基于fpga的全數(shù)字鎖相環(huán)設(shè)計(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 ，系統(tǒng)只工作在“導通”和“截止”兩種狀態(tài)，能很好的濾除外界不必要的干擾因素。系統(tǒng)的可靠性大大提升。 數(shù)字鎖相環(huán)的另一個突出優(yōu)點是 :環(huán)路部件甚至整個環(huán)路都可以直接 用微處理機來模擬實現(xiàn)，而且可以內(nèi)嵌于微處理器中作為一個功能塊重復(fù)使用。 鎖相環(huán)的性質(zhì) 帶寬 鎖相環(huán)包括窄帶鎖相環(huán)和寬帶鎖相環(huán)。 （ 1）窄帶：鎖相環(huán)有兩個重要的特性：第一，它有很窄的帶寬；第二，它能自動調(diào)節(jié)頻率以達到跟跟蹤信號的頻率效果。很窄的帶寬可以濾除大量的干擾信號，提高整個鎖相系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 （ 2）寬帶：當輸入信號頻率波動和相位波動很大時，要求鎖相環(huán)應(yīng)響應(yīng)快速，即帶寬很寬，以對振蕩器的波動起到最大限度地抑制作用。 線性 鎖相環(huán)系統(tǒng)都是非線 性的系統(tǒng)。與線性系統(tǒng)的分析相比，非線性的鎖相環(huán)系統(tǒng)分析起來極其難。 鎖相環(huán)的工作原理與結(jié)構(gòu) 鎖相環(huán)能夠跟蹤相位，實現(xiàn)輸出鎖相信號與輸入被鎖信號的同步的原因，是因為它是根據(jù)相位的變化的來調(diào)節(jié)頻率的負反饋控制系統(tǒng)。此負反饋控制系統(tǒng)由鑒相器（ PD）、環(huán)路濾波器（ LF）和振蕩器（ VCO）三個主要部件組成，基本構(gòu)成如圖 31。在實際生產(chǎn)中應(yīng)用的各種功能的鎖相環(huán)路，追其根本都是由此環(huán)路變化而得到的。 圖 31 鎖相環(huán)路的基本組成 鑒相器（ PD） 鑒相器是比較相位裝置，用來比較輸入被鎖信號的相位 )t??? 與反饋的鎖相信號的相位 )(t?? 之間相位，得到相位差 )(te? 。輸出的電壓誤差信號 )(tud 是相位誤差 )(te? 的函數(shù)，即 )(tud ＝ f [ )(te? ] 正弦鑒相器如圖 32（ a）所示。 （ a） （ b） 圖 32 正弦鑒相器模型 設(shè)乘法器的乘積系數(shù)為 mK [單位為 1/V],輸入被鎖信號 )(tui 與反饋的鎖相信號 )(0tu 兩者相乘，有 )](c os [)](s i n[)()( 202000 ttUttuKtutuK imim ???? ??? )]()(2s i n[21210 tttUUK im ??? ??? ? )]()(s in[21210 ttUUK im ?? ?? 濾除 02? 成分之后，有誤差電壓的表達式如下 )]()s i n[21)(20 ttUUKtu imd ?? ??? ? 令 021)( UUKtu imd ? 為鑒相器輸出電壓的最大值，則 )(sin)( tUtu edd ?? 這就是正弦鑒相特性。 環(huán)路濾波器（ LF） 環(huán)路濾波器（ LF）具有通低頻，阻高頻干擾噪聲信號的特性，它可以起到圖 32（ a）中低通濾波器的作用。環(huán)路濾波器（ LF）的電路是線性的。時域上，可用一個傳輸因子 )(pF 來表示，其中 p 表示微分算子；傳遞函數(shù) )(sF 表示鎖相環(huán)，其中 ???jas( 復(fù)頻率是 ???jas( ；把 ??js 代入 )(sF 就能計算出其頻率響應(yīng) ??jF( ，其數(shù)學模型可表示為圖 33。 圖 33 環(huán)路濾波器模型 RC 積分濾波器是最簡單的低通濾波器，其傳輸算子 ??? ?ppF 1 1)( 式中時間常數(shù)是 RC??? ，這個參數(shù)是濾波器中可調(diào)的。令 ??jp 代入上式，有 ????? ?jjF 1 1)( 可見，它具有通低通，阻高頻 的特性，且有滯后的相位。當頻率達到一定值時，分母接近零 ,則幅度趨于零，相位滯后接近于 ?? 。 壓控振蕩器（ DCO） 壓控振蕩器（ DCO）是把輸入電壓轉(zhuǎn)換為頻率輸出的裝置，在鎖相環(huán)中作為被控振蕩器，它的振蕩頻率的變化輸入控制電壓 )(0tu 的變化而線性改變，有如下等值關(guān)系 [6] )()( 000 tuKtv ?? ?? 式中 )(tv? 表示壓控振蕩器瞬時角頻率； 0K 為增益系數(shù)，單位是 [rad/]。 由于壓控振蕩器輸出的信號會反饋到鑒相器上進行鑒相，然而相位 才是對鑒相器輸出誤差電壓 )(tud 起作用的，而不是 頻率。 ?? ???? tt duKtdv 00 (( 000 ?????? 即 ? ???? t duKt 0 () 00 ??? 算子形式為 )()(00 tupKt ??? 壓控振蕩器（ DCO）如圖 34 所表示。由模型可看出，壓控振蕩器（ DCO）的積分因子為 p/1 ，它的形成是由于相位與角頻率的關(guān)系。壓控振蕩器輸出的信號是相位信號，因此，壓控振蕩器（ DCO）固有此積分作用。因此，把壓控振蕩器稱作是鎖相環(huán)路中所特有不變的積分環(huán)節(jié)。 如上所述，壓控振蕩器有通過調(diào)節(jié)輸出信號頻率從而調(diào)節(jié)鑒相器鑒相輸出的相位誤差信號，對它要求是：要有穩(wěn)定的頻率源；靈敏度的控制 0K 要高；線性區(qū)域要寬等。 環(huán)路相位模型 由以上環(huán)路部件的模型，得到整個 環(huán)路模型，如圖 34. 圖 34 鎖相環(huán)路的相位模型 通過上圖可知，此系統(tǒng)輸出相位反饋到輸入的相位誤差自動控制系統(tǒng)。輸入相位信號 )(1t? 與反饋的輸出相位信號 )(2t? 進行相減，結(jié)果為誤差相位信號)(te? ，誤差相位信號 )(te? 經(jīng)過一定的函數(shù)關(guān)系產(chǎn)生誤差電壓信號 )(tud ，誤差電壓信號經(jīng)過環(huán)路濾波器 )(pF 的濾波作用得到控制電壓 )(tuo ，控制電壓信號輸入到壓控振蕩器調(diào)節(jié)其振蕩頻率，達到使振蕩頻率與輸入信號頻率 )(ti? 相等的作用。如果輸入 i? 的頻率不變，在 )(tuo 的作用下， )(tv? 向 i? 靠攏，當兩者頻率相等時，且相位誤差保持一固定值，鎖相環(huán)路就達到穩(wěn)定工作的 狀態(tài)，稱之為鎖定。鎖定之后，壓控振蕩器輸出鎖相信號的頻率與輸入被鎖信號頻率相同，兩者的相位差保持在一個穩(wěn)定狀態(tài)。 環(huán)路的動態(tài)方程 根據(jù)圖 34 鎖相環(huán)路相位模型，可以推導出鎖相環(huán)路的動態(tài)方程如下 ))()( 1 ttte ??? ???? )(s in)()(02 tppFUKt ed ?? ? 由上兩式得 )(s i n)())( 0 tpFUKtptp ede ??? ??? ? 令環(huán)路增益 dUKK 0? 式中 dU 是誤差電壓的最大值，它與 0K 的乘積值是壓控振蕩器的最大頻率偏移量 )(s i n)()()( 1 tpKFtptp ee ??? ?? 此式就可以表示鎖相環(huán)路。環(huán)路瞬時頻差表示為 )(tpe? 。右邊第一項 dt tdtp i )()(1 ??? ??? 在固定頻率輸入的情況下， 0/) ?? dttd ?? ，則 )(1tp? 就是固 有頻差 ??? 。式中最后一項 )(sin)( tUtu edd ?? 它是瞬時相差 )(te? 作用下的誤差電壓瞬時值。 )(s i n)()()()(0 tpFUtupFtu edd ??? 是誤差電壓信號經(jīng)環(huán)路濾波器濾波之后 加到壓控振蕩器上的控制電壓的瞬時值。 )(s i n)()(s i n)()()( 0002 tpKFtpFUKtuKtp eed ??? ??? 是控制電壓 )(tuo 加至壓控振蕩器所引起振蕩頻率 )(tv? 相對于自由振蕩頻率 0?的頻差?？梢越獬龇€(wěn)態(tài)相差 )0(arc sin jKFe ??? ?? 第四章 鎖相環(huán)系統(tǒng)的軟件設(shè)計及仿真 系統(tǒng)軟件設(shè)計要求 （ 1） 設(shè)計一種二階全數(shù)字鎖相環(huán) ， 其基本結(jié)構(gòu)應(yīng)該都由三個基本部件（鑒相器、環(huán)路濾波器和壓 /數(shù)控振蕩器）構(gòu)成。 （ 2）環(huán)路濾波采用比例積分算法實現(xiàn)。 （ 3）數(shù)控振蕩器（ DCO）采用相位累加器來實現(xiàn)。 數(shù)字鑒相器 （ DPD）的軟件設(shè)計及仿真 數(shù)字鑒相器（ DPD）采用邊緣檢測的方法 [7]，對輸入的被鎖信號（ signal）和鎖相信號（ sig_pll）檢測其上升沿或下降沿，以確定相位的超前滯后情況以及相位差的寬度。其原理圖如圖 41。 圖 41 邊緣檢測鑒相原理圖 邊緣檢測鑒相過程如下： （ 1）將輸入的被鎖信號（ signal）和鎖相信號（ sig_pll）分別經(jīng)過 D 觸發(fā)器延時 clkT 時間得到輸出信號 signal_r 和 sig_pll_r。 （ 2）根據(jù)（ 1）得到的信號 signal 和 signal_r，對輸入的被鎖信號（ signal）進行上升沿判斷，得到用于表示被鎖信號（ signal）上升沿的信號 signal_e，其脈沖寬度為 clkT 。 根據(jù)（ 1）得到的信號 sig_pll 和 sig_pll_r，對輸入的鎖相信號（ sig_pll_r）進行上升沿判斷，得到用于表示鎖相信號（ sig_pll）上升沿的信號sig_pll_e，其脈沖寬度為 clkT 。 （ 3）由（ 2）得到的信號 signal_e 和 sig_pll_e 以及數(shù)字鑒相器（ DPD）輸出的超前信號 up 和滯后信號 down，經(jīng)過鑒相邏輯，輸出信號 up_r 和 down_r。 （ 4）由鑒相邏輯后輸出的信號 up_r 和 down_r 經(jīng)過 D 觸發(fā)器鎖存（鎖存周期為 clkT ），輸出超前信號 up 和滯后信號 down。 輸入的被鎖信號（ signal）和鎖相信號（ sig_pll）的上升沿檢測程序如下： signal_e = signal amp。 (~signal_r) 若 signal_e 的值為真，則檢測到被鎖信號（ signal）的上升沿。 sig_pll_e = sig_pll amp。 (~sig_pll_r) 若 sig_pll_e 的值為真，則檢測到鎖相信號（ sig_pll）的上升沿。 鑒相邏輯真 值表如圖 42。 圖 42 鑒相邏輯真值表 邊緣檢測鑒相信號的仿真波形圖如圖 43。 圖 43 邊緣檢測鑒相的信號波形圖 由邊緣檢測鑒相信號的仿真波形圖可以看出，采用此方法鑒相得出的相位誤差信號 up