CN102545894A

CN102545894A - 锁相环快速频率定位的方法及装置

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Publication number: CN102545894A
Application number: CN2010105900446A
Authority: CN
Inventors: 张保华; 於清; 林坤
Original assignee: SUZHOU EVEREST SEMICONDUCTOR CO Ltd
Current assignee: SUZHOU EVEREST SEMICONDUCTOR CO Ltd
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2010-12-16
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明涉及一种锁相环快速频率定位的装置及方法。该装置包括：一频率比较器，用以比较参考时钟和系统时钟，以判断当前系统时钟是过快或过慢；一频率自动搜索控制器，其根据频率比较器的判断结果，产生一系列测试系数以控制锁相环输出一系列系统时钟频率，再从一系列系统时钟频率中搜选出最接近用户目标频率的一系统时钟频率，完成自动频率搜索过程；一模式切换控制器，其在自动频率搜索过程结束之后，关闭频率自动搜索控制器，并将所述锁相环切换到相位锁定工作模式。本发明可以同时改善锁相环的锁相范围和锁相时间，并可自动快速确定系统时钟的目标频率，令锁相环可设计在较大的锁相范围之内，并可实现集成化设计。

Description

锁相环快速频率定位的方法及装置

技术领域

本发明涉及锁相环(PLL)设计中的一种分别检测频率和相位通过频率的粗调和细调，实现频率快速定位的方法。粗调是先进入一种调整环路开启模式，通过频率检测迅速把频率定位在目标频率附近，再进入调整环路关闭模式，通过相位检测精细调整锁相环输出频率。

背景技术

参阅图1，传统锁相环是一个非线性的反馈电路，其工作原理为：根据用户的设定，相位检测器(phase detect)把参考时钟(refclk)和系统时钟(vcoout)被分频以后形成的本地时钟(divclk)进行比较，而当参考时钟与本地时钟有频率差异时必然引起相位差异，相位检测器根据这两个信号间的相位差别并在本地时钟滞后或者领先参考时钟(refclk)信号时产生一个UP或DOWN信号，然后把UP和DOWN送入电荷泵，UP增加控制电压值并加速压控振荡器(VCO)，DOWN减小控制电压并减慢压控振荡器(VCO)，这两个信号控制电荷泵产生一个合适的电压，控制压控振荡器(VCO)产生一个合适的频率(消除相位滞后或领先)。同时，为了消除时钟信号的抖动，在压控振荡器的调整电压增加一个环路滤波(loop filter)，环路滤波滤去了VCO控制电压中的高频成分并平滑了它的响应。上述传统的锁相环有两个矛盾，一是锁相范围(lock range)，二是锁相时间(lock time)。设计锁相环的时候都要根据实际情况折衷考虑这两个基本性能。在一定的芯片面积下，如若扩大锁相范围，则必须牺牲锁相时间；若要缩短锁相时间，则又要牺牲锁相范围。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，提出一种增大锁相范围(lock range)或者缩短锁相时间(lock time)的具有频率自动搜索功能的锁相环装置。采用本发明也使锁相环更容易集成在同一个芯片里，可以大大降低了系统成本。实现这个目的的关键是引入了一个频率搜索模块和一个频率判断的方法。传统的锁相环需要在很大的频率范围内能够进行相位检测而调整时钟相位来逐渐调整系统时钟频率，本发明简化这一设计，使锁相环只需要在一个很窄的范围内工作即可，因为频率搜索模块可以快速搜索一个初始频率，让锁相环直接在这个初始频率附近调整即可。为了减小锁相环总体面积，频率搜索模块不能做得太大，合理的频率比较器也是本锁相环一个重要部分。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种锁相环快速频率定位的装置，其设置于锁相环中，其特征在于，该装置包括：

一频率比较器，用以比较参考时钟和系统时钟，以判断当前系统时钟是过快或过慢；

一频率自动搜索控制器，其根据频率比较器的判断结果，产生一系列测试系数以控制锁相环输出一系列系统时钟频率，再从一系列测试系数和一系列系统时钟频率中搜选出一理想系数作为频率定位系数和与该频率定位系数对应，且最接近用户目标频率的一系统时钟频率，完成自动频率搜索过程；

一模式切换控制器，其在自动频率搜索过程结束之后，关闭频率自动搜索控制器，并将所述锁相环切换到相位锁定工作模式。

进一步地讲，所述频率比较器采用两个计数器同时对参考时钟和系统时钟计数，当参考时钟计数到一设定值时，再读取系统时钟的计数值，比较该这两个计数值和一设定锁相环分频系数，以判断当前系统时钟是过快或过慢。或者可通过将两个时钟经过不同的分频器，产生两个频率非常接近的时钟，再通过相位比较判断当前系统时钟是过快或过慢。

所述频率自动搜索控制器是基于频率定位系数和系统时钟频率是单调对应关系的前提，根据频率比较器的判断结果产生一系列不同的测试系数，并通过刺激作用使锁相环输出相应的一系列系统时钟，其后从一系列测试系数中搜选一个理想系数作为频率定位系数。这样的做法可以使锁相环通过跳跃式的选择输出系统时钟频率，而不是通过相位差来逐渐的调整频率，在系统初始频率离目标频率较远的时候可以迅速进入稳定工作状态，减小锁相时间(lock time)；并且因为有频率搜索模块，可以不通过相位检测而直接把频率定位到一个离目标频率较近的频率上再进行相位检测，相位检测电路的工作只需要微小的调整就可以使锁相环正常工作，这样就减小了锁相环的面积，有利于锁相环的单芯片集成。

所述模式切换控制器是在频率自动搜索过程结束以后，且系统时钟频率被定位到一个最接近用户设定的目标频率时，将频率自动搜索控制器关闭，并锁相环切换到相位检测调整频率和相位模式。

一种锁相环频率定位方法，其特征在于，该方法为：

比较参考时钟和系统时钟，判断当前系统时钟是过快或过慢；

根据上述判断结果，藉一频率自动搜索控制器产生一系列离散的测试系数以控制锁相环输出一系列系统时钟频率，再从一系列测试系数和一系列系统时钟频率中搜选出一理想系数作为频率定位系数和与该频率定位系数对应，且最接近用户目标频率的一系统时钟频率，完成自动频率搜索过程；

在自动频率搜索过程结束之后，关闭频率自动搜索控制器，并将所述锁相环切换到相位锁定工作模式。

具体而言，该方法具体为：

采用两个计数器同时对参考时钟和系统时钟计数，当参考时钟计数到一设定值时，再读取系统时钟的计数值，比较该这两个计数值和一设定锁相环分频系数，以判断当前系统时钟是过快或过慢；

根据上述判断结果，频率自动搜索控制器是基于频率定位系数和系统时钟频率是单调对应关系的前提，根据频率比较器的判断结果产生一系列不同的测试系数，并通过刺激作用使锁相环输出相应的一系列系统时钟，其后从一系列测试系数中搜选一个理想系数作为频率定位系数；

在频率自动搜索过程结束以后，且系统时钟频率被定位到一个最接近用户设定的目标频率时，将频率自动搜索控制器关闭，并将锁相环切换到相位检测调整频率和相位模式。

本发明的频率比较器是判断两个时钟的频率在各自乘以不同的系数以后的频率的大小，是频率搜索的判断依据。为便于硬件实现，此算法经过优化，先用计数器计算两个时钟在特定时间内的计数值，再用这两个计数值跟两个系数比较。本锁相环可以应用这个频率比较器判断参考时钟和系统时钟的关系。让两个计数器同时对参考时钟和系统时钟计数，当参考时钟计数到一个特定值的时候再读取系统时钟的计数值，比较这两个计数值和用户设定的锁相环分频系数，即可判断当前系统时钟是过快或过慢。频率自动搜索控制器根据这个判断结果来确定产生下一个频率定位系数。

本发明的频率自动搜索控制器是根据频率比较器的判断结果，产生一系列测试系数以控制锁相环输出一系列不同的系统时钟频率。这是基于频率定位系数和系统时钟频率是单调对应关系的前提下，使用刺激原理，产生一系列不同的测试系数，通过刺激作用使锁相环输出相应的一系列不同频率的系统时钟，再从中选择一个最理想的系数作为频率定位系数，对应系统时钟为一个离用户目标频率最接近的系统时钟频率。本发明的频率自动搜索方法可包括锁相环频率自动搜索领域内的所有刺激方法，比如从小到大或者从大到小穷举法，逐次逼近法等，根据应用不同而选用不同的方法，如为了加快频率搜索过程可以用逐次逼近法，系统频率较高的应用可以选择从小到大的穷举法等。

本发明的模式切换控制器是在频率自动搜索过程结束以后，系统时钟频率被定位到一个接近用户设定的目标频率。此时再把自动频率搜索关闭，切换到相位检测调整频率和相位模式。因为频率自动搜索环路已经把频率定位在目标频率附近，锁相环很快就可以通过相位比较准确锁定系统时钟的频率和相位。

本发明的锁相环的频率比较方法是一个面积较小，又能达到理想精度的频率比较方法。如上所叙，频率比较器的目的是快速自动频率搜索的时候判断系统时钟频率是否最接近目标频率，通过频率自动搜索控制器产生一系列的不同的测试系数，产生相应一系列不同频率的系统时钟，测试系数是一个离散序列，系统时钟频率也根据测试系数控制压控振荡器产生一个频率的离散序列，仅比较测试的系统时钟频率和用户设定的目标系统时钟频率还不能确定要选择哪一个频率定位系数，但是可以确定目标频率是在N和N+1系数之间。系统时钟目标频率为参考时钟乘以一个分频系数，这是一个确定的目标频率，为了减小误差，需要判断它距离N比较近还是距离N+1比较近，根据频率定位系数和系统时钟频率是单调的对应关系，通过插值比较法可以实现，即先通过产生测试系数N-1，N，N+1，N+2得出4个系数对应的系统频率，通过插值计算，可以得到系数为N-0.5，N+0.5，N+1.5这三个虚拟系数对应的频率，通过比较目标频率和虚拟测试点的频率即可确定最终的频率定位系数，如目标频率系数在N-0.5和N+0.5之间，则可以确定定位系数为N。通过此方法，系数误差可以减小一半，大大减小了因频率定位系数量化带来的系统误差。

与现有技术相比，本发明的积极效果在于：本发明可以改善锁相环的两个重要性质：锁相范围和锁相时间。因为大大减小了面积，同时也为锁相环单芯片集成提供了一个很好的解决方案。传统锁相环通过相位检测调整频率，即在工作频率范围内，检测到相位的差异，根据差异来缓慢调整时钟频率，减小相位差异，直到相位差异完全消失，这是一个缓慢的并且对电路规模有一定要求的方法，而本发明把整个工作频率分成很多个频段，通过直接频率搜索，首先确定目标频率在哪个频段，确定频段以后，系统时钟直接跳跃到合适的初始频率上，然后只需要在很小的范围之内调整相位就可以得到最终的系统时钟(vcoout)频率。这就是快速的原理。同时因为工作范围被分割成多个频段，对于电路来说只需要能在较小的频段工作就可以了，这就可以大大降低对硬件的要求，减小电路的面积。所以本发明更适合锁相环的单芯片集成。

附图说明

图1为现有技术中锁相环的结构示意图；

图2为本发明具体实施方式中锁相环快速频率定位的装置的结构示意图：

图3为采用图2所示锁相环快速频率定位的装置的锁相环的结构示意图；

图4为图3所示锁相环在工作时的频率调整时序图。

具体实施方式

为进一步说明本发明的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明的锁相环快速频率定位的装置及方法进行详细的描述。

下面结合附图，对本发明的自动频率搜索快速定位控制及其使用方法进行详细说明。

如图1所示，在锁相环中，通过一个非线性的反馈电路来调整系统时钟(vcoout)的频率，根据用户的设定，在分频器设定一个分频系数(PLL_N，PLL_K)，对系统时钟(vcoout)进行分频，产生一个本地时钟(divclk)，当本地时钟(divclk)和参考时钟(refclk)存在频率差异的时候，会有一个相位偏差，这个相位偏差产生充放电控制信号UP/DOWN，给电荷泵充/放电，经过一个环路滤波器，产生一个稳定的电压控制信号，这个电压就控制压控振荡器产生特定频率的系统时钟(vcoout)。当参考时钟(refclk)和本地时钟(divclk)频率和相位一致的时候，便把系统时钟(vcoout)锁定在一个稳定的状态，频率为参考时钟(refclk)乘以分频系数。这是锁相环通过相位检测锁定目标频率。

系统要快速自动的定位到目标频率，则要打开自动频率搜索环路。如图2所示，这是一个自动频率搜索环路的结构图。时钟频率检测并不需要检测实际的时钟频率，而是通过自动频率搜索控制模块产生一系列不同的频率定位系数(vcoB)，根据不同的系数得到不同的系统时钟(vcoout)频率，检测当前系统时钟(vcoout)相对参考时钟(refclk)的频率比例是否大于用户设定的分频系数，如果两者的比例小于用户设定的分频系数，那么认为系统时钟(vcoout)是一个未达到目标频率的时钟，需要调整压控振荡器的电压，即需要一个更大的频率定位系数(vcoB)以加快系统时钟(vcoout)的频率。频率搜索环路采用刺激法，产生一系列频率搜索系数，例如产生一系列从小逐渐增大系数，逐次增加压控振荡器输入电压，使系统时钟(vcoout)频率逐渐增大，直到系统时钟(vcoout)频率大于参考时钟(refclk)乘以分频系数。当判断出最合适的系数在已测试的系数里的时候，从这些系数里面找出来，作为最终的频率定位系数(vcoB)，然后关闭频率搜索，打开相位检测继续调整系统时钟(vcoout)频率和相位。相对于相位检测调整，自动频率搜索定位是通过检测两个时钟的频率比例，以最快速的办法来自动搜索最接近的频率。

直接检测系统时钟(vcoout)和参考时钟(refclk)频率比例的频率比较器可以判断系统时钟(vcoout)频率是否达到目标频率，如果输出频率在目标频率以下，则频率自动搜索环路会自动通过频率控制器，产生一个更大的频率搜索定位系数(vcoB)，以控制压控振荡器输出一个更高频率的系统时钟(vcoout)，直到输出频率大于目标频率。实际设计需要输出频率最接近目标频率。不同的频率搜索定位系数(vcoB)对应不同的输出频率，以表达式f(vcoB)表示，当vcoB＝1时压控振荡器的输出频率f(1)，vcoB＝2时压控振荡器输出频率f(2)。为了找到最接近目标频率的设置，需要找到满足以下条件的vcoB：

f(vcoB-0.5)＜目标频率＜f(vcoB+0.5)

为减小系数的量化误差，通过插值法计算每两个系数之间的虚拟系数(vcoB-0.5，vcoB+0.5…)对应的系统频率，为简化设计，做以下近似：

f(vcoB-0.5)＝(f(vcoB-1)+f(vcoB))/2，

f(vcoB+0.5)＝(f(vcoB)+f(vcoB+1))/2。

根据以上表达式，可以通过比较相邻两个频率定位系数(vcoB)对应的频率平均值找到中间的频率，再跟目标频率比较，就可以找到最接近目标频率的频率定位系数(vcoB)了。找到最终的频率定位系数(vcoB)以后，再把频率搜索关闭，已定位系数(vcoB)不再改变。在此基础上再打开相位检测的调整模式。自动频率搜索环路关闭以后，在当前频率定位系数(vcoB)配置的基础上，通过相位检测，微调压控振荡器的输入电压，这样很快就把输出频率锁到了目标频率。

模式切换控制器控制系统时钟(vcoout)频率搜索和调整步骤的切换。如图3所示，系统可以工作在相位检测调整系统时钟(vcoout)频率模式，也可以切换到快速自动频率搜索模式搜索合适的系统时钟(vcoout)。当系统上电以后，为了尽快定位系统时钟(vcoout)到目标频率，控制器把锁相环切换到自动频率搜索模式，这个时候压控振荡器的输入仅仅是频率搜索环路产生的频率定位系数(vcoB)，输出频率与此对应的系统时钟(vcoout)。当系统时钟(vcoout)的频率自动定位以后，控制器就要把系统切换回相位检测调整系统频率，压控振荡器输入电压将在当前配置下根据相位差异微调这个控制电压，精确调整系统时钟(vcoout)输出频率和相位。在频率自动搜索的时候，频率搜索定位控制模块产生一系列测试系数，比如可以从小到大刺激测试，如图4所示，频率搜索定位系数(vcoB)从1开始往上逐渐增加，系统时钟(vcoout)的频率根据频率搜索定位系数(vcoB)的值从慢到快往上逐渐增加。频率比较器一直检测系统时钟(vcoout)每2个系数中间插值点(N-0.5)的频率和参考时钟(refclk)频率的比例，当这个比例超过分频系数，假设这个时候vcoB＝N，那么vcoB＝N-1的时候是系统时钟(vcoout)离目标频率最近的设定值。这样系统再在这个频率的基础上，切换到相位检测调整系统时钟(vcoout)的频率。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims

1.一种锁相环快速频率定位的装置，其设置于锁相环中，其特征在于，该装置包括：

2.根据权利要求1所述的锁相环，其特征在于，所述频率比较器采用两个计数器同时对参考时钟和系统时钟计数，当参考时钟计数到一设定值时，再读取系统时钟的计数值，比较该这两个计数值和一设定锁相环分频系数，以判断当前系统时钟是过快或过慢。或者可通过将两个时钟经过不同的分频器，产生两个频率非常接近的时钟，再通过相位比较判断当前系统时钟是过快或过慢。

3.根据权利要求1所述的锁相环，其特征在于，所述频率自动搜索控制器是基于频率定位系数和系统时钟频率是单调对应关系的前提，根据频率比较器的判断结果产生一系列不同的测试系数，并通过刺激作用使锁相环输出相应的一系列系统时钟，其后从一系列测试系数中搜选一个理想系数作为频率定位系数。

4.根据权利要求1所述的锁相环，其特征在于，所述模式切换控制器是在频率自动搜索过程结束以后，且系统时钟频率被定位到一个最接近用户设定的目标频率时，将频率自动搜索控制器关闭，并锁相环切换到相位检测调整频率和相位模式。

5.一种锁相环快速频率定位的方法，其特征在于，该方法为：

6.如权利要求5所述的锁相环快速频率定位的方法，其特征在于，该方法具体为：

采用两个计数器同时对参考时钟和系统时钟计数，当参考时钟计数到一设定值时，再读取系统时钟的计数值，比较该这两个计数值和一设定锁相环分频系数，以判断当前系统时钟是过快或过慢；或者，通过将两个时钟经过不同的分频器，产生两个频率非常接近的时钟，再通过相位比较判断当前系统时钟是过快或过慢。

7.如权利要求5所述的锁相环快速频率定位的方法，其特征在于所述锁相环分频系数和频率扫描定位系数的比特数包括所有的位宽。

8.如权利要求5所述的锁相环快速频率定位的方法，其特征在于，所述频率自动搜索控制器是采用包括从小到大或者从大到小穷举法以及逐次逼近法在内的刺激算法搜选出理想系数的。