基于fpga的全数字锁相环【字数：9945】
摘 要本设计是设计一种全数字锁相环。主要通过利用这一公式，当参考输入初始值和DDS初始值不同时，两者会产生频差，利用乘法器，高频成分由低通滤波器进一步过滤，低下差频，又有环路滤波将差频转化为误差因子，然后慢慢调整到DDS的频率状态。不断循环使输出向参考输入逼近。最后，当输出与参考输入同步时，稳定下来达到数字锁相环的作用。该锁相环由FPGA实现，主要采用QuartusII作为软件设计平台。Veriloghdl作为一种硬件描述语言用于实际开发。设计测试完成后，还需要进行后期的数据分析。
Key words：full digital PLL；FPGA；loop filtering;；Verilog HDL 目 录
第一章 绪论 1
1.1课题背景及意义 1
1.2锁相环的国内外研究历史与现状 1
1.3本文主要内容 2
第二章 数字锁相环的原理 3
2.1锁相环的工作原理 3
2.1.1锁相环路的模型 3
2.1.2锁定与跟踪的概念 3
2.2锁相环的组成 5
2.2.1锁相环的基本结构 5
2.2.2锁相环的基本模块 6
第三章 基于EDA工具的FPGA开发技术 7
3.1电子设计自动化EDA技术 7
3.1.1EDA技术的发展历程 7
3.1.2EDA技术的基本特征和应用 8
3.2FPGA及其开发技术 8
3.2.1FPGA原理 8
3.2.2典型FPGA器件的结构 8
3.2.3FPGA设计流程 9
3.3QuartusⅡ开发平台 10
3.3.1QuartusⅡ开发平台简介 10
3.3.2QuartusⅡ设计流程 11
3.4仿真工具软件Modelsim 11
3.5VerilogHDL硬件描述语言 12
第四章 基于FPGA的数字锁相环设计 14
4.1数字锁相环设计的前期准备 14
4.1.1参考输入的设计 14
4.1.2锁相环PLL的调用 14 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
4.1.3LPM_CONSTANT宏模块的调用 15
4.1.4全局复位模块设计 16
4.2数字锁相环设计的核心 16
4.2.1环路滤波和低通滤波模块设计 16
4.2.2数字控制振荡器模块设计 17
4.2.3数码晶体管模块设计 18
4.2.4乘法器模块设计 20
第五章 实验仿真结果分析与问题 21
5.1测试时序图 21
5.2全局复位模块代码仿真图 21
5.3使能模块代码仿真 21
5.4设计中的问题 22
结束语 23
致 谢 24
参考文献 25
附录 A 26
附录 B 27
第一章 绪论
1.1课题背景及意义
早在1932年，法国的工程师贝尔赛什就实现了世界上首个锁相环，因此他也被称为同步信号的开创者。自那以后，随着锁相环的不断发展，它逐渐被应用于无线通信等领域。直至上世纪六十年代以后，锁相技术的应用开始出现一个大爆发，不止在通信，在计算机、航海航天、工业、地质等等领域都得到广泛应用。而另一方面，由于当时集成电路和计算机的井喷发展，传统的模拟锁相环已经有一部分被数字锁相环路所取代。
自20世纪60年代以来，出现了一系列新的锁相环，称为数字模拟混合锁相环。与模拟锁相环相比，这种锁相环具有更高的工作频率和控制精度，自然成为当时的主流发展方向。时间来到现在，近年来，随着数字技术的发展，全数字锁相环(ADLL)开始发展起来。
什么是全数字化？即锁相环模块的数字化。目前，采用数字鉴别器、数字环路滤波器和数控振荡器构成锁相环。并且，整个系统中的信号都是数字信号。因为数字锁相环都是用数字电路设计的，与传统模拟电路实现相比成本低廉，又不受电压变化影响，不存在温度漂移，它带来了巨大的优势，并逐渐取代了混合锁相环的数字模。由于数模混合锁相环虽然由数字电路组成，但它确实避免了模拟锁相环的一些缺点。但是有在嘈杂环境中易受到噪声干扰的缺点。这一缺点也被全数字锁相环克服了，甚至全数字锁相环达到稳定状态所需的时间也缩短了。
除此之外，全数字锁相环还有一个显著优点：它的整个环路部分能够通过微处理机模拟实现。虽然因为硬件部分受到集成电路的限制，使得目前只能在低频场合得到应用，但我们有理由相信，数字集成电路还是在不断发展，随着它的发展全数字锁相环的应用只会越来越广泛。
1.2锁相环的国内外研究历史与现状
正如上文所说，贝尔萨什当时也提出了同步检测的理论，但由于当时科技条件的限制，最初的锁相环做工复杂，而且效果其实很不理想，所以并没有在业界掀起很大的波澜。然后在1943年，锁相环在控制扫描图像的抖动方面发挥了很好的作用。因为这一问题的解决，许多学者开始对锁相环技术产生了兴趣，这也为锁相环技术飞速发展拉开了序幕。
20世纪50年代，随着空间技术的发展，设计了一种锁相环滤波器来解决导弹信标跟踪问题。研究人员还就此发表了锁相环技术相关的文章。随着空间技术的发展，锁相环技术也得到了发展。
最后，到了20世纪60年代，模拟锁相环逐渐数字化，数字锁相环取代了模拟锁相环在许多领域的应用。罗马不是一天建成的，首先，只对部分回路进行初始化，易于制作，能够同时满足模拟锁相环的要求。1970年左右，第一个数字锁相环问世。或者准确的说是一个数模混合系统，因为这时还只有鉴相器部分被数字化。但数字电路集成的零件使得其具有制作简单、性能增强、体积减小、价格降低等等优点，模拟锁相环的不足也全都避免了[1]。因此，根据当前的发展趋势，结合诸多优点的数字锁相环技术必将成为未来的发展方向。
Key words：full digital PLL；FPGA；loop filtering;；Verilog HDL 目 录
第一章 绪论 1
1.1课题背景及意义 1
1.2锁相环的国内外研究历史与现状 1
1.3本文主要内容 2
第二章 数字锁相环的原理 3
2.1锁相环的工作原理 3
2.1.1锁相环路的模型 3
2.1.2锁定与跟踪的概念 3
2.2锁相环的组成 5
2.2.1锁相环的基本结构 5
2.2.2锁相环的基本模块 6
第三章 基于EDA工具的FPGA开发技术 7
3.1电子设计自动化EDA技术 7
3.1.1EDA技术的发展历程 7
3.1.2EDA技术的基本特征和应用 8
3.2FPGA及其开发技术 8
3.2.1FPGA原理 8
3.2.2典型FPGA器件的结构 8
3.2.3FPGA设计流程 9
3.3QuartusⅡ开发平台 10
3.3.1QuartusⅡ开发平台简介 10
3.3.2QuartusⅡ设计流程 11
3.4仿真工具软件Modelsim 11
3.5VerilogHDL硬件描述语言 12
第四章 基于FPGA的数字锁相环设计 14
4.1数字锁相环设计的前期准备 14
4.1.1参考输入的设计 14
4.1.2锁相环PLL的调用 14 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
4.1.3LPM_CONSTANT宏模块的调用 15
4.1.4全局复位模块设计 16
4.2数字锁相环设计的核心 16
4.2.1环路滤波和低通滤波模块设计 16
4.2.2数字控制振荡器模块设计 17
4.2.3数码晶体管模块设计 18
4.2.4乘法器模块设计 20
第五章 实验仿真结果分析与问题 21
5.1测试时序图 21
5.2全局复位模块代码仿真图 21
5.3使能模块代码仿真 21
5.4设计中的问题 22
结束语 23
致 谢 24
参考文献 25
附录 A 26
附录 B 27
第一章 绪论
1.1课题背景及意义
早在1932年，法国的工程师贝尔赛什就实现了世界上首个锁相环，因此他也被称为同步信号的开创者。自那以后，随着锁相环的不断发展，它逐渐被应用于无线通信等领域。直至上世纪六十年代以后，锁相技术的应用开始出现一个大爆发，不止在通信，在计算机、航海航天、工业、地质等等领域都得到广泛应用。而另一方面，由于当时集成电路和计算机的井喷发展，传统的模拟锁相环已经有一部分被数字锁相环路所取代。
自20世纪60年代以来，出现了一系列新的锁相环，称为数字模拟混合锁相环。与模拟锁相环相比，这种锁相环具有更高的工作频率和控制精度，自然成为当时的主流发展方向。时间来到现在，近年来，随着数字技术的发展，全数字锁相环(ADLL)开始发展起来。
什么是全数字化？即锁相环模块的数字化。目前，采用数字鉴别器、数字环路滤波器和数控振荡器构成锁相环。并且，整个系统中的信号都是数字信号。因为数字锁相环都是用数字电路设计的，与传统模拟电路实现相比成本低廉，又不受电压变化影响，不存在温度漂移，它带来了巨大的优势，并逐渐取代了混合锁相环的数字模。由于数模混合锁相环虽然由数字电路组成，但它确实避免了模拟锁相环的一些缺点。但是有在嘈杂环境中易受到噪声干扰的缺点。这一缺点也被全数字锁相环克服了，甚至全数字锁相环达到稳定状态所需的时间也缩短了。
除此之外，全数字锁相环还有一个显著优点：它的整个环路部分能够通过微处理机模拟实现。虽然因为硬件部分受到集成电路的限制，使得目前只能在低频场合得到应用，但我们有理由相信，数字集成电路还是在不断发展，随着它的发展全数字锁相环的应用只会越来越广泛。
1.2锁相环的国内外研究历史与现状
正如上文所说，贝尔萨什当时也提出了同步检测的理论，但由于当时科技条件的限制，最初的锁相环做工复杂，而且效果其实很不理想，所以并没有在业界掀起很大的波澜。然后在1943年，锁相环在控制扫描图像的抖动方面发挥了很好的作用。因为这一问题的解决，许多学者开始对锁相环技术产生了兴趣，这也为锁相环技术飞速发展拉开了序幕。
20世纪50年代，随着空间技术的发展，设计了一种锁相环滤波器来解决导弹信标跟踪问题。研究人员还就此发表了锁相环技术相关的文章。随着空间技术的发展，锁相环技术也得到了发展。
最后，到了20世纪60年代，模拟锁相环逐渐数字化，数字锁相环取代了模拟锁相环在许多领域的应用。罗马不是一天建成的，首先，只对部分回路进行初始化，易于制作，能够同时满足模拟锁相环的要求。1970年左右，第一个数字锁相环问世。或者准确的说是一个数模混合系统，因为这时还只有鉴相器部分被数字化。但数字电路集成的零件使得其具有制作简单、性能增强、体积减小、价格降低等等优点，模拟锁相环的不足也全都避免了[1]。因此，根据当前的发展趋势，结合诸多优点的数字锁相环技术必将成为未来的发展方向。
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