本文在說明全數字鎖相環的基礎上，提出了一種利用FPGA設計一階全數字鎖相環的方法，并給出了關鍵部件的RTL可綜合代碼，并結合本設計的一些仿真波形詳細描述了數字鎖相環的工作過程，最后對一些有關的問題進行了討論。

引言

鎖相環(PLL)技術在眾多領域得到了廣泛的應用。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技術。傳統的鎖相環由模擬電路實現，而全數字鎖相環(DPLL)與傳統的模擬電路實現的PLL相比，具有精度高且不受溫度和電壓影響，環路帶寬和中心頻率編程可調，易于構建高階鎖相環等優點，并且應用在數字系統中時，不需A/D及D/A轉換。隨著通訊技術、集成電路技術的飛速發展和系統芯片(SoC)的深入研究，DPLL必然會在其中得到更為廣泛的應用。

這里介紹一種采用VERILOG硬件描述語言設計DPLL的方案。

DPLL結構及工作原理

主要由鑒相器、K變模可逆計數器、脈沖加減電路和除N計數器四部分構成。K變模計數器和脈沖加減電路的時鐘分別為Mfc和2Nfc。這里fc是環路中心頻率，一般情況下M和N都是2的整數冪。本設計中兩個時鐘使用相同的系統時鐘信號。

鑒相器

常用的鑒相器有兩種類型：異或門(XOR)鑒相器和邊沿控制鑒相器(ECPD)，本設計中采用異或門(XOR)鑒相器。異或門鑒相器比較輸入信號Fin相位和輸出信號Fout相位之間的相位差Фe=Фin-Фout，并輸出誤差信號Se作為K變模可逆計數器的計數方向信號。環路鎖定時，Se為一占空比50%的方波，此時的絕對相為差為90°。因此異或門鑒相器相位差極限為±90°。

K變模可逆計數器

K變模可逆計數器消除了鑒相器輸出的相位差信號Se中的高頻成分，保證環路的性能穩定。K變模可逆計數器根據相差信號Se來進行加減運算。當Se為低電平時，計數器進行加運算，如果相加的結果達到預設的模值，則輸出一個進位脈沖信號CARRY給脈沖加減電路；當Se為高電平時，計數器進行減運算，如果結果為零，則輸出一個借位脈沖信號BORROW給脈沖加減電路。

脈沖加減電路

脈沖加減電路實現了對輸入信號頻率和相位的跟蹤和調整，最終使輸出信號鎖定在輸入信號的頻率和信號上。

除N計數器

除N計數器對脈沖加減電路的輸出IDOUT再進行N分頻，得到整個環路的輸出信號Fout。同時，因為fc=IDCLOCK/2N，因此通過改變分頻值N可以得到不同的環路中心頻率fc。

DPLL部件的設計實現

了解了DPLL的工作原理，我們就可以據此對DPLL的各部件進行設計。DPLL的四個主要部件中，異或門鑒相器和除N計數器的設計比較簡單：異或門鑒相器就是一個異或門；除N計數器則是一個簡單的N分頻器。下面主要介紹K變模可逆計數器和脈沖加減電路的設計實現。

K變模可逆計數器的設計實現

K變模可逆計數器模塊中使用了一個可逆計數器Count，當鑒相器的輸出信號dnup為低時，進行加法運算，達到預設模值則輸出進位脈沖CARRY；為高時，進行減法運算，為零時，輸出借位脈沖BORROW。Count的模值Ktop由輸入信號Kmode預設，一般為2的整數冪，這里模值的變化范圍是23-29。模值的大小決定了DPLL的跟蹤步長，模值越大，跟蹤步長越小，鎖定時的相位誤差越小，但捕獲時間越長；模值越小，跟蹤步長越大，鎖定時的相位誤差越大，但捕獲時間越短。

K變模可逆計數器的VERILOG設計代碼如下(其中作了部分注釋，用斜體表示)：
module KCounter(Kclock，reset，dnup，enable， Kmode，carry，borrow);
input Kclock; /*系統時鐘信號*/
input reset; /*全局復位信號*/
input dnup; /*鑒相器輸出的加減控制信號*/
input enable; /*可逆計數器計數允許信號*/
input [2:0]Kmode; /*計數器模值設置信號*/
output carry; /*進位脈沖輸出信號*/
output borrow; /*借位脈沖輸出信號*/
reg [8:0]Count; /*可逆計數器*/
reg [8:0]Ktop; /*預設模值寄存器*/
/*根據計數器模值設置信號Kmode來設置預設模值寄存器的值*/
always @(Kmode)
begin
case(Kmode)
3'b001:Ktop<=7;
3'b010:Ktop<=15;
3'b011:Ktop<=31;
3'b100:Ktop<=63;
3'b101:Ktop<=127;
3'b110:Ktop<=255;
3'b111:Ktop<=511;
default:Ktop<=15;
endcase
end
/*根據鑒相器輸出的加減控制信號dnup進行可逆計數器的加減運算*/
always @(posedge Kclock or posedge reset)
begin
if(reset)
Count<=0;
else if(enable)
begin
if(!dnup)
begin
if(Count==Ktop)
Count<=0;
else
Count<=Count+1;
end
else
begin
if(Count==0)
Count<=Ktop;
else
Count<=Count-1;
end
end
end
/*輸出進位脈沖carry和借位脈沖borrow*/
assign carry=enable&(!dnup) &(Count==Ktop);
assign borrow=enable&dnup& (Count==0);
endmodule

脈沖加減電路的設計實現

脈沖加減電路完成環路的頻率和相位調整，可以稱之為數控振蕩器。當沒有進位/借位脈沖信號時，它把外部參考時鐘進行二分頻；當有進位脈沖信號CARRY時，則在輸出的二分頻信號中插入半個脈沖，以提高輸出信號的頻率；當有借位脈沖信號BORROW時，則在輸出的二分頻信號中減去半個脈沖，以降低輸出信號的頻率。VERILOG設計代碼如下：
module IDCounter(IDclock，reset，inc，dec，IDout);
input IDclock; /*系統時鐘信號*/
input reset; /*全局復位信號*/
input inc; /*脈沖加入信號*/
input dec; /*脈沖扣除信號*/
output IDout; /*調整后的輸出信號*/
wire Q1, Qn1, Q2, Qn2, Q3, Qn3;
wire Q4, Qn4, Q5, Qn5, Q6, Qn6;
wire Q7, Qn7, Q8, Qn8, Q9, Qn9;
wire D7, D8;
FFD FFD1(IDclock, reset, inc, Q1, Qn1);
FFD FFD2(IDclock, reset, dec, Q2, Qn2);
FFD FFD3(IDclock, reset, Q1, Q3, Qn3);
FFD FFD4(IDclock, reset, Q2, Q4, Qn4);
FFD FFD5(IDclock, reset, Q3, Q5,Qn5);
FFD FFD6(IDclock, reset, Q4, Q6,Qn6);
assign D7=((Q9 & Qn1 & Q3) | (Q9 & Q5 & Qn3));
assign D8=((Qn9 & Qn2 & Q4) | (Qn9 & Q6 & Qn4));
FFD FFD7(IDclock, reset, D7, Q7, Qn7 );
FFD FFD8(IDclock, reset, D8, Q8, Qn8);
JK FFJK(IDclock, reset, Qn7, Qn8, Q9, Qn9);
assign IDout = (!Idclock)|Q9;
endmodule
其中，FFD為D觸發器，JK為JK觸發器。

當環路的四個主要部件全部設計完畢，我們就可以將他們連接成為一個完整的DPLL，進行仿真、綜合、驗證功能的正確性。

DPLL的FPGA實現

本設計中的一階DPLL使用XILINX公司的FOUNDATION4.1軟件進行設計綜合，采用XILINX的SPARTAN2系列的XC2S15 FPGA器件實現，并使用Modelsim5.5d軟件進行了仿真。結果表明：本設計中DPLL時鐘可達到120MHz，性能較高；而僅使用了87個LUT和26個觸發器，占用資源很少。下面給出詳細描述DPLL的工作過程。

(1) 當環路失鎖時，異或門鑒相器比較輸入信號(DATAIN)和輸出信號(CLOCKOUT)之間的相位差異，并產生K變模可逆計數器的計數方向控制信號(DNUP)；

(2) K變模可逆計數器根據計數方向控制信號(DNUP)調整計數值，DNUP為高進行減計數，并當計數值到達0時，輸出借位脈沖信號(BORROW)；為低進行加計數，并當計數值達到預設的K模值時，輸出進位脈沖信號(CARRY)；

(3) 脈沖加減電路則根據進位脈沖信號(CARRY)和借位脈沖信號(BORROW)在電路輸出信號(IDOUT)中進行脈沖的增加和扣除操作，來調整輸出信號的頻率；

(4) 重復上面的調整過程，當環路進入鎖定狀態時，異或門鑒相器的輸出DNUP為一占空比50%的方波，而K變模可逆計數器則周期性地產生進位脈沖輸出CARRY和借位脈沖輸出BORROW，導致脈沖加減電路的輸出IDOUT周期性的加入和扣除半個脈沖．