0 引言

    鎖相環(huán)是一個能對輸入信號進(jìn)行自動跟蹤的負(fù)反饋控制電路,。鎖相環(huán)在通信,、無線電電子學(xué)、自動控制和電力系統(tǒng)自動化等領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用,，其性能的好壞將直接影響整個電子系統(tǒng)的工作性能^[1],。隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，全數(shù)字鎖相環(huán)的應(yīng)用范圍也更加廣泛^[2],。全數(shù)字鎖相環(huán)具有比模擬鎖相環(huán)更多的優(yōu)點,，它可以解決模擬鎖相環(huán)中設(shè)計復(fù)雜性較高、可移植性較差和對噪聲十分敏感等問題^[3],。對于系統(tǒng)芯片而言,，系統(tǒng)運(yùn)行速度和功耗是衡量其性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一，如何提高其運(yùn)行速度和降低其功耗是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點問題^[4],。全數(shù)字鎖相環(huán)作為系統(tǒng)芯片中常用的功能模塊,，這些問題也是我們在設(shè)計鎖相環(huán)時迫切需要解決的問題。另一方面,，提高鎖相環(huán)的鎖相速度與增強(qiáng)鎖相環(huán)的穩(wěn)定性是相互矛盾的,。在鎖相環(huán)設(shè)計時，若數(shù)字濾波器的參數(shù)取較小值,，可加快鎖相環(huán)的鎖相速度,，縮短鎖相時間,，但在系統(tǒng)鎖定后會出現(xiàn)相位抖動，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性,；而其參數(shù)取較大值時,，雖可減小相位抖動，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,，但卻又會造成鎖相速度變慢,。由于傳統(tǒng)全數(shù)字鎖相環(huán)中數(shù)字濾波器的參數(shù)是固定不變的，不能實現(xiàn)參數(shù)的動態(tài)調(diào)節(jié),，因此,，在鎖相環(huán)設(shè)計時只能取某一固定的折中值，這就不能從根本上解決同時提高鎖相環(huán)的動態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能之間所存在的矛盾,，也就不能最大限度地提高鎖相系統(tǒng)的整體性能,。

    本文提出的基于流水線技術(shù)的全數(shù)字鎖相環(huán)，一是能夠提高鎖相系統(tǒng)的運(yùn)行速度,，降低系統(tǒng)功耗,；二是可實現(xiàn)數(shù)字濾波器參數(shù)的動態(tài)調(diào)節(jié)，從根本上解決提高鎖相速度與增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的矛盾,。文中介紹了該鎖相環(huán)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),、工作原理及主要模塊的設(shè)計方案。利用 Quartus II軟件工具對電路系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗證,，并根據(jù)仿真結(jié)果對電路參數(shù)的變化對鎖相系統(tǒng)的影響進(jìn)行了分析^[5],。

1 流水線技術(shù)

1.1 流水線技術(shù)的工作原理

    流水線技術(shù)在速度優(yōu)化中是常用的技術(shù)之一，它能顯著地提高設(shè)計電路的運(yùn)行速度上限^[6],。為了保障數(shù)據(jù)的快速傳輸,，必須使系統(tǒng)運(yùn)行在盡可能高的頻率上，但如果某些復(fù)雜邏輯功能的完成需要較長的延時,，就會使系統(tǒng)很難運(yùn)行在高的頻率上,。在這種情況下，可使用流水線技術(shù),，即在長延時的邏輯功能塊中插入觸發(fā)器,，使復(fù)雜的邏輯操作分步完成，減少每個部分的處理延時,，從而使系統(tǒng)的運(yùn)行頻率得以提高^[7-8],。流水線設(shè)計的代價是增加了寄存器邏輯,，即增加了芯片資源的耗用,。具體工作原理如圖1所示,。

    圖1(a)中的最高工作頻率為1/T_a,；在圖1(b)中，將圖1(a)中延時較大的組合邏輯電路分解為兩個延時較小的組合邏輯電路,，并在該電路中插入一個寄存器,，其中T_a=T₁+T₂，T₁≈T₂,。該電路中第一級由輸入寄存器,、組合邏輯電路和插入的寄存器構(gòu)成，其最高工作頻率約等于1/T₁,；第二級由后一個組合邏輯電路和寄存器構(gòu)成,，其最高工作頻率約等于1/T₂。因此,，該流水線電路結(jié)構(gòu)的最高工作頻率約等于1/T₁,，與圖1(a)的電路結(jié)構(gòu)相比較，其電路的整體運(yùn)行速度得到顯著的提高,。

1.2 流水線技術(shù)的應(yīng)用

    采用流水線技術(shù)可以優(yōu)化計數(shù)器的電路,，以24位計數(shù)器為例，該計數(shù)器的進(jìn)位鏈很長,，必然會降低工作頻率,。若將其分割成3個8位的計數(shù)器，每當(dāng)8位的計數(shù)器計到255后,，可利用進(jìn)位信號觸發(fā)下一個8位的計數(shù)器工作,，這樣便可減少系統(tǒng)的工作延遲，從而達(dá)到提高系統(tǒng)信息處理速度的目的^[9],。具體實現(xiàn)過程如圖2所示,。

    其中圖2(a)為沒有采用流水線技術(shù)的24位的電路結(jié)構(gòu)，圖2(b)為采用流水線技術(shù)設(shè)計的電路,。從圖2(b)中可以看出,，將24位的計數(shù)器分為三級流水線設(shè)計，每一級為一個8位計數(shù)器,，其中第一級計數(shù)器的位數(shù)為0～7位,，第二級計數(shù)器位數(shù)為8～15位，第三級計數(shù)器的位數(shù)為16～23位,。每當(dāng)?shù)鸵患壍?位計數(shù)器產(chǎn)生進(jìn)位信號時,，觸發(fā)高一級的8位計數(shù)器開始計數(shù)，以此類推進(jìn)行累加計數(shù),。采用這種流水線計數(shù)器的電路結(jié)構(gòu),，可提高計數(shù)器在進(jìn)位鏈上的處理速度，進(jìn)而提高整體電路的運(yùn)行速度,。

2 鎖相環(huán)主要電路模塊的設(shè)計

    本文所提出的全數(shù)字鎖相環(huán)的系統(tǒng)框圖^[10]如圖3所示,，該鎖相環(huán)主要由數(shù)字鑒相器、自動變模電路,、數(shù)字濾波器,、加扣脈沖控制電路和N分頻器組成,。其中數(shù)字鑒相器由雙D觸發(fā)器實現(xiàn)，其主要作用是通過比較輸入信號f_in與輸出反饋信號F_OUT之間的相位變化,，產(chǎn)生相位誤差信號u_e,、超前信號u_p和滯后信號u_d。數(shù)字濾波器主要由可逆計數(shù)器構(gòu)成,，它可根據(jù)超前信號或滯后信號進(jìn)行加計數(shù)或減計數(shù),，當(dāng)計數(shù)值達(dá)到計數(shù)器的模值時，產(chǎn)生進(jìn)位信號inc或借位信號dec,，其中可逆計數(shù)器的模值km（即該濾波器的參數(shù)）由自動變模電路提供,，該信號可根據(jù)誤差信號u_e的大小自動產(chǎn)生。加扣脈沖控制電路和N分頻器構(gòu)成了數(shù)字振蕩器,，當(dāng)inc信號為高電平時,，在數(shù)字序列信號IDout中插入一個脈沖；當(dāng)dec信號為高電平時,，在IDout中扣除一個脈沖,，再經(jīng)過N分頻器得到調(diào)節(jié)后的輸出信號F_OUT。將該輸出信號反饋到數(shù)字鑒相器,，通過鎖相系統(tǒng)對相位誤差的反復(fù)調(diào)節(jié),，最終達(dá)到相位的鎖定。

2.1 流水線自動變模電路設(shè)計

    數(shù)字濾波器的動態(tài)參數(shù)主要由自動變模電路提供,，其中自動變模電路主要是由一個時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊(TDC)和變?？刂破鳂?gòu)成，其主要作用是根據(jù)數(shù)字鑒相器輸出的相位誤差的大小來改變數(shù)字濾波器中可逆計數(shù)器的模值km,。當(dāng)相位誤差較大時,，輸出較小的模值，以便加快鎖相速度,；而當(dāng)相位誤差較小時,，輸出較大的模值，以減小環(huán)路鎖定后的相位抖動,。

    根據(jù)本文提出的流水線計數(shù)器的設(shè)計理念,，對TDC模塊中的20位計數(shù)器采用5級流水線設(shè)計，其中第一級計數(shù)器的位數(shù)為0～3位,，第二級計數(shù)器位數(shù)為4～7位,，第三級計數(shù)器的位數(shù)為8～11位，第四級計數(shù)器的位數(shù)為12～15位,，第五級計數(shù)器位數(shù)為16～19位,。采用超高速集成電路硬件描述語言(VHDL)對流水線電路結(jié)構(gòu)的TDC模塊進(jìn)行設(shè)計，該模塊的RTL級電路圖如圖4所示。

    在采用VHDL完成變?？刂破鞯脑O(shè)計之后,，再將兩個模塊連接起來，便可得到流水線自動變模的電路如圖5所示,。其輸入信號ue為相位誤差信號，輸出信號km是提供給數(shù)字濾波器中可逆計數(shù)器的可變模值,。

2.2 流水線數(shù)字濾波器設(shè)計

    數(shù)字濾波器主要由8位可逆計數(shù)器構(gòu)成,，對該可逆計數(shù)器采用2級流水線設(shè)計，第一級計數(shù)器的位數(shù)為0～3位,，第二級計數(shù)器為位數(shù)為4～7位,。采用 VHDL對流水線電路結(jié)構(gòu)的數(shù)字濾波器進(jìn)行設(shè)計，該模塊的RTL級電路如圖6所示,。其輸入信號km為計數(shù)器的模值,，輸出信號dec和inc信號分別為加扣脈沖控制電路的控制信號。

    數(shù)字濾波器的仿真波形如圖7所示,，從圖中可以看出當(dāng)km的值分別取2,，4，8,，32時,，相應(yīng)dec和inc信號出現(xiàn)的頻率是不同的。這說明該數(shù)字濾波器能夠根據(jù)模值km的大小,，自動調(diào)節(jié)其輸出控制信號的頻率,，進(jìn)而可實現(xiàn)對鎖相環(huán)工作過程的動態(tài)調(diào)節(jié)。

2.3 流水線分頻器設(shè)計

    該分頻器是由24位計數(shù)器構(gòu)成,，其分頻系數(shù)可調(diào),。對該計數(shù)器采用3級流水線設(shè)計，其中第一級計數(shù)器的位數(shù)為0～7位,，第二級計數(shù)器位數(shù)為8～15位,，第三級計數(shù)器的位數(shù)為16～23位。同樣,，采用 VHDL對流水線電路結(jié)構(gòu)的分頻器進(jìn)行設(shè)計,，該模塊的RTL級電路圖如圖8所示。

3 鎖相系統(tǒng)的整體設(shè)計與仿真

    該鎖相系統(tǒng)的整體設(shè)計采用自頂而下的設(shè)計方法,，首先,，用VHDL語言對各模塊進(jìn)行編程設(shè)計，在完成各模塊的設(shè)計之后,，再按照系統(tǒng)設(shè)計方案將各模塊連接起來構(gòu)成系統(tǒng)頂層電路,，該系統(tǒng)電路如圖9所示。其中jianxq為數(shù)字鑒相器，zdjc為自動變模電路,，bknjs8為數(shù)字濾波器,，ID為加減脈沖控制電路，divN8為N分頻器,。Clk為時鐘信號,，fin為輸入信號，km為可逆計數(shù)器的模值,。

    系統(tǒng)時鐘頻率取200 MHz,，輸入頻率為50 MHz時，對頂層電路進(jìn)行系統(tǒng)仿真,，其結(jié)果如圖10所示,。

    取同一系統(tǒng)時鐘頻率，當(dāng)輸入頻率由50 MHz跳變?yōu)?5 MHz時,，其仿真波形如圖11所示,。

    從圖10可以看出，在相位調(diào)節(jié)區(qū)間,，鎖相環(huán)中可逆計數(shù)器的模值km 隨著相位誤差的不同而變化,，這樣可以加快其鎖定速度；在相位鎖定區(qū)間,，則會自動選擇本系統(tǒng)所設(shè)置的最大模值km,，故可大大減小環(huán)路輸出信號相位的抖動，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。從圖11可以看出當(dāng)輸入頻率發(fā)生跳變時,，鎖相環(huán)能夠在輸入信號頻率發(fā)生跳變后的第一個周期內(nèi)快速鎖定信號的頻率，并迅速對相位誤差進(jìn)行調(diào)整,，大約經(jīng)過2.5 μs便可鎖定,，且鎖定后同樣自動選擇最大的km值。由此可以看出該鎖相環(huán)能夠根據(jù)其不同的工作過程對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié),，從根本上解決了提高鎖定速度與穩(wěn)定性之間的矛盾,，提高了鎖相系統(tǒng)的整體性能。

    取系統(tǒng)時鐘頻率為200 MHz,，輸入信號頻率為50 MHz時,，分別對傳統(tǒng)鎖相環(huán)和流水線鎖相環(huán)進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行時序分析和功耗分析,。具體結(jié)果分析如表1所示,。

    從以上表格可以看出，首先,，與傳統(tǒng)的鎖相環(huán)相比,，流水線電路結(jié)構(gòu)鎖相環(huán)的系統(tǒng)延時減少了1.278 ns,。其次，時鐘頻率為200 MHz時,，其系統(tǒng)的總功耗比傳統(tǒng)的鎖相環(huán)減少了630 μW,。由此可見，具有流水線電路結(jié)構(gòu)的全數(shù)字鎖相環(huán)可以減少系統(tǒng)延時,，提高系統(tǒng)的工作速度,，并可減少系統(tǒng)的總功耗。

4 結(jié)論

    本文所提出的全數(shù)字鎖相環(huán)采用流水線技術(shù)優(yōu)化了系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu),，減少了系統(tǒng)延遲,，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度，降低了系統(tǒng)的總功耗,。由于數(shù)字濾波器的參數(shù)可以動態(tài)調(diào)整,，故既能提高鎖相速度,，又可增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,，從而很好地解決了兩者之間所存在的矛盾。

參考文獻(xiàn)

[1] Guo Xiaoqiang,，Wu Weiyang,，Chen Zhe.Multiple complex-coefficient-filter based phase-locked loop and synchronization technique for three-phase grid-interfaced converters in distributed utility networks[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011,，58(4)：1194-1204.

[2] 彭詠龍,，路智斌，李亞斌.基于FPGA的改進(jìn)型全數(shù)字鎖相環(huán)的設(shè)計[J].電源技術(shù),，2015,，39(2)：410-412.

[3] STASZEWSKI R B，MUHAMMAD K,，LEIPOLD D,，et al.All-digital TX frequency synthesizer and discrete time receiver for Bluetooth radio in 130-n/n CMOS[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2004,，39(12)：2278-2291.

[4] 單長虹,，陳忠澤，單健.基于雙邊沿觸發(fā)計數(shù)器的低功耗全數(shù)字鎖相環(huán)的設(shè)計[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報,，2005,，10(2)：142-145.

[5] 黃保瑞，楊世平.基于FPGA的全數(shù)字鎖相環(huán)設(shè)計[J].電子測試,，2014(8X)：33-34.

[6] 潘松,，黃繼業(yè).EDA技術(shù)實用教程VHDL版(第5版)[M].北京：科技出版社，2013.

[7] 崔秀敏.基于FPGA的流水線技術(shù)設(shè)計與實現(xiàn)[J].Science & Technology Information,，2010(7)：76-77.

[8] 何永泰,，董剛,，黃文卿.流水線技術(shù)在FPGA設(shè)計中的實現(xiàn)[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006,，25(4)：84-86.

[9] Xu Liangge,，LINDFORS S.A high-speed variable phase accumulator for an ADPLL architecture[J].2008 IEEE International Symposium on Circuits and Systems，2008.

[10] 單長虹,，鄧國揚(yáng).一種新型快速全數(shù)字鎖相環(huán)的研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,，2003，15(4)：581-583.

作者信息:

田  帆,，楊檬瑋,，單長虹

（南華大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖南 衡陽421001）