調(diào)過程中不可或缺的重要部分。通過以上方法介紹、仿真的實現(xiàn)，再一次體現(xiàn)了用硬件描述語言在可編程器件中實現(xiàn)數(shù)字電路的優(yōu)越性。