基于比例積分和二分法控制的全數(shù)字鎖相環(huán)研究

蔣小軍,蔣小偉

(湖南鐵道職業(yè)技術學院,湖南 株洲 412001)

0 引言

鎖定時間是全數(shù)字鎖相環(huán)的重要性能指標之一,為了使鎖定時間盡可能小,采用自適應帶寬技術的鎖相環(huán)根據(jù)輸入信號與輸出信號的相位或者頻率信號來改變?yōu)V波器的帶寬[1]。采用調(diào)頻字估計和預置技術的鎖相環(huán)改變數(shù)控振蕩器的頻率預設字[2-3],使之更接近目標頻率,從而減少鎖定時間,但他們的頻率分辨率不高。以上傳統(tǒng)鎖相環(huán)的鎖定時間與輸出頻率范圍、濾波器帶寬、目標頻率和頻率分辨率有關,鎖相環(huán)輸出頻率范圍越大,濾波器的帶寬越小,數(shù)控振蕩器輸出頻率離鎖定的目標頻率越遠,數(shù)控振蕩器的頻率分辨率越高,導致鎖定時間越長。

為了解決上述問題,本文提出了一種基于比例積分(PI)和二分法控制的全數(shù)字鎖環(huán)結構。該鎖相環(huán)根據(jù)輸入信號和輸出信號之間的相位和頻率誤差信號,通過比例積分和二分法對數(shù)控振蕩器頻率控制字進行調(diào)整,從而實現(xiàn)目標頻率的快速鎖定。

1 電路結構與工作原理

本文提出的全數(shù)字鎖相環(huán)結構如圖1所示,由數(shù)字鑒頻器(PFD)、數(shù)字鑒相器(DPD)、二分法控制器(CU)、PI控制器(DLF)和數(shù)控振蕩器(DCO)組成。數(shù)字鑒相器(DPD)由觸發(fā)器和與非門電路組成,數(shù)字鑒頻器(PFD)由計數(shù)器和比較器組成[3]。DCO的頻率控制字由二分法控制器(CU)產(chǎn)生的高位頻率控制字(FCW)和PI控制器(DLF)產(chǎn)生的低位頻率控制字(G)組成。數(shù)字鑒頻器根據(jù)輸入?yún)⒖夹盘柵c輸出信號的頻率快慢關系,生成快慢信號FS,二分法控制器根據(jù)快慢信號FS,對數(shù)控振蕩器的高位頻率控制字FCW進行粗略估算,將頻率縮小在一定的頻率范圍內(nèi)。數(shù)字鑒相器根據(jù)輸入?yún)⒖夹盘柵c輸出信號的頻率和相位誤差生成相位超前或滯后信號PD和誤差大小信號E,PI控制器根據(jù)相位信號PD和誤差大小E,對DCO的低位頻率控制字G進行細微調(diào)節(jié),實現(xiàn)頻率和相位的快速鎖定。

圖1 全數(shù)字鎖相環(huán)結構

2 電路設計和仿真分析

2.1 二分法控制器的設計

二分法是一種快速搜索算法,頻率搜索過程如圖2所示。與圖3所示的漸進頻率搜索方案相比,ADPLL中的二分法搜索能更快地鎖定目標頻率。二分法控制器(CU)根據(jù)PFD輸出的“快”或“慢”的信號FS調(diào)節(jié)DCO的頻率控制字FCW來快速鎖定DOC目標頻率[4-5]。

圖2 二分法頻率搜索

圖3 漸進頻率搜索

在CU設計中,FCW計算使用二分方案進行調(diào)整,這是一個迭代過程,從給定的值范圍內(nèi)確定估計的值。為了實現(xiàn)二分方案的運行,二分法控制器需要對DCO最大和最小頻率進行初始化。二分法計算公式如下。

當f_ref頻率大于f_out頻率時:

(1)

當f_ref頻率小于f_out頻率時:

(2)

圖4 FCW仿真時序

2.2 整體電路設計

根據(jù)圖1鎖相環(huán)系統(tǒng)的結構,利用Altera公司的QuartusⅡ設計軟件,對全數(shù)字鎖相環(huán)進行了設計和仿真,仿真電路如圖5所示。該系統(tǒng)由數(shù)字鑒頻器(PFD)、數(shù)字鑒相器(DPD)、二分法控制器(CU)、PI控制器(DLP)和數(shù)控振蕩器(DCO)等組成。

圖5 鎖相環(huán)的仿真電路

鎖相環(huán)的仿真波形如圖6所示,當輸入?yún)⒖碱l率f_ref為10 kHz時,二分法控制器根據(jù)數(shù)字鑒頻器輸出的“快”或“慢”信號FS,對數(shù)控振蕩器DCO的頻率控制字FCW進行粗略計算,大概經(jīng)過9個周期,鎖相環(huán)就實現(xiàn)了DCO目標頻率的快速鎖定。

圖6 仿真波形

3 結語

為了縮短鎖相環(huán)的鎖定時間,快速搜索DCO的目標頻率,鎖相環(huán)采用了一種二分法頻率搜索方案來計算DCO頻率控制字FCW。仿真結果表明,基于PI和二分法控制的全數(shù)字鎖相環(huán),實現(xiàn)了相位和頻率的快速鎖定。