基于比例積分和二分法控制的全數字鎖相環研究

蔣小軍,蔣小偉

(湖南鐵道職業技術學院,湖南 株洲 412001)

0 引言

鎖定時間是全數字鎖相環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根據輸入信號與輸出信號的相位或者頻率信號來改變濾波器的帶寬[1]。采用調頻字估計和預置技術的鎖相環改變數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。以上傳統鎖相環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,鎖相環輸出頻率范圍越大,濾波器的帶寬越小,數控振蕩器輸出頻率離鎖定的目標頻率越遠,數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字鎖環結構。該鎖相環根據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控振蕩器頻率控制字進行調整,從而實現目標頻率的快速鎖定。

1 電路結構與工作原理

本文提出的全數字鎖相環結構如圖1所示,由數字鑒頻器(PFD)、數字鑒相器(DPD)、二分法控制器(CU)、PI控制器(DLF)和數控振蕩器(DCO)組成。數字鑒相器(DPD)由觸發器和與非門電路組成,數字鑒頻器(PFD)由計數器和比較器組成[3]。DCO的頻率控制字由二分法控制器(CU)產生的高位頻率控制字(FCW)和PI控制器(DLF)產生的低位頻率控制字(G)組成。數字鑒頻器根據輸入參考信號與輸出信號的頻率快慢關系,生成快慢信號FS,二分法控制器根據快慢信號FS,對數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。數字鑒相器根據輸入參考信號與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進行細微調節,實現頻率和相位的快速鎖定。

圖1 全數字鎖相環結構

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PFD輸出的“快”或“慢”的信號FS調節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整,這是一個迭代過程,從給定的值范圍內確定估計的值。為了實現二分方案的運行,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

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

圖5 鎖相環的仿真電路

鎖相環的仿真波形如圖6所示,當輸入參考頻率f_ref為10 kHz時,二分法控制器根據數字鑒頻器輸出的“快”或“慢”信號FS,對數控振蕩器DCO的頻率控制字FCW進行粗略計算,大概經過9個周期,鎖相環就實現了DCO目標頻率的快速鎖定。

圖6 仿真波形

3 結語

為了縮短鎖相環的鎖定時間,快速搜索DCO的目標頻率,鎖相環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字鎖相環,實現了相位和頻率的快速鎖定。