基于數(shù)字鎖相環(huán)的同步倍頻器設(shè)計方案

南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第頁，共 43 頁 1 基于數(shù)字鎖相環(huán)的同步倍頻器設(shè)計 方案 計依據(jù)及其研究意義 本次研究的課題是基于數(shù)字鎖相環(huán)的同步倍頻器設(shè)計。鎖相環(huán)路是反饋電路的一種，鎖相環(huán)的英文全稱是 稱 鎖相環(huán)可以實現(xiàn)輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，故其通常用于閉環(huán)跟蹤電路。之所以叫鎖相環(huán)，是因為其在工作的過程中，當(dāng)輸出信號的頻率和輸入信號的頻率相等時，輸出電壓和輸入電壓能保持固定的相位差值，實現(xiàn)相位的鎖定的功能。鎖相環(huán)不僅在雷達(dá)、測量、通信和自動化控制等領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛，而且隨著電子技術(shù)向數(shù)字化方向發(fā)展 ，需要采用數(shù)字方式實現(xiàn)信號的鎖相處理，對全數(shù)字鎖相環(huán)的研究和應(yīng)用得到了越來越多的關(guān)注。 倍頻器（ 實現(xiàn)輸出信號頻率等于輸入信號頻率整數(shù)倍的電路。倍頻器可由一個壓控振蕩器和控制環(huán)路組成 ,其控制電路產(chǎn)生一控制電壓，使壓控振蕩器的振蕩頻率嚴(yán)格地鎖定在輸入頻率 n 倍值 。倍頻器用途十分廣泛，如為了提高頻率穩(wěn)定度，發(fā)射機(jī)常采用倍頻器以使主振器振蕩在一個較低頻率；而調(diào)頻設(shè)備也常用倍頻器來增大頻率的偏移；倍頻器也已然成為相位鍵控通信機(jī)中載波恢復(fù)電路的一個重要組成 單元。當(dāng)然，倍頻器也可利用非線性電路產(chǎn)生高次諧波或者利用頻率控制回路構(gòu)成。由于非線性變換過程中產(chǎn)生的大量諧波可使輸出信號得相位不穩(wěn)定，所以這種倍頻器，倍頻噪聲較大。而倍頻次數(shù)越高，倍頻噪聲就會越大，這就大大限制了倍頻器的應(yīng)用。所以為了減小設(shè)備中的倍頻噪聲，我們可以采用基于鎖相環(huán)原理構(gòu)成的同步倍頻器，這也正是本次課題研究意義之所在。 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第頁，共 43 頁 2 相環(huán)技術(shù)的發(fā)展 相環(huán)技術(shù)發(fā)展的歷史 鎖相環(huán)技術(shù)起源于二十世紀(jì)三十年代， 直至今日已經(jīng)發(fā)展了 八十余年。鎖相環(huán)技術(shù)首先是由 1932年提出的鎖相環(huán)同步檢波技 術(shù)。但首次公開對鎖相環(huán)路的描述 ， 卻并未引起普遍的重視。一直到 1947 年 ， 鎖相環(huán)第一次用于電視接收機(jī)水平和垂直掃描的同步，鎖相環(huán)技術(shù)才開始得到應(yīng)用。由于較高的成本和技術(shù)上的復(fù)雜性 ， 鎖相環(huán)技術(shù)主要應(yīng)用在航天方面 ， 包括深空探測和軌道衛(wèi)星的測速定軌等等 ； 有時 也用于性能要求較高的精密測量儀和通信設(shè)備上。隨著 70 年代半導(dǎo)體技術(shù)和集成電路技術(shù)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了集成的環(huán)路部件、通用單片機(jī)集成鎖相環(huán)路以及多種專用集成鎖相環(huán)路 。 至此 ， 鎖相環(huán)路成為了一個低成本、使用簡單的多功能組件， 為 鎖相環(huán)技術(shù)能在更廣泛的領(lǐng)域中應(yīng)用提供了條件。 而 1970年 4 月 24日我國利用鎖相環(huán)技術(shù)發(fā)射的第一顆人造衛(wèi)星東方紅一號 ， 不僅把“東方紅”的樂曲傳遍了全球 同時 也開始了鎖相環(huán)技術(shù)的新時代。 相環(huán)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀及其前景 鎖相環(huán)技術(shù)的發(fā)展非常迅速 ， 如今鎖相環(huán)的理論已經(jīng)應(yīng)用到了很多領(lǐng)域。主要有頻率合成、無線通信、調(diào)制解調(diào)、電視機(jī)彩色副載波提取等 許多領(lǐng)域?？捎糜谑謾C(jī)中、 汽車 量汽車轉(zhuǎn)速中都是十分典型的應(yīng)用 。 比如在如今手機(jī)十分普遍的年代 ， 由于手機(jī)中所需的工作頻點數(shù)目多、頻點要求可變、頻率高穩(wěn)定度 ， 所以鎖相環(huán)技術(shù)在手機(jī)中的主要功能就 是利用鎖相環(huán)頻率合成器產(chǎn)生手機(jī)中所需要的高精度的頻率。當(dāng)然 ， 鎖相環(huán)的很多優(yōu)點使得鎖相環(huán)技術(shù)在許多日常用品中發(fā)揮著其巨大的功效。 鎖相環(huán)路之所以獲得日益廣泛的應(yīng)用是因為它具有以下四個重要特征 : 1、跟蹤性。在環(huán)路鎖定的狀態(tài)下，只要輸入頻率發(fā)生了變化，壓控振蕩器就會立即響應(yīng)這個變化，迅速跟蹤輸入頻率，使得輸入與輸出同步。鎖相接收機(jī)就運用了這種環(huán)路。 2、 濾波特性。環(huán)路濾波器可以使鎖相環(huán)路具有窄帶濾波特性，能夠?qū)⒒爝M(jìn)輸入信號中的噪聲和雜散干擾濾除，而且通帶可以做的非常窄，其性能是任何英晶體、陶瓷濾 波器都不能攀比的。 3、理想頻率控制特性。正是由于鎖相環(huán)在鎖定狀態(tài)時無剩余頻差的存在，使它在頻率合成和自動頻率控制技術(shù)等方面獲得廣泛的應(yīng)用。 4、易集成化性。組成環(huán)路的基本部件不但都可以用簡單的模擬集成電路實現(xiàn)，也可以用數(shù)字集成電路實現(xiàn)。所以集成鎖相環(huán)的體積越來越小，成本越來越低，而可靠性卻越來越強(qiáng)，用途也越來越廣。 如今 ， 鎖相環(huán)技術(shù)的理論與研究日臻完善 ， 應(yīng)用范圍也遍及整個電子技術(shù)領(lǐng)域 。 隨著通信技術(shù)和電子系統(tǒng)的高速發(fā)展 和 鎖相環(huán)技術(shù)能夠提高系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性的需求，促使集成鎖相環(huán)和數(shù)字鎖相環(huán)突飛猛進(jìn)。目 前鎖相環(huán)技術(shù)正朝著集成化 、 數(shù)字化 、 多用化 以及小型化 方向高速發(fā)展。 2 關(guān)于 介紹 文全稱是 由20世紀(jì) 90年代初從 算機(jī)輔助設(shè)計）、 算機(jī)輔助制造）、 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第頁，共 43 頁 4 算機(jī)輔助測試）和 算機(jī)輔助工程）的概念發(fā)展而來的。 術(shù)是以計算機(jī)為工具，在 件平臺上，根據(jù)硬件描述語言完成的設(shè)計文件，自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合及優(yōu)化、布局布線和仿真，直至對于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射 和編程下載等工作。 由于數(shù)字系統(tǒng)自動化設(shè)計的軟硬件方面的技術(shù)已比較成熟，應(yīng)用的普及程度也已經(jīng)比較大，故這里所謂 模擬電子系統(tǒng)的 在進(jìn)入實用，其初期的 具不一定需要硬件描述語言。典型的其中之一），即綜合器和適配器。綜合器的功能就是將設(shè)計者在 理圖或狀態(tài)圖形描述，針對給定的硬件結(jié)構(gòu)組件，進(jìn)行編譯、優(yōu)化、轉(zhuǎn)換和綜合，最終獲得門級電路甚至更底層的電路描述文件。 算機(jī)就能對所設(shè)計的電子系統(tǒng)從各種不同層次的系統(tǒng)性能、特點來完成一系列準(zhǔn)確的測試與仿真操作，在完成實際系統(tǒng)的安裝后還能對系統(tǒng)上的目標(biāo)器件進(jìn)行所謂邊界掃描測試。這一切都極大地提高了大規(guī)模系統(tǒng)電子設(shè)計自動化程度。與單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)相比，利用 常是一種借助于軟件方式的純硬件開發(fā)，因此可以通過這種途徑進(jìn)行所謂專用集成電路（ 發(fā)，而最終的 片，可以是 可以是專制的門陣列掩模芯片，起到硬件仿真 片的作用。而利用計算機(jī)進(jìn) 行的單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)，主要是軟件開發(fā)，在這個過程中只需程序編譯器就可以了。 電子設(shè)計自動化可分為三個不同的發(fā)展階段： 第一階段的 術(shù)是電子圖板時期。 早在 20世紀(jì) 60、 70年代新的技術(shù)革命時期，計算技術(shù)的發(fā)展很快，于此同時電子設(shè)計進(jìn)入了中小規(guī)模集成電路開發(fā)應(yīng)用時期，電子系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計從原來的分離元器件逐漸被越來越多的集成電路所代替，并且每個集成電路中所包含的元件從原來的幾十、幾百也逐漸增至幾千甚至上萬。需要和可能迫使電子設(shè)計工程師對二維平面圖形開始用計算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計，代替機(jī)械、繁雜的手工設(shè)計。這一時期 的計算機(jī)輔助設(shè)計通常可稱謂輔助制圖，也被形象的叫做電子圖板。 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第頁，共 43 頁 5 第二階段的 術(shù)是輔助設(shè)計和仿真分析時期。即以電路輔助設(shè)計和仿真分析技術(shù)為核心，分支軟件迅速發(fā)展時期。 到了 20世紀(jì) 80 年代初期，隨著計算和微電子技術(shù)的發(fā)展以及 熱分析、時序分析、失效分析、模擬電路分析、數(shù)字電路分析、數(shù)?；旌想娐贩治?、印刷電路板自動布線等電子設(shè)計自動化的應(yīng)用紛紛出現(xiàn)，使得多層印刷電路板、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路設(shè)計的自動化成為現(xiàn)實。同時，由于集成電路設(shè)計有周期短、設(shè)計費用低的特點，使其按用戶的需要設(shè) 計和制造變成可能，因而又引出以半定制、全定制為特征的專用集成電路（ 概念，使集成電路制造在 20 世紀(jì) 80年代中期又發(fā)生了一場革命性變化。 第三代階段的 術(shù)是集成綜合概念設(shè)計時期。 第三代 統(tǒng)層的仿真和綜合。新一代 一層次的設(shè)計工作直接為相鄰的層次和工作提供了它的數(shù)據(jù)，并且可以隨時更新和檢驗，這就使得本來要串行的工作變成了同時的工作。同時工程實際上還包含了結(jié)構(gòu)設(shè)計、模具設(shè)計和快速制作，使設(shè)計加工、制造和測試都能在計算 機(jī)輔助設(shè)計下進(jìn)行?，F(xiàn)代的 以處理系統(tǒng)電路，包括各種數(shù)字電路、模擬電路、數(shù)模混合電路的設(shè)計，可采用的手段也包括了集成電路、厚薄膜混合電路、多芯片模塊、印刷電路板，可進(jìn)行仿真分析等。 介 一種以文本形式來描述數(shù)字系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)和行為的語言，用它可以表示邏輯表達(dá)式、邏輯電路圖以及數(shù)字邏輯系統(tǒng)所完成的邏輯功能。 從用途最廣泛的 它是由 司的 1983年末首創(chuàng)的，最初只設(shè)計了一個仿真與驗證工具，隨后又陸續(xù)開發(fā)了相關(guān)的故障模擬與時序分析工具。 1985 年 出它的第三個商用仿真器 得了巨大的成功，從而使得 速得到推廣應(yīng)用。 1989 年 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第頁，共 43 頁 6 司收購了 司，使得 為了該公司的獨家專利。 1990 年 并成立 織以促進(jìn) 為 準(zhǔn)，即364在， 為 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言，又得到眾多 電子工程領(lǐng)域，己成為事實上的通用硬件描述語言。有專家認(rèn)為，在新的世紀(jì)中， 言將承擔(dān)起幾乎全部的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)。 言的對比 這兩種語言不僅都是用于數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計的硬件描述語言，而且還是 標(biāo)準(zhǔn)。 1995 年才成為標(biāo)準(zhǔn)的，而 在是 1987 年就已成為標(biāo)準(zhǔn)的。這個是因為 一個公司的私有財產(chǎn)轉(zhuǎn)化而來的， 而 美國軍方組織開發(fā)的 。 以下共同的特點： 1、能形式化地抽象表示電路的行為和結(jié)構(gòu)。 2、支持邏輯設(shè)計中層次和范圍地描述。 3、可借用高級語言的精巧結(jié)構(gòu)來簡化電路行為和結(jié)構(gòu)。 4、具有電路仿真與驗證機(jī)制以保證設(shè)計的正確性。 5、支持電路描述由高層到低層的綜合轉(zhuǎn)換。 6、硬件描述和實現(xiàn)工藝無關(guān)。 7、便于文檔的管理。 8、易于理解和設(shè)計重用 。 當(dāng)然 各有特點。 出已經(jīng)有 20 年了，擁有廣泛的設(shè)計群體，成熟的資源也比 富，同時 單易學(xué)，只要有 C 語言的編程基礎(chǔ)，通過比較短的時間和一些實際的操作，就可以在 2 至 3 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第頁，共 43 頁 7 個月內(nèi)掌握這種設(shè)計技術(shù)。這也是其較 設(shè)計相對就要難一點，這個不僅因為 是很直觀，而且還需要有 程基礎(chǔ)，一般認(rèn)為至少要 6個月以上的專業(yè)培訓(xùn)才能掌握。目前版本的 行為級抽象建模的覆蓋面范圍方面也有所不同。一般認(rèn)為 門級開關(guān)電路描述方面要強(qiáng)很多，但在系統(tǒng)級抽象方面要比 差一些。目前在美國、日本和臺灣，高層次數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域中，應(yīng)用 比率差不了多少，大概分別是 80 和 20 ；但在歐洲 展的相對要好些。而在中國，雖然 有一定的市場，但很多集成電路設(shè)計的公司都采用 以， 綜上所述， 言作為學(xué)習(xí) 設(shè)計方法入門和基礎(chǔ)是非常合適的。只要掌握了 言建模、綜合和仿真技術(shù)，不僅可以增加對數(shù)字電路設(shè)計的深入了解，還可以為后續(xù)高級 階段的更高一級學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)，包括數(shù)字通信和數(shù)字信號處理的 以，相較而言本文的設(shè)計中，采用 言。 I 簡介 I 是 持原理圖、 多種設(shè)計輸入的形式，內(nèi)嵌自有的綜合器和仿真器，也可以完成從設(shè)計輸入到硬件配置的完整 I 可以在 及 使用，除了可以使用 提供了完善的用戶圖形界面設(shè)計方式。具有界面統(tǒng)一，功能集中，易學(xué)易用和運行速度快等特點。 含了 用戶可以充分利用成熟的模塊，簡化了設(shè)計的復(fù)雜性、加快了設(shè)計速度，同時對第三方 具的良好支持也使用戶可以在設(shè)計流程的各個階段使用熟悉的第三方 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第頁，共 43 頁 8 課題采用的設(shè)計方法 現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)一般采用自頂向下的設(shè)計方法。要采用這個方法首先需要對整個系 統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行方案設(shè)計和模塊的劃分，再對幾個模塊進(jìn)行綜合，就可以方便，靈活地設(shè)計出一個可靠性很高的數(shù)字系統(tǒng)。這樣，系統(tǒng)的高層次的抽象功能模塊就變成了獨立的易于實現(xiàn)的低層次功能模塊。在所有功能模塊都確定下來后，就可以用 言描述具體電路模塊，并用 I 軟件進(jìn)行仿真測試，實現(xiàn)每個功能塊，然后設(shè)計一個頂層模塊將這些設(shè)計好的，功能獨立相對完整的功能塊連接起來，從而完成整個設(shè)計。 3 鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)與原理 擬鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)及其工作原理 鎖相環(huán)的英文全稱是 稱 模擬鎖相環(huán)通常由鑒相器（ 環(huán)路濾波器（ 壓控振蕩器（ 個部分組成，鎖相環(huán)組成的結(jié)構(gòu)框圖如圖 示。 輸入信號 D 華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第頁，共 43 頁 9 輸出信號 圖 相環(huán)結(jié)構(gòu)框圖 鎖相環(huán)中的鑒相器又稱為相位比較器，它的作用是檢測輸入信號和輸出信號的相位差，并將檢測出的相位差信號轉(zhuǎn)換成 t）電壓信號輸出，該信號經(jīng)低通濾波器濾波后形成壓控振蕩器的控制 電壓 t），對振蕩器輸出信號的頻率實施控制。 當(dāng)壓控振蕩器的頻率由于某種原因而發(fā)生變化時，必然引起相位的變化。該相位變化在鑒相器中與參考晶體的穩(wěn)定相位相比較，使鑒相器輸出一個與相位誤差信號成比例的誤差電壓 過低通濾波器，取出其中緩慢變動數(shù)值，將壓控振蕩器的輸出頻率拉回到穩(wěn)定的值上來，從而實現(xiàn)了相位負(fù)反饋控制。 鎖相環(huán)的工作原理： 1、基準(zhǔn)輸入信號 經(jīng)過采集并分頻的輸出信號 時輸入鑒相器 2、鑒相器 過比較 號的相位差，再輸出一個直流脈沖電壓 F； 3、環(huán)路濾波器 d，再輸出一個控制電壓 4、 其頻率發(fā)生改變； 5、再通過一個比較短的跟蹤時間，壓控振蕩器 輸出 會穩(wěn)定于系統(tǒng)設(shè)定值。 因鎖相環(huán)可以實現(xiàn)輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，最終使得使得輸入和輸出信號相位同步，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。鎖相環(huán)在工作的過程中，當(dāng)輸出信號的頻率等于輸入信號的頻率時，輸出電壓與輸入電壓就會保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環(huán)名稱的由來。鎖相環(huán)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應(yīng)用尤為廣泛。數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)中要求不同的數(shù)據(jù)南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第頁，共 43 頁 10 采集板共享同一個采樣時鐘。而通過鎖相環(huán)可以使所有各自的本地 20 兆赫茲和80 兆赫茲時基的相位都同步，從而使采樣時鐘也同步，所以都能嚴(yán)格地在同一時刻進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 鎖相環(huán)可以使輸出信號和輸入信號之間的相位同步。當(dāng)沒有輸入信號時，環(huán)路濾波器沒有輸出信號。此時，壓控振蕩器 由振蕩在其固有頻率 信號輸入頻率為 ， 鑒相器中同時進(jìn)行鑒相。如果 差不大，鑒相器就會輸出一個與 相位差成正比的誤差電壓 通過環(huán)路濾波器濾 誤差電壓 的高頻成分 ，輸出一個控制電壓 使壓控振蕩器的頻率 終達(dá)到 fv=環(huán)路鎖定。鎖相環(huán)路一旦被鎖定后，壓控振蕩器的輸出信號 環(huán)路的輸入信號時我們就稱該環(huán)路已被鎖定。 環(huán)路的鎖定狀態(tài)是對輸入信號的頻率和相位不變而言的，若環(huán)路輸入的是頻率和相位都不斷變化的信號，則由于鎖相環(huán)路的跟蹤特性，壓控振蕩器的頻率和相位就會不斷地跟蹤輸入信號的頻率和相位變化。鎖相環(huán)路之所以它在電子技術(shù)的各個領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用，是因為其在鎖定后，不僅能使輸出信號 頻率與輸入信號頻率嚴(yán)格同步，而且還具有頻率的跟蹤特性。 數(shù)字鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)及其工作原 理 在數(shù)字電路技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，數(shù)字鎖相環(huán)（簡稱 許多方面都得到了廣泛應(yīng)用。如頻率的合成、調(diào)制解調(diào)、 體聲解碼、圖象處理和彩色副載波同步等。傳統(tǒng)的模擬鎖相環(huán)具有直流零點漂移、器件飽和及易受電源和環(huán)境溫度變化等缺點，而數(shù)字電路具有體積小、價格低和可靠性高等優(yōu)點。因為數(shù)字鎖相環(huán)不僅解決了模擬鎖相環(huán)的缺點，吸收了數(shù)字電路的優(yōu)點，同時還可以實時處理離散樣值的能力，所以數(shù)字鎖相環(huán)成為鎖相技術(shù)發(fā)展的方向是必然的。 由于該環(huán)路環(huán)中的各個模塊都是以純數(shù)字器件來實現(xiàn)的，而且誤差控制信號和受控的輸出電壓不是模擬鎖相環(huán)中的模擬電壓，而是離散的數(shù)字信號，所以稱之為數(shù)字鎖相環(huán) 字鎖相環(huán)雖然具有低成本、電路簡單有效和有較高的南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第頁，共 43 頁 11 穩(wěn)定性的優(yōu)點，但也具有一些缺點。一是和模擬鎖相環(huán)一樣 ,只要失去了基準(zhǔn)頻率 ,其輸出頻率就會立刻跳回振蕩器本身的頻率 ;二是其輸出頻率會產(chǎn)生抖動，且頻差越大，抖動就會越大，不利于在一些要求較高設(shè)備中的應(yīng)用。如今，在大規(guī)模、超高速的數(shù)字集成電路不斷發(fā)展的過程中，可以實現(xiàn)加大頻率的跟蹤范圍而不降低振蕩器的頻率穩(wěn) 定度， 全數(shù)字鎖相環(huán) 要由四部分組成，分別是頻率切換電路、數(shù)字鑒相器、可逆計數(shù)器和 中后兩者的時鐘不用 是由外部晶振提供的，這樣就可以大大減輕外部干擾（如溫度的升降和電源電壓的波動等）對環(huán)路的影響。同時，系統(tǒng)可編程芯片的采用，大大提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性。 一階全數(shù)字鎖相環(huán)主要由鑒相器、 脈沖加減電路（ 中 鐘分別為 環(huán)路中心頻率 倍和 2都是 2的整數(shù)冪）。本次設(shè)計中兩個時鐘使用相同的系統(tǒng)時鐘信號。一階 本結(jié)構(gòu)如圖 圖 階 當(dāng)環(huán)路未鎖定時， 相器通過比較輸入信號 輸出信號 間的相位差，產(chǎn)生 高時進(jìn)行減計數(shù)，并當(dāng)計數(shù)值到達(dá) 0 時，輸出借位脈沖信號 低時進(jìn)行加計數(shù)，并當(dāng)計數(shù)值達(dá)到預(yù)南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第頁，共 43 頁 12 設(shè)的 K 模值時，輸出進(jìn)位脈沖信號 脈沖加減電路則根據(jù)進(jìn)位脈沖信號借位脈沖信號 電路輸出信號 進(jìn)行脈沖的增加和扣除操作，來調(diào)整輸出信號的頻率；重復(fù)上面的調(diào)整過程，當(dāng)環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)時，異或門鑒相器的輸出 一占空比 50%的方波，而 K 變?？赡嬗嫈?shù)器則周期性地產(chǎn)生進(jìn)位脈沖輸出 借位脈沖輸出 致脈沖加減電路的輸出樣對于輸出的頻率沒有影響，也正是基于這種原理，可以把等概率出現(xiàn)的噪聲很容易的去掉。 環(huán)路濾波器的性能優(yōu)劣會直接影響到跟蹤環(huán)路的性能。而采用數(shù) 字化的環(huán)路濾波器便于調(diào)試參數(shù)和提高系統(tǒng)可靠性。環(huán)路濾波器的輸出要直接控制頻率合成器產(chǎn)生相應(yīng)頻率，使本地偽碼能夠準(zhǔn)確跟蹤發(fā)端信息。數(shù)字環(huán)中使用的數(shù)字環(huán)路濾波器與模擬環(huán)中使用的環(huán)路濾波器作用一樣，都對噪聲及高頻分量起抑制作用，并且控制著環(huán)路相位校正的速度與精度。適當(dāng)選擇濾波器的參數(shù)，可以改善環(huán)路的性能。數(shù)字環(huán)路濾波器的設(shè)計原理是建立在模擬環(huán)路濾波器的基礎(chǔ)上的。 4 基于數(shù)字鎖相環(huán)的同步倍頻器設(shè)計 字鑒相器的設(shè)計 鑒相器的英文全稱是 稱 相器是鎖相環(huán)的重要組成部分，是能夠鑒別出兩 輸入信號相位差的器件，并使輸出電壓 兩個輸入信號之間的相位差有確定關(guān)系的電路。常用的鑒相器有兩種類型：異或門 于前者的簡單性和易于實現(xiàn)性，本設(shè)計中采用異或門 (相器。異或門鑒相器比較輸入信號 位之間的相位差 輸出誤差信號 變?？赡嬗嫈?shù)器的計數(shù)方向信號。環(huán)路鎖定時， 一占空比 50%的方波，此時的絕對相位差為90。因此異或門鑒相器相位差極限為 90。異或門鑒相器模塊由圖 示： 異或門鑒相器 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第頁，共 43 頁 13 圖 或門鑒相器框圖 a,b,y); /相器。 a,b; /兩個輸入信號 y; /輸出信號 其中 a， b， y。 異或門鑒相器在環(huán)路鎖定下及相差為 90時的仿真波形分別如圖 圖 路鎖定時 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第頁，共 43 頁 14 圖 a 90度時的 圖 a 90度時的 字環(huán)路濾波器的設(shè)計 數(shù)字環(huán)路濾波器的英文全稱是 稱 作用是消除鑒相器輸出的相位差信號 的高頻成分。本次設(shè)計可用一個 K 變?？赡婺先A大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第頁，共 43 頁 15 計數(shù)器來保證環(huán)路運行性能的穩(wěn)定性。 數(shù)器進(jìn)行減運算，如果結(jié)果為零，則輸出一個借位脈沖信號 數(shù)器進(jìn)行加運算，如果相加的結(jié)果達(dá)到預(yù)設(shè)的模值，則輸出一個進(jìn)位脈沖信號脈沖加減電路。當(dāng) 步于 只有隨機(jī)干擾脈沖時，計數(shù)器加減的數(shù)目基本相等，計數(shù)結(jié)果在初始值 處上下徘徊，不會產(chǎn)生進(jìn)位和借位脈沖，濾除因隨機(jī)噪聲引起的相位抖動。計數(shù)器根據(jù)輸出結(jié)果生成控制增減脈沖動作的控制指令。 數(shù)字濾波器的工作過程如下 ,將異或鑒相器產(chǎn)生的 號加到環(huán)路濾波器的輸入端 , 在環(huán)路濾波器模塊內(nèi)設(shè)置一個可逆計數(shù)器 ,計數(shù)器初始值設(shè)為 前脈沖到來時 , 可逆計數(shù)器加 1,滯后脈沖到來時 ,可逆計數(shù)器減 當(dāng)可逆計數(shù)器為 ,表示本地信號超前 ,環(huán)路濾波器輸出扣脈沖信號 ,可逆計數(shù)器復(fù)位為 當(dāng)可逆計數(shù)器為 0 時 ,表示本地信號滯后 ,環(huán)路濾波器輸出增脈沖 信號 ,可逆計數(shù)器復(fù)位為 而起到了環(huán)路濾波的作用。在 基本結(jié)構(gòu)中 ,K 變?？赡嬗嫈?shù)器始終起作用。當(dāng)環(huán)路鎖定后 ,如果模數(shù) 小 ,則 K 變?？赡嬗嫈?shù)器會周期性輸出超前脈沖和滯后脈沖 ,在脈沖加減電路中產(chǎn)生周期性的脈沖加入和扣除 ,其結(jié)果是在脈沖加減電路的輸出信號中產(chǎn)生了周期性的誤差 ,稱為“波紋”；如果模數(shù) 這種“波紋” 誤差通過除 N 計數(shù)器后 , 可以減少到 N 個周期出現(xiàn)一次 ,即 K ?？赡嬗嫈?shù)器的超前脈沖和滯后脈沖的周期是 N 個參考時鐘周期。 大小決定了 跟 蹤步 ,大 ,跟蹤步長越小 ,鎖定時的相位誤差越小 , 但捕獲時間越長跟蹤步長越大 ,鎖定時的相位誤差越大 , 但捕獲時間越短。 對 數(shù)器模值 大模值 K，有利于提高 抗噪能力，但是會導(dǎo)致較大的捕捉時間和較窄的捕捉帶寬。減小模值 K 可以縮短捕捉時間，擴(kuò)展捕捉帶寬，但是降低了 抗噪能力。本設(shè)計中選擇 。在初始時刻，計數(shù)器被置初值為 K/2=2，這樣可以 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第頁，共 43 頁 16 /系統(tǒng)時鐘信號 /全局復(fù)位信號 ,高電平有效 /鑒相器輸出的加減控制信號 /可逆計數(shù)器計數(shù)允許信號，高電平有效 2:0 /計數(shù)器模值設(shè)置信號 /進(jìn)位脈沖輸出信號 /借位脈沖輸出信號 8:08:0： 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第頁，共 43 頁 17 圖 =2可逆計數(shù)器的仿真 圖 =4可逆計數(shù)器的仿真 對比圖 圖 知： K 值小則 捕捉時間 短 ， 能 捕捉 到更窄的 帶寬 ，但任意一個誤脈沖也可能導(dǎo)致 該計數(shù)器產(chǎn)生進(jìn)或借位脈沖，即 抗噪能力 弱 ； 沖捕捉范圍窄，可能產(chǎn)生不了進(jìn)或借位脈沖，但同時也減少了誤脈沖的干擾，即 抗噪能力 強(qiáng)。故在設(shè)計時應(yīng)該合理的設(shè)定 控振蕩器的設(shè)計 在全數(shù)字鎖相環(huán)中，數(shù)控振蕩器有別于以往的壓空振蕩器，數(shù)控振蕩器由脈沖加減電路實現(xiàn)，根據(jù)數(shù)字濾波器的給出的進(jìn)位脈沖信號 行輸出脈沖的調(diào)整。當(dāng)沒有進(jìn)位脈沖信號和借位脈沖信號時，脈沖加減信號就是對時鐘進(jìn)行二分頻輸出，當(dāng)有進(jìn)位脈沖信號時，脈沖加減模塊會增加一個脈沖，相當(dāng)于減少了脈沖周期， 而增加了輸出頻率；同理，當(dāng)有借位脈沖信號時，脈沖加減模塊會減少了一個脈沖，相當(dāng)于增加了脈沖周期，而減少輸出了頻率；這樣通過脈沖增減模塊的對輸入信號頻率和相位的跟蹤和調(diào)整，最終使輸出信號鎖定在輸入信號的頻率和信號上，其工作原理波形如圖 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第頁，共 43 頁 18 圖 沖加減電路工作原理波形 脈沖增減模塊模塊端口設(shè)計如下： ,、復(fù)位、進(jìn)位脈 沖、借位脈沖信號 ; 脈沖增減模塊模塊仿真如圖 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第頁，共 43 頁 19 圖 由圖 知： 0沒有進(jìn)借位脈沖信號，振蕩器二分頻輸出； 2有借位脈沖信號，振蕩器在 45蕩器在 7 分頻參數(shù)控制的設(shè)計 本次設(shè)計采用了動態(tài) 就加寬了頻率的鎖定范圍。本模塊設(shè)計的原理就是用高頻時鐘對輸入信號的周期進(jìn)行測量，可以得到量化后的 定的，且高頻時鐘的長度越長， , 、輸入和復(fù)位信號 14:0 ，其值大小是輸入信號 示： 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第頁，共 43 頁 20 圖 N=4 分頻參數(shù)控制模塊的仿 真圖（ * 圖 N=5 分頻參數(shù)控制模塊的仿真圖（ 0* 分頻器的設(shè)計 本次設(shè)計是用一個簡單的除 分頻器的。加減電路輸出的脈沖經(jīng)過 N 分頻器分頻后，可以得到整個鎖相環(huán)路的同步輸出信號 時，因為 N=此通過改變分頻值 N 可以得到不同的環(huán)路中心頻率 華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第頁，共 43 頁 21 除 分頻，得到整個環(huán)路的輸出信號 時，因為 fc=N，因此通過改變分頻值 (n, /N 分頻模塊 /輸入信號、復(fù)位信號 14:0 n; /分頻倍數(shù) /輸出信號 圖 圖 =4分頻器模塊仿真 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第頁，共 43 頁 22 圖 =10分頻器模塊仿真 圖 =20分頻器模塊仿真 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第頁，共 43 頁 23 頻器的設(shè)計 為了能通過 實現(xiàn)倍頻的功能，這里專門設(shè)計了一種全數(shù)字倍頻器。數(shù)字倍頻器的原理如圖 輸入信號 輸出信號 時鐘 圖 設(shè)置一標(biāo)準(zhǔn)的時鐘信號，時鐘頻率 用可編程分頻器 對時鐘信號進(jìn)行分頻，其分頻系數(shù)由計數(shù)器提供，若分頻系數(shù)為 N，則輸出頻率為 分頻，即： 時鐘信號經(jīng) K 分頻后送至計數(shù)器，計數(shù)器在輸入信號的半個周期內(nèi)對 脈沖計數(shù)，若忽略各種誤差因數(shù)，其計數(shù)值為 N，則有 : N= 2K* 由以上兩式可得： K*實現(xiàn)了對輸入信號頻率的 2K 倍頻。數(shù)字倍頻器中計數(shù)器的實質(zhì)是利用脈沖對輸入信號的周期進(jìn)行填脈沖計數(shù)，實現(xiàn)周期測量。由于該模塊在工作的過程中連續(xù)地測量輸入信號的周期，所以它又是一個頻率計，同時兼有測頻與測周期的功能。 倍頻器模塊簡化圖如圖 計數(shù)器 可編程 K 分頻器 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第頁，共 43 頁 24 數(shù)字鎖相環(huán)和倍頻器連接構(gòu)成的鎖相環(huán)倍頻器總框圖如圖 圖 倍頻器模塊端口設(shè)計如下： P (fc,); /鐘 1000 /電平復(fù)位 14:0K; / /鎖頻鎖相輸出 倍頻器模塊仿真如圖 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第頁，共 43 頁 25 圖 =2（ 4倍頻）倍頻器仿真 圖 =4（ 8倍頻）倍頻器仿真 數(shù)字鎖相環(huán)倍頻器的頂層模塊設(shè)計 為了把前面設(shè)計的幾個模塊連接起來，本設(shè)計還需要一個全數(shù)字鎖相環(huán)的頂層模塊。全數(shù)字鎖相環(huán)頂層模塊端口設(shè)計如下： se,n); /000 /電平復(fù)位， 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第頁，共 43 頁 26 2:0 /濾波計數(shù)器的計數(shù)模值設(shè)定 /鎖頻鎖相輸出 /14:0n; /倍頻系數(shù)設(shè)定 /鎖相信號 頂層文件程序生成的連接圖詳見附錄二 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第頁，共 43 頁 27 5 基于數(shù)字鎖相環(huán)的同步倍頻器仿真分析 本次仿真選定的時鐘頻率是 0數(shù) K=2， 是否鎖相信號，2輸入頻率 頻系數(shù)分別為 4(n=2)和 8(n=4)時，根據(jù) 00且能夠?qū)崿F(xiàn)倍頻的輸出。 系統(tǒng)仿真如圖 圖 圖 倍頻同步倍頻器仿真圖（ 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第頁，共 43 頁 28 圖 倍頻同步倍頻器仿真圖（ 當(dāng)輸入頻 率 頻系數(shù)為 4（ n=2）時，根據(jù) 形可以看到鎖相環(huán)很快入鎖， 率也能夠跟隨 入的變化，并且能夠?qū)崿F(xiàn)倍頻的輸出。 系統(tǒng)仿真如圖 所示： 圖 倍頻同步倍頻器仿真圖（ 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第頁，共 43 頁 29 當(dāng)輸入頻率 頻系數(shù)為 4(n=2)時，根據(jù) 率也不能夠跟隨 入的變化，并且倍頻信號也沒有實現(xiàn) 4倍頻的輸出。 系統(tǒng)仿真如圖 所示： 圖 倍頻同步倍頻器仿真圖（ 綜 上可知，可粗略估計本次設(shè)計倍頻最大為 我們也可以用添加分頻器的辦法，先分頻再倍頻就可以實現(xiàn)更高頻率的倍頻。本次設(shè)計理論上最大倍頻為 213，但當(dāng)倍頻過高時會出現(xiàn)不小的倍頻誤差，故當(dāng)需要更高的倍頻是不推薦使用鎖相環(huán)倍頻器。 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第頁，共 43 頁 30 6 總結(jié) 采用 言設(shè)計基于數(shù)字鎖相環(huán)的同步倍頻器，具有許多優(yōu)點。因為該類數(shù)字鎖相環(huán)路倍頻器中計數(shù)器的模數(shù) K 和倍頻 系統(tǒng)就能夠根據(jù)不同的情況最大限度地、靈活地設(shè)計，所以該系統(tǒng)具有靈活性、通用性、易修改和易實現(xiàn)的特點。而且采用 有設(shè)計靈活、修改方便和易于實現(xiàn)的優(yōu)點。 基于 僅簡化了硬件的開發(fā)和制作過程，而且使硬件體積大大減小，并有利于提高系統(tǒng)的集成度和系統(tǒng)的可靠性。該方法可以通過僅修改設(shè)計軟件、更改移相范圍，而不修改硬件電路的基礎(chǔ)上，就可滿足不同條件下的需要。 本次設(shè)計雖然有許多優(yōu)點，但不可避免的產(chǎn)生了一些缺點，如倍頻次數(shù)不能過高，高倍頻精度不能保證，有時可能出現(xiàn)相位失鎖等情況，希望隨著技術(shù)的發(fā)展，以后的設(shè)計能夠加以改善和推廣。 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第頁，共 43 頁 31 參考文獻(xiàn) 1 J. 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