全數(shù)字鎖相環(huán)的vhdl設計【文獻綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)設計文獻綜述</b></p><p><b>　　電子信息工程</b></p><p>　　全數(shù)字鎖相環(huán)的VHDL設計</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　鎖相環(huán)其實不是什么新東西，很早以前就有人使用了。鎖相技術的理論

2、早在1932年就被提出來了，但直到40年代在電視機中才得到廣泛的應用，用于改善電視接收機的行同步和幀同步，以提高抗干擾能力。20世紀50年代后期隨著空間技術的發(fā)展，鎖相環(huán)用于對宇宙飛行目標的跟蹤、遙測和遙控。60年代初隨著數(shù)字通信系統(tǒng)的發(fā)展，鎖相環(huán)應用愈廣，例如為相干解調提取參考載波、建立位同步等。具有門限擴展能力的調頻信號鎖相鑒頻器也是在60年代初發(fā)展起來的。在電子儀器方面，鎖相環(huán)在頻率合成器和相位計等儀器中起了重要作用。鎖相環(huán)的英文

3、全稱是（Phase-Locked Loop），簡稱PLL，鎖相的意義是相位同步的自動控制，能夠完成兩個電信號相位同步的自動控制閉環(huán)系統(tǒng)叫做鎖相環(huán)。是實現(xiàn)相位自動控制的負反饋系統(tǒng)，它使振蕩器的相位和頻率與輸入信號的相位和頻率同步。</p><p><b>　　主題</b></p><p>　　從前言的論述中我們知道了鎖相環(huán)路具有一些相當優(yōu)良的功能，且成本低、使用方便，因

4、而它已成為電子技術領域中一種相當有用的技術手段，獲得了越來越廣泛的應用。鎖相環(huán)可以分為模擬鎖相環(huán)和數(shù)字鎖相環(huán)。</p><p>　　模擬鎖相環(huán)主要由相位參考提取電路、壓控振蕩器、相位比較器、控制電路等組成。壓控振蕩器輸出的是與需要頻率很接近的等幅信號，把它和由相位參考提取電路從信號中提取的參考信號同時送入相位比較器，用比較形成的誤差通過控制電路使壓控振蕩器的頻率向減小誤差絕對值的方向連續(xù)變化，實現(xiàn)鎖相，從而達到同

5、步。 </p><p>　　數(shù)字鎖相環(huán)主要由相位參考提取電路、晶體振蕩器、分頻器、相位比較器、脈沖補抹門等組成。分頻器輸出的信號頻率與所需頻率十分接近，把它和從信號中提取的相位參考信號同時送入相位比較器，比較結果示出本地頻率高了時就通過補抹門抹掉一個輸入分頻器的脈沖，相當于本地振蕩頻率降低；相反，若示出本地頻率低了時就在分頻器輸入端的兩個輸入脈沖間插入一個脈沖，相當于本地振蕩頻率上升，從而達到同步[1]。<

6、/p><p>　　全數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL) 由于避免了模擬鎖相環(huán)存在的溫度漂移和易受電壓變化影響等缺點。從而具備可靠性高、工作穩(wěn)定、調節(jié)方便等優(yōu)點。在調制解調、頻率合成、FM立體聲、圖像處理等各個方面得到廣泛的應用。</p><p>　　在同步數(shù)字網絡中，同步是數(shù)據流正確傳輸?shù)幕A，因此同步技術是數(shù)字傳輸領域的關鍵技術。為了實現(xiàn)網絡的同步，業(yè)界普遍采用鎖相技術，因為鎖相環(huán)的性能優(yōu)越，尤其是數(shù)字

7、鎖相環(huán)的可調范圍更寬而且更容易實現(xiàn)。以鎖相環(huán)為基礎，根據SDH 網絡中的同步結構和方式，提供了鎖相環(huán)在SDH 網絡同步中的具體應用方案，著重分析了這種結構的特性。這種方案在實際應用中有較好的穩(wěn)定性，對各種網絡的同步是一種很好的參考。在實際應用中，這種同步應用方案是很具有參考價值的，它不僅可以用于SDH 網絡的同步，對于其他數(shù)字網絡，針對其網絡特點，也可以移植過去使用[2]。</p><p>　　為解決感應加熱系統(tǒng)

8、中頻率跟蹤的問題，使感應加熱系統(tǒng)始終工作在最佳狀態(tài)，提出一種新型的全數(shù)字鎖相環(huán)(ADPLL)高頻感應加熱系統(tǒng)的設計方案。該方案是基于現(xiàn)場可編程門陣列，采用比例積分控制的方法。仿真結果表明，ADPLL能夠及時有效地進行頻率鎖定，具有控制跟蹤速度快、精度高、可調性強及捕獲頻帶寬等優(yōu)點。根據不同諧振頻率的對象，可以通過調節(jié)1/ N分頻器的參數(shù)N 、K模計數(shù)模塊的參數(shù)K和積分模塊的計數(shù)器n的位數(shù)，使得ADPLL 工作處在最佳狀態(tài)[3]。<

9、/p><p>　　利用數(shù)字鎖相環(huán)實現(xiàn)對電力系統(tǒng)基波信號進行同步的方法，用可編程邏輯器件，采用VHDL 語言實現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán)電路，并采用MAX + plusⅡ軟件進行仿真，對硬件電路進行測試。仿真和測試結果表明，該數(shù)字鎖相環(huán)能很好地跟蹤被測信號，以達到提高電力系統(tǒng)諧波檢測的精度。該數(shù)字鎖相環(huán)具有控制靈活、跟蹤精度高和易于集成等特點[4]。</p><p>　　針對傳統(tǒng)的全數(shù)字鎖相環(huán)只能鎖定已知信號

10、和鎖頻范圍較小的問題，提出了一種自動變?？刂频膶掝l帶全數(shù)字鎖相環(huán)。對比分析了各類全數(shù)字鎖相環(huán)鎖頻、鎖相的工作機理，提出了一種新的系統(tǒng)模型，重點研究了快速鎖定和頻帶拓寬的原理及實現(xiàn)方法。應用EDA 技術完成系統(tǒng)設計，并進行計算機仿真。仿真結果證實了該設計具有快的鎖定速度、寬的鎖頻范圍、并能快速跟蹤頻率突變的輸入信號。該鎖相環(huán)通用性強，易于集成，可作為IP 核用于SoC 的設計[5]。</p><p>　　為了實時跟

11、蹤電網頻率的變化，提高直流輸電系統(tǒng)中換流器觸發(fā)脈沖控制精度，提出了一種基于新型全數(shù)字鎖相環(huán)的同步倍頻技術。該新型數(shù)字鎖相環(huán)在傳統(tǒng)數(shù)字鎖相環(huán)的基礎上加入了自適應模值控制模塊，大幅提高了鎖相速度和精度。在此基礎上，利用近似補償方法設計出的同步倍頻模塊能在高精度要求下對電網頻率同步任意倍頻，給換流器觸發(fā)控制系統(tǒng)提供精準的時鐘基準，提高相位控制精度，削弱換流器產生的非特征諧波。利用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）為載體，在QUARTUSⅡ軟件環(huán)境下

12、，設計出了基于全數(shù)字鎖相環(huán)的同步倍頻裝置，并通過軟件仿真和實驗測試驗證了該技術的正確性和優(yōu)越性[6]。</p><p>　　在無功補償控制系統(tǒng)中，采用了新型全數(shù)字鎖相環(huán)技術，其在傳統(tǒng)全數(shù)字鎖相環(huán)的基礎上加入了自適應模值控制模塊；該系統(tǒng)在采樣中采用該新技術進行倍頻鎖相，對采樣電壓設計了同步6 倍頻，提供6 相觸發(fā)脈沖，同時設計了同步128 倍頻，以保證ad 在每周期采樣128 點；給出了該裝置的硬件實現(xiàn)方法，同時給

13、出了軟件設計的程序流程；仿真與試驗結果表明新型全數(shù)字鎖相環(huán)技術可以大大提高鎖相速度和精度， 進一步提高無功補償系統(tǒng)的功率因數(shù)[7]。</p><p>　　針對目前在大部分電機伺服系統(tǒng)中使用傳統(tǒng)模擬控制方式的情況，使用大規(guī)模可編程邏輯器件進行電機的數(shù)字化控制。分析了鎖相環(huán)的原理和特性，介紹了控制系統(tǒng)的組成和功能。針對該系統(tǒng)中實時控制處理的要求，提出了一種基于復雜可編程邏輯控制器(CPLD)的電機控制方案。使用EPM

14、7128S 作為主控制芯片，程序設計使用VHDL語言編寫。仿真結果表明該系統(tǒng)具有較好的魯棒性和精確性，改善了電機的調速性能[8]。</p><p>　　針對光伏分布式電源并網系統(tǒng)中光伏輸出電流的調頻調相問題，給出了一種基于DSP 的數(shù)字鎖相技術。利用DSP 內部的捕獲單元、通用定時器和比較單元，方便地實現(xiàn)了對電網電壓和光伏發(fā)電輸出電流的信號捕獲，從而達到調頻調相的目的，達到并網條件。通過實驗表明，此方法精度高，鎖

15、相速度快，保證了并網系統(tǒng)的可靠性和高效性[9]。</p><p>　　目前鎖相技術已經形成一門比較系統(tǒng)的理論科學，它的應用遍及整個無線電領域，總結起來，最主要的應用范圍概括起來有以下十大方面:（1）頻率合成與頻率變換；（2）自動頻率調諧跟蹤；（3）模擬和數(shù)字信號相干解調；（4）AM波的同步檢波；（5）數(shù)字通信中的位同步提?。唬?）鎖相穩(wěn)頻、信頻和分頻；（7）鎖相測速與測距；（8）鎖相FM（PM）調制與解調；（9）

16、微波鎖相頻率源；（10）微波鎖相功率放大。</p><p>　　隨著電子設計自動化(EDA)技術的發(fā)展，采用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?如CPLD 或FPGA) 和VHDL 語言來設計專用芯片ASIC和數(shù)字系統(tǒng)，而且可以把整個系統(tǒng)集成到一個芯片中，實現(xiàn)系統(tǒng)SOC，構成片內鎖相環(huán)。</p><p>　　VHDL語言是一種用于電路設計的高級語言。它在80年代的后期出現(xiàn)。最初是由美國國防部開發(fā)出來供美

17、軍用來提高設計的可靠性和縮減開發(fā)周期的一種使用范圍較小的設計語言。VHDL的英文全寫是：VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit）Hardware Descriptiong Language.翻譯成中文就是超高速集成電路硬件描述語言。因此它的應用主要是應用在數(shù)字電路的設計中?；赩HDL 語言的數(shù)字鎖相環(huán)設計，不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，并提高了系統(tǒng)的可靠性。該方法可以

18、在不修改硬件電路的基礎上，通過修改設計軟件、更改移相范圍就可滿足不同用戶的需要[10-13]。</p><p><b>　　總結</b></p><p>　　簡單來說, 數(shù)字鎖相環(huán)有以下優(yōu)點</p><p>　　1、面積小，由于振蕩器輸入不再是模擬電壓，而是數(shù)字控制單元，使得LPF由模擬型被數(shù)字型代替，集成在chip內十分節(jié)約面積。 </

19、p><p>　　2、功耗小，ADPLL不再用到CP這個關鍵電路，所以即使電源電壓降低，也不會產生原先CP非線性的問題。 </p><p>　　3、ADPLL的相位噪聲可做的更好，數(shù)字振蕩器(DCO)的分解精度，相位噪聲和TDC(time to digital converter)的分解精度主要決定了PLL的相位噪聲特性。</p><p>　　4、抗PVT性能更好，采用一

20、些數(shù)字校正技術，使PLL的整體性能更堅固。</p><p>　　采用VHDL設計全數(shù)字鎖相環(huán)路，具有設計靈活，修改方便和易于實現(xiàn)的優(yōu)點，并能夠制成嵌入式片內鎖相環(huán)。該類數(shù)字鎖相環(huán)路中計數(shù)器的模數(shù)可以隨意修改，這樣，就能夠根據不同的情況最大限度地、靈活地設計環(huán)路[14-18]。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　(

21、美)貝斯特.鎖相環(huán)[M].北京:清華大學出版社,2007.</p><p>　　郝培育,唐普英.鎖相環(huán)在SDH網絡中的應用[J].電子工程師,2007,33(3):18-20.</p><p>　　余景華,楊冠魯,郭亨群.全數(shù)字鎖相環(huán)高頻感應加熱系統(tǒng)的設計[J].華僑大學學報(自然科學版),2009,30(2):147-150.</p><p>　　張曉琴,羅隆.基

22、于數(shù)字鎖相環(huán)同步采樣的諧波檢測[J].煤炭技術,2009,28(12):35-37.</p><p>　　朱立軍,單長虹,李勇.一種自動變?？刂频膶掝l帶全數(shù)字鎖相環(huán)[J].現(xiàn)代電子技術 2009,20:11-16.</p><p>　　張志文,曾志兵,羅隆福等.基于新型全數(shù)字鎖相環(huán)的同步倍頻技術[J].電力自動化設備,2010,30(2):123-130.</p><p

23、>　　張志文,吳浩,曾志兵等. 新型全數(shù)字鎖相環(huán)在無功補償系統(tǒng)中的應用[J].計算機測量與控制,2010 18(4):920-926.</p><p>　　韓瑞,趙創(chuàng)社,史志富.數(shù)字鎖相環(huán)在電機控制系統(tǒng)中的應用[J].電機與控制應用, 2010,37(7):37-41.</p><p>　　李玲,謝利理,脫秀林等.光伏并網系統(tǒng)中的數(shù)字鎖相環(huán)[J].電源技術,2010,34(8):84

24、5-847.</p><p>　　董介春,李萬玉.基于VHDL語言的數(shù)字鎖相環(huán)的設計與實現(xiàn)[J].青島大學學報( 工程技術版),2004,19(2):84-88.</p><p>　　胡華春.數(shù)字鎖相環(huán)路原理與應用[M].上?？萍汲霭嫔?1990. </p><p>　　侯伯亨.VHDL硬件描述語言與數(shù)字邏輯電路設計[M],西電出版社，2002.</p>

25、<p>　　張肅文.高頻電子線路[M],北京:高等教育出版社,2000. </p><p>　　IEEE Standard VHDL Language Reference Manual IEEE std 1076-1993 Institute of Electrical and Electronics Engineering Inc, 1993.</p><p>　　L. W

26、illiam, C.C. Ming. A survey of digital phase-locked loops [J]. Proceedings of the IEEE, 1981, 69(4): 410-431.</p><p>　　王福昌,魯昆生.鎖相技術[M].武漢:華中科技大學,2002.</p><p>　　萬心平,張厥盛.集成鎖相環(huán)路[M].北京:人民郵電出版社,1990.