基于vhdl语言的数字锁相环的设计与实现

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1、第!$卷第’期青岛大学学报（工程技术版）*>?2!$1>2’’""(年#月"#$%&’(#)*+&,-’#$&+./%0+12（/31）@AB2’""(文章编号：!""#$%$&（’""(）"’""&(")基于*+,-语言的数字锁相环的设计与实现!董介春，李万玉（青岛大学自动化工程学院，山东青岛’##"%!）摘要：为了改善数字通信系统的同步性能，保证系统工作稳定、可靠，对锁相环电路进行了研究。在分析模拟锁相环缺点的基础上，介绍了数字锁相环的工作原理，并用*+,-语言对该系统进行了设计，给出了数字锁相环电路.个主要模块的设计过程及仿真结果，得到了该系统的顶层电路。实验及仿真结

2、果表明，数字锁相环是解决同步问题的重要措施之一。关键词：*+,-；/-,；数字锁相环中图分类号：01$!!2&文献标识码：3同步的技术基础是锁相，因而锁相技术是通信中最重要的技术之一。锁相就是利用输入信号与输出信号之间的相位误差来自动调节输出信号的相位，使之达到与输入信号的相位一致，或保持一个很小的相位差，从而实现自动调节的功能［!］。锁相技术现已广泛应用于电子技术的各个领域，特别是在数字通信的调制解调、位同步、频率合成中常常要用到各种各样的锁相环。最初的锁相环全部由模拟电路组成，由于模拟锁相环存在温度漂移、电网电压的影响等缺点，给系统的同步调节带来困难。随着大规模、超大规

3、模数字集成技术的发展，模拟锁相环逐渐被数字锁相环所取代。!系统的工作原理数字锁相环电路的系统结构图如图!所示。由数字鉴相器、数字滤波器和数控振荡器组成。如果把数字滤波器看成一个分频器，则分频比为!"4，其输出频率为图!数字锁相环系统框图##$!!!"4"$5#其中，!!为输入信号*与输出信号*的相位差；"为环路的中心频率。数控振荡器的输出频率为!’4#$!!!"4"’5"!6#%由于锁定的极限范围为#$!!57!，所以得到环路的捕捉带!"4!"89:5"’89:;"!5#%当环路锁定时，"，系统稳态相位误差’5"!%#（"’;"!）!!（<）5#$!"4可见，只要合理选择#

4、值，就能使输出信号*的相位较好地跟踪输入*的相位，以达到锁定的目的。如果’!#值选的太大，环路捕捉带就会变小，导致捕捉时间增大；如果#值太小，可能会出现频繁进位、借位脉冲，!收稿日期：’"".!"!(万方数据作者简介：董介春（!$#%），男，高级实验师，工学硕士，现从事=,3方面的教学与研究工作。第8期董介春，等：基于!"#$语言的数字锁相环的设计与实现O@从而使相位出现抖动。!!"#$语言的特点!"#$语言（!"%&’"()*+(),#,-.)/01/23$(345(4,，!"%&’即为!,)6"/47%0,,*&31,4)(1,*’/).5/1的缩写词）是一种行为描述语

5、言［8］，其编程结构类似于计算机中的’语言，在描述复杂逻辑设计时，非常简洁，具有很强的逻辑描述和仿真能力，是未来硬件设计语言的主流。运用!"#$语言设计系统一般采用自上而下分层设计的方法［9］，首先从系统级功能设计开始，对系统高层模块进行行为描述和功能验证。这样，在电路细节设计之前，先对系统的功能和结构进行验证，可对存在的问题早发现早修改，提高设计效率。完成系统的功能验证后，就可以将抽象的高层设计，自顶而下逐级细化，直到所用:$#（可编程逻辑器件）结构相对应的逻辑描述。在细化的过程中，对电路结构清楚的模块可采用结构描述；对采用什么电路结构不确定的模块可采用行为描述。现在的;

6、#<（电子设计自动化）工具一般都具有逻辑综合的功能，可将行为描述自动转换为与:$#器件结构相对应的逻辑描述，这给设计者带来了极大的方便，并大大缩短了产品的开发周期。支持行为描述与结构描述的混合使用，是!"#$的一个重要特征，具有很大的优越性。因为!"#$语言的功能强大，优点突出，因此!"#$语言自从被定为&;;;标准后，在各;#<系统中迅速出现，成为十分流行的硬件描述工具。"系统电路实现根据图=给出的数字锁相环的原理框图，用!"#$语言分别对该系统进行了设计。其中数字滤波器由!模计数器组成，数控振荡器包括脉冲加／减控制电路和"分频器等。"##鉴相器模块（*/-.)）数字鉴相

7、器通常采用边沿控制型鉴相器、异或门鉴相器、同或门鉴相器或$!触发器组成的鉴相器等。该数字鉴相器是一个相位比较装置，通过比较输入信号!（相位!）与输出信号!（相位!）的相位产==88生一个误差信号!*，其相位差为!!>!=?!8。当!!>!（输入信号脉宽的一半）时，鉴相器输出为方波，,属于相位锁定阶段，如图8所示，在这种情况下，只要可逆计数器的!值足够大，其输出端就不会产生进位脉冲或借位脉冲。在环路未锁定时，若!!!!，其输出脉冲的占空,比小于@AB；而当!!"!，其占空比大于@AB，该输出电,压!加到!模可逆计数器