一種新型帶寬自適應全數字鎖相環(huán)的設計方案

　　本方案采用理論分析與硬件電路設計相結合的方法進(jìn)行了系統設計，并用FPGA予以實(shí)現。系統仿真與硬件電路測試結果證實(shí)了設計方案的正確性。該鎖相環(huán)的自由振蕩頻率可隨輸入信號頻率的變化而改變，具有電路結構簡(jiǎn)單、鎖相范圍廣、鎖定速度快和穩態(tài)誤差小等特點(diǎn)。

　　0 引言

　　鎖相環(huán)是一個(gè)輸出信號能夠跟蹤輸入信號相位的閉環(huán)自動(dòng)控制系統，由于其獨特的優(yōu)良性能，在通信、雷達、測量和自動(dòng)化控制等領(lǐng)域得到極為廣泛的應用。

　　全數字鎖相環(huán)(ADPLL)相對于模擬鎖相環(huán)具有可靠性高、參數穩定、易于集成等特點(diǎn)，因而得到了越來(lái)越廣泛的研究，成為各種電子設備中必不可少的組成部件。

　　鎖相環(huán)具有三個(gè)重要的性能指標：鎖相范圍、鎖相速度和穩定性。為提高鎖相環(huán)的各項性能指標，一些學(xué)者進(jìn)行了深入的分析和研究。

　　本文提出了一種基于自適應比例積分的復合控制方式，來(lái)克服鎖相環(huán)所存在的鎖相范圍、鎖相速度以及穩定性之間相互制約的問(wèn)題。

　　1 全數字鎖相環(huán)的結構和工作原理

　　系統由數字鑒相器、自適應控制器、數字濾波器和數控振蕩器四個(gè)模塊組成，如圖1所示。下面對各個(gè)模塊的工作原理進(jìn)行詳細的介紹。

　　該ADPLL采用雙D觸發(fā)式數字鑒相器。鑒相器對輸入信號和輸出信號的相位進(jìn)行比較，輸出反應相位超前(或滯后)的信號sub(add)，sub 和add 不僅反映了相位的超前滯后情況，其脈沖寬度也反映了相位誤差的大小。其結構框圖如圖2所示。

　　自適應控制器模塊主要起到調節環(huán)路帶寬的作用?？刂破饕环矫鎸斎胄盘栠M(jìn)行鑒頻，另一方面對鑒相誤差信號sub、add進(jìn)行量化，根據量化值計算出濾波器控制參數M，如果輸入信號頻率發(fā)生較大的變化，控制器發(fā)出控制信號sig，將控制參數M 賦給濾波器，對周期性復位可逆計數器和不復位可逆計數器進(jìn)行初始置位，以此來(lái)迅速地實(shí)現頻率捕捉和環(huán)路帶寬的調整。

　　環(huán)路濾波器主要由周期性復位可逆計數器和不復位可逆計數器構成，其中系統高頻時(shí)鐘clk為其同步時(shí)鐘信號，add和sub作為兩個(gè)計數器的加、減計數使能控制信號。計數使能信號為高電平時(shí)，兩計數器在clk時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí)進(jìn)行相應的加1或減1操作，計數使能為低電平時(shí)則保持計數值不變。當輸入信號fin 上升沿到來(lái)時(shí)，將兩計數器的計數值進(jìn)行移位相加，相加結果送入鎖存器，作為數控振蕩器的控制參數N，然后將比例計數器復位。

　　數控振蕩器模塊采用除N 計數器式數控振蕩器，在系統高頻時(shí)鐘clk的控制下工作，分頻參數N 來(lái)自環(huán)路濾波器的輸出值，如果計數器計數值小于N，每一次clk 上升沿到來(lái)時(shí)，計數器加1，計數到N 時(shí)，計數器復位，輸出fout 取反。

　　2 系統的建模與分析

　　由以上分析可知，當輸入信號在鎖頻點(diǎn)附近變動(dòng)時(shí)，鎖相環(huán)的數學(xué)模型可以用圖3來(lái)表示。

　　圖3 中，θin (s) 為輸入信號fin 的相位，θout (s) 為數字壓控振蕩器輸出信號fout 的相位;Kdpd (s)、Kdlf (s)、Kdco (s) 分別為數字鑒相器環(huán)節、數字濾波器環(huán)節、數字壓控振蕩器環(huán)節的傳遞函數。

　　2.1 系統數學(xué)模型

　　設系統高頻時(shí)鐘信號為fclk，由雙D 觸發(fā)器型鑒相器的工作原理可以求出鑒相模塊的傳遞函數為：