智能全数字锁相环的设计
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1 引言
本文引用地址：https://www.eepw.com.cn/article/21148.htm数字锁相环路已在数字通信、无线电电子学及电力系统自动化等领域中得到了极为广泛的应用。随着集成电路技术的发展，不仅能够制成频率较高的单片集成锁相环路，而且可以把整个系统集成到一个芯片上去。在基于fpga的通信电路中，可以把全数字锁相环路作为一个功能模块嵌入fpga中，构成片内锁相环。
锁相环是一个相位误差控制系统。它比较输入信号和振荡器输出信号之间的相位差，从而产生误差控制信号来调整振荡器的频率，以达到与输入信号同频同相。所谓全数字锁相环路(dpll)就是环路部件全部数字化，采用数字鉴相器（dpd）、数字环路滤波器(dlf)、数控振荡器(dco)构成的锁相环路，其组成框图见图1示。
当锁相环中的鉴相器与数控振荡器选定后，锁相环的性能很大程度依赖于数字环路滤波器的参数设置。
2 k计数器的参数设置
74297中的环路滤波器采用了k计数器。其功能就是对相位误差序列计数即滤波，并输出相应的进位脉冲或是借位脉冲，来调整i/d数控振荡器输出信号的相位（或频率），从而实现相位控制和锁定。
k计数器中k值的选取需要由四根控制线来进行控制，模值是2的n次幂。在锁相环路同步的状态下，鉴相器既没有超前脉冲也没有滞后脉冲输出，所以k计数器通常是没有输出的；这就大大减少了由噪声引起的对锁相环路的误控作用。也就是说，k计数器作为滤波器，有效地滤除了噪声对环路的干扰作用。
显然，设计中适当选取k值是很重要的。k值取得大，对抑止噪声有利（因为k值大，计数器对少量的噪声干扰不可能计满，所以不会有进位或借位脉冲输出），但这样捕捉带变小，而且加大了环路进入锁定状态的时间。反之，k值取得小，可以加速环路的入锁，但k计数器会频繁地产生进位或借位脉冲，从而导致了相位抖动，相应地对噪声的抑制能力也随之降低。
为了平衡锁定时间与相位抖动之间的矛盾，理想的情况是当数字锁相环处于失步状态时，降低k计数器的设置，反之加大其设置。实现的前提是检测锁相环的工作状态。
3 工作状态检测电路
图2为锁相环状态检测电路，由触发器与单稳态振荡器构成，fin为输入的参考时钟，fout为锁相环振荡器输出的时钟移相900。fout对fin的抽样送入单稳态振荡器。
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。
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。
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