基于FPGA的智能全数字锁相环的设计

在锁定状态如图3，fout与fin具有稳定的相位关系， fout对fin抽样应全部为0或1，这样不会激发振荡器振荡，从而lock将输出低电平；而失锁状态时如图4，fout与fin出现相位之间的滑动，抽样时就不会出现长时间的0或1，单稳态振荡器振荡，使lock输出高电平。锁相环的锁定状态保持时间的认定，可以通过设置振荡器的性能。在FPGA设计中，要采用片外元件来进行单稳定时，是很麻烦的，而且也不利于集成和代码移植。单稳态振荡器的实现也可以在FPGA内实现，利用计数器的方法可以设计全数字化的上升、下降沿双向触发的可重触发单稳态振荡器。

4 智能锁相环的设计

智能全数字锁相环的设计如图5所示。锁相环与CPU接口电路，由寄存器来完成。对于CPU寄存器内容分为两部分：锁相环的工作状态（只读），k计数器的参数值（读/写）。CPU可以通过外部总线读写寄存器的内容。

图5 智能全数字锁相环框图

CPU根据锁相环状态就可以对锁相环K计数器进行最优设置。实际测试时设置K初始值为23，此时锁相环的捕捉带较大，在很短时间内就可以达到锁定状态，lock变为低电平。CPU检测到此信号后自动将K值加1，如lock仍然为低电平，CPU会继续增加K 值；直到锁相环失锁，记住其最佳设置值。设置K为初始值，锁定后，设置到最佳值，这样锁相会快速进入最佳的锁定状态。

关于CPU的选择有三种方案：①FPGA片内实现CPU。片上系统的发展使其成为可能。②与片外系统共用CPU。DPLL大多用于通信系统中，而大部分通信系统都有嵌入式CPU。③单独采用一个廉价单片机（如89C51），不仅可用于智能锁相环的控制，还可控制外部RAM实现FPGA的初始装载，一机多用，经济实惠。可以视具体情况而定。

5 结论

智能全数字锁相环，在单片FPGA中就可以实现，借助锁相环状态监测电路，通过CPU可以缩短锁相环锁定时间，并逐渐改进其输出频率的抖动特性。解决了锁定时间与相位抖动之间的矛盾，对信息的传输质量都有很大的提高。此锁相环已用于我校研发的数字通信产品中。