原创 【转】数字锁相环设计步骤

 有关数字锁相环的帖子不断出现，但大多没有讲述其原理。翻开有关锁相环的书总是堆叠着鉴相、同相积分、中相积分、滤波等专用名词。这些概念距离硬件设计实现数字锁相环较远。本文按照数字锁相环设计的步骤，采用手把手的方式讲述设计过程和原理，旨在给数字锁相环初次设计者提供一个思路，缩短开发的时间。附件是用VHDL语言设计的20分频数字锁相环。
Div20PLL Port(
clock : in std_logic; --80M local clk
flow : in std_logic; --4M data flow
clkout : out std_logic --4M CLK
);
其中clkout是所提取的数据时钟。clock是本地时钟，其频率是数据流flow速率的20倍。若数据流flow速率为4M则clock选用80M，若 flow为1M则选取clock为20M，依次类推。此附件基本按照下文提到的步骤设计，并已经在产品中应用的。

专用名词约定：

• 
  
• 一个比特： 数据流flow由一个比特接一个比特组成，文中提到的一个比特均指flow中的一个比特。
  
• 域： 一个比特的时间从开始到结束可以划分为5个时间片段，依次为
  §前失锁§超前§同步§滞后§后失锁§
  这五个片段称作五个域，其中前失锁和后失锁统称为失锁域。
  
• 分频比R： 本地时钟记做clock，从flow中提取的时钟记做lowclk，clock与lowclk的频率比记做R。
  
• smp： 指用clock提取的lowclk上升沿（参见“上升沿与下降沿触发小论”，需要注意一点的是，lowclk是与clock同步的信号，所以只需延时一次提取）。
  
• 脉冲： 如不特殊指明，是指'1'值保持一个clock周期的信号，无效时值为'0'。

设计总思路：
         数字锁相环完成的功能就是利用clock从flow中提取lowclk，并且使smp保持在同步域。lowclk由clock经R分频得到，并且 lowclk的相位是可以动态调整的以达到锁相的目的。当smp落在同步域时，认定为锁相环已经同步，保持分频的状态不变。当smp落在失锁域时认定为失锁，则强行置下一个smp到同步域的中间位置。当smp落在超前域时，则推迟下一个smp的到来一个节拍。当smp落在滞后域时，则提前一个节拍使下一个 smp到来。

设计步骤：

1. 
   
2.  根据设计参数要求合理选取R值，通常R不小于8，本文选取R = 20讲解。以后文中用到20均指R，而提到10则指R/2。
   
3.  确定5个域的宽度，本例选取5个域等宽。由于R = 20，所以一个比特的宽度为20，那么每个域的宽度均为4。失锁域是前失锁域和后失锁域的统称，所以失锁域宽8。
   
4.  设计一个计数器cnt，cnt供10（R/2)个状态，记做s0到s9，cnt从s0到s9循环变化。cnt有三个同步控制脉冲load、inc和 dec，load使cnt装入s7，inc使cnt跳过下一个状态（假如在s8时有inc，则cnt从s8直接跳到s0而不再经过s9），dec使cnt 继续保持当前状态不变。
   
5.  时钟lowclk的状态受到cnt的状态和load信号的同步控制，load使lowclk置'1'值，s9使lowclk翻转。两个特殊情况是由于 cnt受到inc和dec的控制而使cnt的状态会跳过s9或重复出现s9，即会出现...s7s8s0s1...或... s7s8s9s9s0s1...这两种情况。对于第一种情况lowclk在s8后的s0翻转，而第二种情况仅在第一个s9处翻转。
   
6.  用clock提取flow的跳变沿saltus。
   
7. 用saltus产生一个宽度为16的信号pulse，pulse在saltus处及接下来的15个clock中期内保持为'1'值，其余情况为'0'。在pulse为'1'期间有一个计数器position在计数，显然position的值为0到15。
   
8. 用clock提取pulse的下降沿cmp。
   
9. 定义一个与position相同类型的信号phase。phase在pulse为'0'时值为0，在pulse为'1'且smp为'1'时装入position的值，其他情况phase保持值不变化。
   
10.  在cmp处观察phase的值。若为0到3则产生一个失锁脉冲loss，若为4到7则产生一个超前脉冲lead，若为8到11则产生一个同步脉冲syn，若为12到15则产生一个滞后脉冲lag。这些脉冲的位置均在cmp。
    
11.  若loss累积3次且这3次中间没有出现过syn，则产生一个装载脉冲load。按照相同的方法用lead产生一个dec信号，用lag信号产生一个inc信号。

至此，整个数字锁相环已经设计完毕。步骤中提到的计数器就相当于积分，phase的作用就是完成鉴相，第10步也就是一些有关数字锁相环的书籍中提到的滤波。第3步提到R/2计数器而后在第4步用cnt的状态翻转lowclk来实现R分频，是为了强调输出的lowclk的展空比为50%。