l 前言
    鎖相環(huán)(PLL)的理論與研究日趨完善，應用范圍遍及整個電子技術領域，如信號處理，調制解調．時鐘同步，倍頻，頻率綜合等都應用到了鎖相環(huán)技術。隨著集成電路技術的發(fā)展，集成鎖相環(huán)和數字鎖相環(huán)技術日趨成熟，不僅能夠制成頻率較高的單片集成鎖相環(huán)路，還可以把整個系統(tǒng)集成到一個芯片上去，實現所謂的片上系統(tǒng)SOC。因此，可以把全數字鎖相環(huán)路(ADPLL)作為一個功能模塊嵌入SOC，構成片內鎖相環(huán)。這里在簡單介紹片內全數字鎖相環(huán)系列結構的同時，給出一種智能控制捕獲范嗣中全數字鎖相環(huán)(ADPLL)的設計方法，并進行仿真和實踐驗證。

2 ADPLL的結構及工作原理
    圖1給出全數字鎖相環(huán)(ADPLL)的基本結構。主要由數字鑒相器DPD，數字環(huán)路濾波器DLF，數控振蕩器DC0，分頻器4部分組成，其中心頻率為fc。DPLL是一種通過相位反饋來控制系統(tǒng)的電路結構。根據輸入信號Fin和本地時鐘輸出信號Fout之間的相位誤差信號送入數字環(huán)路濾波器，并對相對誤差進行平滑濾波，生成控制信號carry和bor—row，數字振蕩器根據控制信號調節(jié)反饋，使輸出信號Fout的相位逐漸跟蹤輸入信號Fin的相位，最終達到鎖定。

3 ADPLL各模塊的功能和具體實現方法
3．1 數字鑒相器
    常用的鑒相器有2種類型：異或門(X0R)鑒相器和邊沿控制鑒相器(ECPD)，設計中采用異或門鑒相器。異或門鑒相器用于比較輸入信號Fin和輸出信號Fout之間的相位差，并輸出誤差信號Dout，Dout作為計數的方向信號輸入給下一級。
3．2 數字環(huán)路濾波器
    數字環(huán)路濾波器(DLF)由一個模值為變量K的可逆計數器來實現。其作用首先用于消除數字鑒相器輸出的相位誤差信號Dout中的高頻分量，保證鎖相環(huán)路性能的穩(wěn)定性和準確性：其次K變模計數器再根據鑒相器的相位誤差信號Dout來進行加減運算。若Dout是高電平時，計數器進行加運算，直到相加結果達到預設模制K，則環(huán)路濾波器輸出一個進位脈沖信號carry給數控振蕩器；若Dout是低電平時，計數器在模值K的基礎上進行減運算，直到為零，并輸出一個借位信號borrow給數控振蕩器：當環(huán)路鎖定或只有隨機干擾脈沖時，Dout是一個占空比為50％的方波，即計數器的加減數目基本相等，計數結果在K附近上下徘徊，不會產生進位或借位脈沖，大大減少了由隨機噪聲引起的對鎖相環(huán)路的誤控。也就是說，采用K計數器作為濾波器，有效的濾除了噪聲對環(huán)路的干擾。

    上述代碼經過在Quartus II上編譯仿真后其波形如圖2所示。

    設計中適當選取K值特別的重要。如果K值偏大，這樣計數器對少量噪聲干擾不可能計滿，就不會有進位或者借位脈沖，有利于抑制隨機噪聲；但就會使捕捉帶減小，導致環(huán)路進入鎖定的時間變長；如果K值偏小，可使環(huán)路盡快進入鎖定狀態(tài)，但會減弱對噪聲的抑制能力，導致環(huán)路頻繁的產生進位或借位脈沖，造成整個系統(tǒng)不穩(wěn)定，產生相位抖動問題。所以要適當選取K值。
3．3 數控振蕩器
    數控振蕩器采用的是脈沖加減電路。時鐘為2Nfc。當沒有進位／借位信號時，其輸出對外部時鐘進行二分頻；當有進位信號carry輸入時，則在原信號中插入半個脈沖，以提高原有信號的頻率；當有借位信號borrow輸入時，則減去半個脈沖，以降低原有信號的頻率。
3．4 可變分頻器 
    可變分頻器實際上就是一個除N計數器，是把脈沖加減電路的輸出信號再做N分頻，通過不斷調整N值的大小，使分頻器的輸出信號能與輸入信號的相位保持同步，以達到鎖相環(huán)的鎖定。
    由鎖相環(huán)的整個工作過程可知，全數字鎖相環(huán)經過一些特定改良后，可在某些情況下作為滿足一定頻率要求的信號發(fā)生器使用。

4 FPGA片內系統(tǒng)結構
    為了平衡系統(tǒng)的穩(wěn)定性和捕獲帶寬之間的矛盾，就要找到一個最佳的K值，使系統(tǒng)在最大可能消除干擾的前提下，捕捉帶達到最大，捕獲時間最短，其整個過程由CPU來控制。CPU的選擇主要有2種方案：①FPGA片內實現CPU；②與片外系統(tǒng)共用CPU。這里主要介紹第一種。
    對于片內CPU，這里采用Ahera公司推出的NiosⅡ嵌入式軟核處理器予以實現。在系統(tǒng)中，片內寄存器，全數字鎖相環(huán)以及檢測電路均作為外設嵌入到FPGA芯片中。片內寄存器，全數字鎖相環(huán)，檢測電路通過系統(tǒng)總線相連接，受到片內的NiosⅡ軟核處理器的控制，使得全數字鎖相環(huán)中的數字環(huán)路濾波器部分在工作中的參數得到優(yōu)化。此種結構使得NiosⅡ處理器和全數字鎖相環(huán)2部分集成在一塊FPGA器件中，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。罔3給出片內全數字鎖相環(huán)系統(tǒng)結構框圖。

5 試驗仿真結果分析
    整個系統(tǒng)經過軟硬件調試后，就對該鎖相環(huán)進行測試和驗證，采用Quartus II軟件中集成的仿真器進行仿真。圖4給出仿真波形。

    可見，在有進位／借位信號輸出時，波形中自動加入／減去半個脈沖，經過幾次調整后系統(tǒng)達到鎖定狀態(tài)。

6 結語
    通過在單片FPGA中實現智能全數字鎖相環(huán)，NiosⅡ嵌入式處理器隨時檢測鎖相環(huán)的狀態(tài)，適時調整鎖相環(huán)的參數，從而能縮短鎖相環(huán)鎖定時間，提高效率；并逐漸改進其輸出頻率的抖動特性。解決了鎖定時間與相位抖動之間的矛盾，提高了信息的傳輸效率和質量。全數字鎖相環(huán)在數字通信，數字信號處理，電力系統(tǒng)自動化等眾多領域有著極為廣泛的應用，隨著片內數字鎖相環(huán)系統(tǒng)研究的不斷深入與發(fā)展，其性能會不斷提高，其意義重大，前景廣闊。