用FPGA設(shè)計(jì)一階全數(shù)字鎖相環(huán)的方法

本文在說明全數(shù)字鎖相環(huán)的基礎(chǔ)上，提出了一種利用FPGA設(shè)計(jì)一階全數(shù)字鎖相環(huán)的方法，并給出了關(guān)鍵部件的RTL可綜合代碼，并結(jié)合本設(shè)計(jì)的一些仿真波形詳細(xì)描述了數(shù)字鎖相環(huán)的工作過程，最后對(duì)一些有關(guān)的問題進(jìn)行了討論。

引言

鎖相環(huán)(PLL)技術(shù)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。如信號(hào)處理，調(diào)制解調(diào)，時(shí)鐘同步，倍頻，頻率綜合等都應(yīng)用到了鎖相環(huán)技術(shù)。傳統(tǒng)的鎖相環(huán)由模擬電路實(shí)現(xiàn)，而全數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL)與傳統(tǒng)的模擬電路實(shí)現(xiàn)的PLL相比，具有精度高且不受溫度和電壓影響，環(huán)路帶寬和中心頻率編程可調(diào)，易于構(gòu)建高階鎖相環(huán)等優(yōu)點(diǎn)，并且應(yīng)用在數(shù)字系統(tǒng)中時(shí)，不需A/D及D/A轉(zhuǎn)換。隨著通訊技術(shù)、集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展和系統(tǒng)芯片(SoC)的深入研究，DPLL必然會(huì)在其中得到更為廣泛的應(yīng)用。

這里介紹一種采用VERILOG硬件描述語言設(shè)計(jì)DPLL的方案。

DPLL結(jié)構(gòu)及工作原理

主要由鑒相器、K變?？赡嬗?jì)數(shù)器、脈沖加減電路和除N計(jì)數(shù)器四部分構(gòu)成。K變模計(jì)數(shù)器和脈沖加減電路的時(shí)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(jì)中兩個(gè)時(shí)鐘使用相同的系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)。

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(jì)中采用異或門(XOR)鑒相器。異或門鑒相器比較輸入信號(hào)Fin相位和輸出信號(hào)Fout相位之間的相位差Фe=Фin-Фout，并輸出誤差信號(hào)Se作為K變?？赡嬗?jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向信號(hào)。環(huán)路鎖定時(shí)，Se為一占空比50%的方波，此時(shí)的絕對(duì)相為差為90°。因此異或門鑒相器相位差極限為±90°。

K變?？赡嬗?jì)數(shù)器

K變模可逆計(jì)數(shù)器消除了鑒相器輸出的相位差信號(hào)Se中的高頻成分，保證環(huán)路的性能穩(wěn)定。K變?？赡嬗?jì)數(shù)器根據(jù)相差信號(hào)Se來進(jìn)行加減運(yùn)算。當(dāng)Se為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器進(jìn)行加運(yùn)算，如果相加的結(jié)果達(dá)到預(yù)設(shè)的模值，則輸出一個(gè)進(jìn)位脈沖信號(hào)CARRY給脈沖加減電路；當(dāng)Se為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器進(jìn)行減運(yùn)算，如果結(jié)果為零，則輸出一個(gè)借位脈沖信號(hào)BORROW給脈沖加減電路。

脈沖加減電路

脈沖加減電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)頻率和相位的跟蹤和調(diào)整，最終使輸出信號(hào)鎖定在輸入信號(hào)的頻率和信號(hào)上。

除N計(jì)數(shù)器

除N計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖加減電路的輸出IDOUT再進(jìn)行N分頻，得到整個(gè)環(huán)路的輸出信號(hào)Fout。同時(shí)，因?yàn)閒c=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(jì)實(shí)現(xiàn)

了解了DPLL的工作原理，我們就可以據(jù)此對(duì)DPLL的各部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。DPLL的四個(gè)主要部件中，異或門鑒相器和除N計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單：異或門鑒相器就是一個(gè)異或門；除N計(jì)數(shù)器則是一個(gè)簡(jiǎn)單的N分頻器。下面主要介紹K變模可逆計(jì)數(shù)器和脈沖加減電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

K變?？赡嬗?jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

K變模可逆計(jì)數(shù)器模塊中使用了一個(gè)可逆計(jì)數(shù)器Count，當(dāng)鑒相器的輸出信號(hào)dnup為低時(shí)，進(jìn)行加法運(yùn)算，達(dá)到預(yù)設(shè)模值則輸出進(jìn)位脈沖CARRY；為高時(shí)，進(jìn)行減法運(yùn)算，為零時(shí)，輸出借位脈沖BORROW。Count的模值Ktop由輸入信號(hào)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(zhǎng)，模值越大，跟蹤步長(zhǎng)越小，鎖定時(shí)的相位誤差越小，但捕獲時(shí)間越長(zhǎng)；模值越小，跟蹤步長(zhǎng)越大，鎖定時(shí)的相位誤差越大，但捕獲時(shí)間越短。

K變?？赡嬗?jì)數(shù)器的VERILOG設(shè)計(jì)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(shí)鐘信號(hào)*/
input reset; /*全局復(fù)位信號(hào)*/
input dnup; /*鑒相器輸出的加減控制信號(hào)*/
input enable; /*可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)允許信號(hào)*/
input [2:0]Kmode; /*計(jì)數(shù)器模值設(shè)置信號(hào)*/
output carry; /*進(jìn)位脈沖輸出信號(hào)*/
output borrow; /*借位脈沖輸出信號(hào)*/
reg [8:0]Count; /*可逆計(jì)數(shù)器*/
reg [8:0]Ktop; /*預(yù)設(shè)模值寄存器*/
/*根據(jù)計(jì)數(shù)器模值設(shè)置信號(hào)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(hào)dnup進(jìn)行可逆計(jì)數(shù)器的加減運(yùn)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(jìn)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(jì)實(shí)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(jìn)位/借位脈沖信號(hào)時(shí)，它把外部參考時(shí)鐘進(jìn)行二分頻；當(dāng)有進(jìn)位脈沖信號(hào)CARRY時(shí)，則在輸出的二分頻信號(hào)中插入半個(gè)脈沖，以提高輸出信號(hào)的頻率；當(dāng)有借位脈沖信號(hào)BORROW時(shí)，則在輸出的二分頻信號(hào)中減去半個(gè)脈沖，以降低輸出信號(hào)的頻率。VERILOG設(shè)計(jì)代碼如下：
module IDCounter(IDclock，reset，inc，dec，IDout);
input IDclock; /*系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)*/
input reset; /*全局復(fù)位信號(hào)*/
input inc; /*脈沖加入信號(hào)*/
input dec; /*脈沖扣除信號(hào)*/
output IDout; /*調(diào)整后的輸出信號(hào)*/
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(gè)主要部件全部設(shè)計(jì)完畢，我們就可以將他們連接成為一個(gè)完整的DPLL，進(jìn)行仿真、綜合、驗(yàn)證功能的正確性。

DPLL的FPGA實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)中的一階DPLL使用XILINX公司的FOUNDATION4.1軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)綜合，采用XILINX的SPARTAN2系列的XC2S15 FPGA器件實(shí)現(xiàn)，并使用Modelsim5.5d軟件進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明：本設(shè)計(jì)中DPLL時(shí)鐘可達(dá)到120MHz，性能較高；而僅使用了87個(gè)LUT和26個(gè)觸發(fā)器，占用資源很少。下面給出詳細(xì)描述DPLL的工作過程。

(1) 當(dāng)環(huán)路失鎖時(shí)，異或門鑒相器比較輸入信號(hào)(DATAIN)和輸出信號(hào)(CLOCKOUT)之間的相位差異，并產(chǎn)生K變?？赡嬗?jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向控制信號(hào)(DNUP)；

(2) K變模可逆計(jì)數(shù)器根據(jù)計(jì)數(shù)方向控制信號(hào)(DNUP)調(diào)整計(jì)數(shù)值，DNUP為高進(jìn)行減計(jì)數(shù)，并當(dāng)計(jì)數(shù)值到達(dá)0時(shí)，輸出借位脈沖信號(hào)(BORROW)；為低進(jìn)行加計(jì)數(shù)，并當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到預(yù)設(shè)的K模值時(shí)，輸出進(jìn)位脈沖信號(hào)(CARRY)；

(3) 脈沖加減電路則根據(jù)進(jìn)位脈沖信號(hào)(CARRY)和借位脈沖信號(hào)(BORROW)在電路輸出信號(hào)(IDOUT)中進(jìn)行脈沖的增加和扣除操作，來調(diào)整輸出信號(hào)的頻率；

(4) 重復(fù)上面的調(diào)整過程，當(dāng)環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)時(shí)，異或門鑒相器的輸出DNUP為一占空比50%的方波，而K變?？赡嬗?jì)數(shù)器則周期性地產(chǎn)生進(jìn)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(gè)脈沖．