基于可编辑逻辑器件实现ADPLL的应用设计

传统的模拟锁相环（APLL）有较短的锁定时间，可以保证参考时钟源和输出时钟的稳态相差。但其中心频点受VCO的限制而范围较小，环路带宽较宽；当参考源出现瞬断或者参考时钟源切换时，VCO输出时钟频率会出现较大的相位瞬变。

随着数字电路技术的发展，特别FPGA技术的普遍应用，采用FPGA实现全数字锁相环（ADPLL）的应用越来越多。ADPLL设计简单、应用方便。本文介绍一种采用FPGA实现的ADPLL，该ADPLL用于产生SDH设备的外同步输出时钟。该锁相环具备传统的APLL的俘获时间短、有稳定的相差的优点，同时也具备DPLL的中心频点可编程调整、能够实现平滑源切换的优点。

1、体结构及基本工作原理

外同步输出时钟产生的整体结构框图如下图1所示：

图1 ADPLL的整体结构框图

方案的主体部分为一个ADPLL。ADPLL和传统的PLL一样，环路主要由鉴相器（PD）、滤波器（LF）、数字控制时钟输出（DCCO）3部分组成。PD将参考时钟clk_ref和clk_div（由clk_out进行N分频得到，环路锁定后频率和clk_ref一致）进行相差鉴别，输出up或者down信号指示时钟相位的超前、滞后关系。LF模块将up和down，用高速时钟clk_h进行相差计数，并采用数字滤波算法，给出相位调整指示adjust。DCCO模块，由高速时钟clk_h在相位调整指示adjust的作用下进行受控分频得到。环路通过负反馈调整，实现输出时钟clk_out和clk_ref的同步。

ADPLL工作的高速时钟（即图1中的clk_h）采用SDH设备的系统时钟155.52MHz，输出的外同步时钟clk_out频率为2.048MHz，DCCO模块采用受控小数分频设计。外同步时钟根据用户需要可以从多路参考源中任选1路，由参考源选择模块实现。设计中，所有参考源的时钟频率都分频到100Hz进行鉴相，即clk_ref和clk_div的频率都为100Hz。

2、 全数字锁相环路的详细设计实现

输入的各路参考源的相差是不确定的，当参考源切换时，选择后的信号clk_ref必然会出现相位的突变；这种相位的突变最大可能达半个clk_ref周期，即源切换后瞬间，clk_ref和clk_div的相差最大可能达±5ms。源切换产生的相位跳变，在APLL中会导致压控电压突变，导致输出时钟的频率突变，无法实现平滑源切换。而在DPLL中，可以通过调整滤波算法，逐步改变压控电压，保证输出时钟频率的缓慢变化。

这里设计的ADPLL，我们通过2个方面来保证平滑源切换环路：1、负反馈时钟采用初始受控分频设计，当参考源切换时，通过受控分频保证了clk_ref和clk_div的初始相差小于半个clk_out时钟周期。2、通过环路滤波算法，逐步改变adjust的调整频率，保证源切换时输出时钟频率平滑变化。

2.1 初始受控分频设计

当源切换时，输出至少1个clk_div时钟周期的1电平信号ref_change，指示当前参考源进行了源切换。当ref_change为1时，clk_div信号重新由clk_out在clk_ref的受控下分频得到；同时，屏蔽掉该鉴相周期的up和down输出，避免adjust出现误调整。

采用如下图2的电路逻辑设计初始受控分频，可以保证初始分频后，clk_div和clk_ref的相差小于半个clk_out时钟周期，即小于244ns。清零信号clr_div只在ref_change为1时使能；锁相环正常跟踪情况下，clk_div为自由分频得到。

图2 相差小于半周的初始受控分频设计电路

在参考源切换后，clk_out与clk_ref的初始相位关系有2种可能：clk_out超前或者滞后。当clk_out相位超前时，则上图中ref_dly_n将clk_ref的沿踩中；当clk_out相位滞后时，则上图中ref_dly_p将clk_ref的沿踩中；2种情况，最后都在下同一个clk_out周期取clk_ref的上沿，然后进行受控分频。按此设计的受控分频设计，可以保证初始受控分频后，产生的clk_div和clk_ref的相差总在半个clk_out周期以内。

2.2 环路滤波设计

这里，我们完全采用数字电路逻辑实现环路滤波算法。环路滤波设计中，相位调整指示adjust由频率调整控制adjust_f和相位调整控制adjust_p两部分共同组成。

频率调整控制adjust_f的产生：

1）、锁相环开始工作时的初始值adjust_f［0］=0。

2）、根据当前鉴相周期鉴出的相差phase［n］（用155M时钟对up和down进行计数综合得到），和上一个鉴相周期鉴出的相差phase［n-1］进行比较：

当（phase［n］－phase［n-1］） 》 1，则adjust_f［n］＝adjust_f［n-1］ – 1；

当（phase［n］－phase［n-1］） 《 -1，则adjust_f［n］＝adjust_f［n-1］ + 1；

其他情况，adjust_f［n］＝adjust_f［n-1］，保持不变。

3）、adjust_f［n］的范围控制在±127以内。

4）、当|phase［n］－phase［n-1］|大于1000，即相差突跳了6.4us时，说明参考源可能出现突跳，此时输出源抖动指示，重新进行初始受控分频。

频率调整控制，保证了输出时钟频率和参考源频率的一致。该滤波设计，保证了adjust_f的缓慢变化；参考源切换后，adjust［n］的调整也是在之前基础上逐步变化，这可靠的保证了输出时钟频率的平滑。

相位调整控制adjust_p的产生：

1）、根据当前鉴相周期鉴出的相差phase［n］来给出相位调整控制：

phase［n］ 》 0，则adjust_p［n］ ＝ －1；

phase［n］ 《 0，则adjust_p［n］ ＝ 1；

其他情况，则adjust_p［n］ ＝ 0；

相位调整控制的作用下，可靠的保证了锁定情况下的稳态相差小于1个clk_h时钟周期。

adjust［n］ ＝ adjust_f［n］ + adjust_p［n］。在环路正常跟踪或者源切换的过程中，|adjust［n］ - adjust［n-1］|总是会小于2，即输出时钟的频率突变小，保证了输出时钟clk_out的频率稳定。

adjust》0时，DCCO需要进行相位正调整；而当adjust 《 0时，DCCO需要进行相位负调整。需要调整的adjust，在下个鉴相周期（100Hz）中平均分配。由于adjust调整值最大不超过128，所以adjust的调整频率最大为12.8KHz。

2.3 DCCO的设计实现

155.52M为2.048M的75.9375倍，为非整数倍；同时DCCO受adjust的调整控制。即clk_out需要由clk_h进行小数受控分频得到。

注意到2.048M的76倍频为155.648M，和155.52M相差128K。所以2.048M可以这样产生：155.52M时钟在76分频的过程中，每128K时钟周期固定进行相位负调整1次。显然，固定相位调整频度远大于 adjust相位调整频度。

小数分频的固定相位调整设计和adjust的相位调整控制可以综合起来考虑：1、每128K频率的固定相位负调整，和adjust的正调整控制信号都在128K时钟信号的上沿位置进行。当需要进行一次正相位调整时，直接去掉1次固定负调整即可达到目的。2、而adjust的负调整在128K时钟信号的下沿位置进行，和固定负调整错开，避免某一个clk_out周期进行了2次负调整。

经过这种综合调整控制后，任意一个clk_out时钟周期，可能为clk_h的76分频、或者75分频。这样，产生的clk_out时钟的cycle-cycle固有抖动为1个clk_h周期（p-p峰峰值），即6.4ns。

3、 实际应用及锁相环特性测试

3.1 设计实例

由于该ADPLL同时具有平滑源切换及稳态相差的优点，我们在开发SDH设备的时钟板时，直接采用该方案设计实现2.048M外同步输出时钟。该设计中，FPGA芯片采用了Altera公司提供的EP1C4F400芯片，该ADPLL部分总逻辑资源占用约300个LE（1个LE包括1个4输入的查找表和1个D触发器）。

3.2 环路特性分析及实际测试结论

1）、频率俘获带

也称为牵引范围。即clk_h和clk_ref频率偏差到环路无法锁定时的最大值。

根据环路滤波设计，每100Hz最大调整128个clk_h周期，即锁相环路最大可调整的频率为100Hz×128×6.4ns＝ 81.92ppm。即环路的牵引范围为±81.92ppm。

采用如下图5所示的方法进行牵引范围的测试：

SDH设备的系统155.52M时钟，通过一路APLL和时钟基准源保持同步。环路的100Hz时钟由信号发生器产生。用示波器测量锁相环路的clk_ref1和clk_out的锁定情况；通过信号发生器逐步改变参考时钟clk_ref1的频偏， 观察能够锁定的最大频偏。测试得到的牵引范围为±80ppm左右。

2）、稳态相差

多次复位锁相环路后，用示波器测量环路锁定情况下图5中的clk_ref1和clk_out时钟相差，均在±12ns以内。

3）、输出时钟的cycle-cycle抖动

根据2.3节的分析，输出时钟抖动的p-p为6.4ns。采用示波器测试2.048MHz输出时钟，如下图6所示，抖动的峰－峰值就是6.4ns，和分析一致。

图6 clk_out的p-p抖动测试

4）、平滑源切换

按图5，给锁相环路提供2路同频不同相的参考源clk_ref1和clk_ref2。用clk_ref2作触发源，示波器设置为长余辉和快俘的模式；通过CPU接口将环路的参考源由clk_ref1更改为clk_ref2。通过示波器可以看到参考源切换过程中clk_out的相位瞬变如下图7所示：

从图7中可以看到，源切换过程中相位瞬变的幅度小于半个2.048M周期，这里为140ns。瞬变过程中，输出时钟和参考源的相差按6.4ns的粒度，逐步调整，直到最后锁定。

从上述测试结果来看，输出时钟的稳态相差较小，Cycle-cycle抖动较小，有较宽的牵引范围，能够实现平滑源切换，完全满足SDH设备外同步输出时钟的要求。

4、 总结

本文设计的全数字锁相环独到之处在于：该锁相环具备数字锁相环的平滑源切换、牵引范围可调等优点，同时还具备模拟锁相环的快速俘获和有稳态相差等优点。通过实践验证，利用该锁相环产生的SDH设备外同步输出时钟，可以很好的实现平滑源切换，俘获时间快，同时保证了环路的稳态相差，各项时钟指标良好。

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