CN106788424A - 一种基于频率比较的锁定指示器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于频率比较的锁定指示器，包括：波形调整单元，用于将参考时钟和VCO时钟分别整形为占空比为50％的整形参考时钟和整形VCO时钟；边沿鉴频器，用于将该整形参考时钟和整形VCO时钟进行频率比较，并输出频率误差脉冲；锁定指示产生单元，用于在该频率误差脉冲控制下对该整形参考时钟进行计数，并将计数输出进行与运算得到锁定指示信号，本发明通过采用纯数字电路实现锁定指示器的功能，具有覆盖频率范围广、码率低以及可准确设置锁定时频率的误差范围的优点。

Description

一种基于频率比较的锁定指示器
技术领域
本发明涉及一种锁定指示器，特别是涉及一种基于频率比较的锁定指示器。
背景技术
传统相位比较方式的锁定指示器如图1所示，两个时钟CLK1和CLK2O经过鉴频鉴相器(PFD)，输出U和D信号，再经过一个或门，此时或门的输出(Y)占空比表示CLK1和CLK2O的相位差。这个信号经过一个低通滤波器后，与参考电压VREF比较。如果CLK1与CLK2O的相位差比较大，Y的占空比就会较大，经过滤波器后输出电压(VIN)会比较高，如果VIN>VREF，那么锁定指示器输出低；如果CLK1与CLK2O相位接近，VIN<VREF，那么锁定指示器输出高。根据实际情况选取合适的VREF，可以调整锁定指示器的精度。
然而，通过上述这种方式实现锁定指示器功能有以下几个问题：
1、滤波器只能针对特定频率设计，不能覆盖所有频段。
2、通过相位判断锁定，误码率高。
3、需要其它电路来产生VREF电压。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种基于频率比较的锁定指示器，其通过采用纯数字电路实现锁定指示器的功能，具有覆盖频率范围广、码率低以及可准确设置锁定时频率的误差范围的优点。
为达上述及其它目的，本发明提出一种基于频率比较的锁定指示器，包括：
波形调整单元，用于将参考时钟(CLKREF)和VCO时钟(CLKVCO)分别整形为占空比为50％的整形参考时钟(CLK1)和整形VCO时钟(CLK2O)；
边沿鉴频器，用于将该整形参考时钟(CLK1)和整形VCO时钟(CLK2O)进行频率比较，并输出频率误差脉冲(VOUT)；
锁定指示产生单元，用于在该频率误差脉冲控制下对该整形参考时钟(CLK1)进行计数，并将计数输出进行与运算得到锁定指示信号。
进一步地，该波形调整单元将输入波形的占空比调整为50％，同时不改变该整形参考时钟(CLK1)和整形VCO时钟(CLK2O)的频率之比。
进一步地，该波形调整单元利用偶数个D触发器将输入波形的占空比调整为50％。
进一步地，该波形调整单元至少包括第一D触发器(D1)与第二D触发器(D2)，该参考时钟(CLKREF)和VCO时钟(CLKVCO)分别连接第一D触发器(D1)、第二D触发器(D2)的时钟输入端，该第一D触发器(D1)、第二D触发器(D2)的反相输出端分别连接各自的数据输入端，该整形参考时钟(CLK1)和整形VCO时钟(CLK2O)分别从该第一D触发器(D1)、第二D触发器(D2)的同相输出端输出并输出至该边沿鉴频器。
进一步地，该边沿鉴频器在该整形参考时钟(CLK1)和整形VCO时钟(CLK2O)的频率不同时输出频率误差脉冲(VOUT)，频率相差越大，频率误差脉冲频率越高。
进一步地，该边沿鉴频器包括奇数个反相器、两路D触发器和一异或门。
进一步地，该边沿鉴频器包括一反相器、第三D触发器(D3)、第四D触发器(D4)以及异或门(X1)，该波形调整单元输出的整形参考时钟(CLK1)一路连接至该第三D触发器(D3)的时钟输入端，另一路经该反相器反相后得到反相整形参考时钟，该反相整形参考时钟连接至该第四D触发器(D4)的时钟输入端，该整形VCO时钟(CLK2O)连接至该第三D触发器(D3)、第四D触发器(D4)的数据输入端，该第三D触发器、第四D触发器的同相输出端连接至该异或非门(X1)的输入端，该频率误差脉冲(VOUT)从该异或非门(X1)的输出端输出至该锁定指示产生单元。
进一步地，该锁定指示产生单元包括n计数器、n输入与门以及锁存D触发器。
进一步地，该n计数器为带有重置功能的计数单元，如果其重置端R始终没有脉冲信号，那么计数器正常计数，经过n个整形参考时钟(CLK1)的周期后输出锁定指示信号变为高，此后即使重置端R有脉冲信号，输出不再变化；如果在正常计数过程中，少于n个整形参考时钟(CLK1)的周期内重置端R出现脉冲，则计数重新从0开始。
进一步地，该锁定指示产生单元包括由n-1个D触发器(D6～D(5+n-1))级联组成的计数器、n输入与门(AND1)以及锁存D触发器(D5)组成，该边沿鉴频器输出的频率误差脉冲VOUT连接至D触发器(D6～D(5+n-1))的重置输入端R，该整形参考时钟(CLK1)还连接至D触发器(D6)的时钟输入端和n输入与门(AND1)的一输入端，该D触发器(D6)的同相输出端连接至该D触发器(D7)的时钟输入端，依次类推，该D触发器(D(5+n-2))的同相输出端连接至该D触发器(D(5+n-1))的时钟输入端，所有D触发器(D6～D(5+n-1))的反相输出端连接至各自的数据输入端，所有D触发器(D6～D(5+n-1))的同相输出端连接至该n输入与门(AND1)的n-1个输入端，n输入与门(AND1)的输出端连接至该锁存D触发器(D5)的时钟输入端，该锁存D触发器(D5)的数据输入端接电源或高电平，锁定指示信号从该锁存D触发器(D5)的同相输出端输出。
与现有技术相比，本发明一种基于频率比较的锁定指示器通过采用纯数字电路，实现锁定指示器的功能，本发明有如下优点：
1、只有数字电路，不存在滤波器，覆盖频率范围广。
2、通过频率判断锁定，误码率低。
3、不需要额外电路产生VREF。
4、可以准确设置锁定时频率的误差范围。
附图说明
图1为传统相位比较方式的锁定指示器的结构示意图；
图2为本发明一种基于频率比较的锁定指示器的结构示意图；
图3为本发明较佳实施例中波形调整单元10的结构示意图；
图4为本发明较佳实施例中边沿鉴频器20的结构示意图；
图5为本发明较佳实施例中锁定指示产生单元30的结构示意图；
图6为本发明中边沿鉴频器的时序图；
图7为本发明中锁定指示产生单元的计数器的时序图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图2为本发明一种基于频率比较的锁定指示器的结构示意图。如图2所示，本发明一种基于频率比较的锁定指示器包括波形调整单元10、边沿鉴频器20和计数器30。
波形调整单元10，由偶数个D触发器组成(图示为2个)，用于将参考时钟CLKREF和VCO时钟CLKVCO分别整形为占空比为50％的整形参考时钟CLK1和整形VCO时钟CLK2O；边沿鉴频器20，由奇数个反相器、两路D触发器和异或门组成，用于将整形参考时钟CLK1和整形VCO时钟CLK2O进行频率比较，并输出频率误差脉冲VOUT；锁定指示产生单元30，由n-1个D触发器级联组成的计数器、n输入与门以及锁存D触发器组成，用于在误差频率脉冲控制下对整形参考时钟CLK1进行计数，并将计数输出进行与运算得到锁定指示信号。
图3为本发明较佳实施例中波形调整单元10的结构示意图。如图3所示，波形调整单元10由偶数个D触发器组成(图示为2个)，参考时钟CLKREF和VCO时钟CLKVCO分别连接D触发器D1、D2的时钟输入端CLK，D触发器D1、D2的反相输出端QB分别连接各自的数据输入端D，整形参考时钟CLK1和整形VCO时钟CLK2O分别从D触发器D1、D2的同相输出端Q输出并输出至边沿鉴频器20。在此需说明的是，波形调整单元10将输入波形的占空比调整为50％，同时不改变CLK1与CLK2O的频率之比，图3中使用的二分频器只是一种可能的实现方法。
图4为本发明较佳实施例中边沿鉴频器20的结构示意图。边沿鉴频器20由奇数个反相器、两路D触发器和异或门组成，在本发明具体实施例中，边沿鉴频器20包括反相器INV1、D触发器D3、D4以及异或门X1，波形调整单元10输出的整形参考时钟CLK1一路连接至D触发器D3的时钟输入端CLK，另一路经反相器INV1反相后得到反相整形参考时钟CLK1B，反相整形参考时钟CLK1B连接至D触发器D4的时钟输入端CLK，整形VCO时钟CLK2O连接至D触发器D3、D4的数据输入端D，D触发器D3、D4的同相输出端连接至异或非门X1的输入端，频率误差脉冲VOUT从异或非门X1的输出端输出至锁定指示产生单元30，即边沿触发器会在整形参考时钟CLK1与整形VCO时钟CLK2O的频率不同时在VOUT输出脉冲，频率相差越大，脉冲频率越高
图5为本发明较佳实施例中锁定指示产生单元30的结构示意图。如图5所示，锁定指示产生单元30由n-1个D触发器级联组成的计数器(D6～D(5+n-1))、n输入与门AND1以及锁存D触发器D5组成。本发明中，锁定指示产生单元30中的n计数器是一个带有重置功能的计数单元，如果重置端R始终没有脉冲信号，那么计数器正常计数，经过n个CLK1的周期后输出LKDTR变为高，此后即使重置端R有脉冲信号，输出不再变化；如果在正常计数过程中，少于n个CLK1的周期内R出现脉冲，则计数重新从0开始。计数器可以有多种形式，图5只是给出其中一种结构，如图5所示，边沿鉴频器20输出的频率误差脉冲VOUT连接至D触发器D6～D(5+n-1)的重置输入端R，整形参考时钟CLK1还连接至由D触发器D6的时钟输入端CLK和n输入与门AND1的一输入端，D触发器D6的同相输出端连接至D触发器D7的时钟输入端CLK，……，D触发器D(5+n-2)的同相输出端连接至D触发器D(5+n-1)的时钟输入端CLK，D触发器D6～D(5+n-1)的反相输出端QB连接至各自的数据输入端D，D触发器D6～D(5+n-1)的同相输出端连接至n输入与门AND1的另n-1个输入端，n输入与门AND1的输出端连接至D触发器D5的时钟输入端CLK，D触发器D5的数据输入端接电源或高电平，锁定指示信号LKDTR从D触发器D5的同相输出端输出。
图6为本发明中边沿鉴频器的时序图。首先，两个时钟CLKREF和CLKVCO经过波形调整单元，被分别调整成两个占空比是50％的信号CLK1、CLK2O。然后，两个时钟CLK1与CLK2O进入边沿鉴频器，边沿鉴频器使用CLK1的上升沿和下降沿依次采集CLK2O的电平。如果CLK1与CLK2O的频率一致，那么采集出的结果将是0、1、0、1、……(交替出现的“0”和“1”)。如果CLK1和CLK2O频率不一致，输入与输出的时序图如图6所示。实线箭头处出现了“0、0”的代码(也有可能是“1、1”)，这时，VOUT将变为高，直到下一个交替序列出现(“0、1”或者“1、0”)，后再次变更为低。
图7为本发明中锁定指示产生单元的计数器的时序图。计数器按照输入端上升沿的数量，在输出端产生一个上升沿信号。这个上升沿的数目影响锁定指示器的精度。R是计数器的重置端(RESET)，只要R端输入高，计数器就将重新计数。一个n计数器的时序图如图7所示：
如果CLK1与CLK2O频率相同，边沿鉴频器的输出始终保持低，计数器正常计数，到达预定值后，LKDTR值为高，即为锁定；如果CLK1与CLK2O频率不同，那么边沿鉴频器会不断输出正向脉冲，计数器不断被重置，输出始终为低。
在锁相环(PLL)中，通常都以两个时钟的相位差小于某个值来作为锁定的标准。但是在一些条件下(例如电容漏电、电荷泵失配等等)即使内部处于稳定的锁定状态，相位差仍然维持在一个比较高的水平。这时，相位比较式的锁定指示器就会认为PLL没有锁定而失效。但是以频率作为判断手段却不受上述问题的制约。
另外，如果选取一个n计数器，那么只要在n个CLK1的周期内，R信号不为高，就将输出锁定。根据边沿鉴频器的工作原理，记CLK1的频率是f1，CLK2O的频率是f2，可以知道：
适当设置n就可以调整锁定时的频率精度。
本发明中，波形调整单元10由两个用作二分频器的DFF(D触发器)组成，输入端的两个D触发器对输入的信号做一次二分频，这样可以保证CLK1和CLK2O的占空比是50％；随后CLK1和CLK2O进入边沿鉴频器进行频率比较；根据计数器的位数来辨别CLKVCO和CLKREF的频率是否接近。由于此处经过了1个二分频单元，所以锁定精度是原先的一半，即：
其中fREF和fVCO分别是CLKREF和CLKVCO的频率，n是计数器计数总数。
可见，本发明一种基于频率比较的锁定指示器通过采用纯数字电路，实现锁定指示器的功能。与现有技术相比，本发明有如下优点：
1、只有数字电路，不存在滤波器，覆盖频率范围广。
2、通过频率判断锁定，误码率低。
3、不需要额外电路产生VREF。
4、可以准确设置锁定时频率的误差范围。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种基于频率比较的锁定指示器，包括：
波形调整单元，用于将参考时钟(CLKREF)和VCO时钟(CLKVCO)分别整形为占空比为50％的整形参考时钟(CLK1)和整形VCO时钟(CLK2O)；
边沿鉴频器，用于将该整形参考时钟(CLK1)和整形VCO时钟(CLK2O)进行频率比较，并输出频率误差脉冲(VOUT)；
锁定指示产生单元，用于在该频率误差脉冲控制下对该整形参考时钟(CLK1)进行计数，并将计数输出进行与运算得到锁定指示信号。
2.如权利要求1所述的一种基于频率比较的锁定指示器，其特征在于：该波形调整单元将输入波形的占空比调整为50％，同时不改变该整形参考时钟(CLK1)和整形VCO时钟(CLK2O)的频率之比。
3.如权利要求2所述的一种基于频率比较的锁定指示器，其特征在于：该波形调整单元利用偶数个D触发器将输入波形的占空比调整为50％。
4.如权利要求3所述的一种基于频率比较的锁定指示器，其特征在于：该波形调整单元至少包括第一D触发器(D1)与第二D触发器(D2)，该参考时钟(CLKREF)和VCO时钟(CLKVCO)分别连接第一D触发器(D1)、第二D触发器(D2)的时钟输入端，该第一D触发器(D1)、第二D触发器(D2)的反相输出端分别连接各自的数据输入端，该整形参考时钟(CLK1)和整形VCO时钟(CLK2O)分别从该第一D触发器(D1)、第二D触发器(D2)的同相输出端输出并输出至该边沿鉴频器。
5.如权利要求4所述的一种基于频率比较的锁定指示器，其特征在于：该边沿鉴频器在该整形参考时钟(CLK1)和整形VCO时钟(CLK2O)的频率不同时输出频率误差脉冲(VOUT)，频率相差越大，频率误差脉冲频率越高。
6.如权利要求5所述的一种基于频率比较的锁定指示器，其特征在于：该边沿鉴频器包括奇数个反相器、两路D触发器和一异或门。
7.如权利要求6所述的一种基于频率比较的锁定指示器，其特征在于：该边沿鉴频器包括一反相器、第三D触发器(D3)、第四D触发器(D4)以及异或门(X1)，该波形调整单元输出的整形参考时钟(CLK1)一路连接至该第三D触发器(D3)的时钟输入端，另一路经该反相器反相后得到反相整形参考时钟，该反相整形参考时钟连接至该第四D触发器(D4)的时钟输入端，该整形VCO时钟(CLK2O)连接至该第三D触发器(D3)、第四D触发器(D4)的数据输入端，该第三D触发器、第四D触发器的同相输出端连接至该异或非门(X1)的输入端，该频率误差脉冲(VOUT)从该异或非门(X1)的输出端输出至该锁定指示产生单元。
8.如权利要求7所述的一种基于频率比较的锁定指示器，其特征在于：该锁定指示产生单元包括n计数器、n输入与门以及锁存D触发器。
9.如权利要求8所述的一种基于频率比较的锁定指示器，其特征在于：该n计数器为带有重置功能的计数单元，如果其重置端R始终没有脉冲信号，那么计数器正常计数，经过n个整形参考时钟(CLK1)的周期后输出锁定指示信号变为高，此后即使重置端R有脉冲信号，输出不再变化；如果在正常计数过程中，少于n个整形参考时钟(CLK1)的周期内重置端R出现脉冲，则计数重新从0开始。
10.如权利要求9所述的一种基于频率比较的锁定指示器，其特征在于：该锁定指示产生单元包括由n-1个D触发器(D6～D(5+n-1))级联组成的计数器、n输入与门(AND1)以及锁存D触发器(D5)组成，该边沿鉴频器输出的频率误差脉冲VOUT连接至D触发器(D6～D(5+n-1))的重置输入端R，该整形参考时钟(CLK1)还连接至D触发器(D6)的时钟输入端和n输入与门(AND1)的一输入端，该D触发器(D6)的同相输出端连接至该D触发器(D7)的时钟输入端，依次类推，该D触发器(D(5+n-2))的同相输出端连接至该D触发器(D(5+n-1))的时钟输入端，所有D触发器(D6～D(5+n-1))的反相输出端连接至各自的数据输入端，所有D触发器(D6～D(5+n-1))的同相输出端连接至该n输入与门(AND1)的n-1个输入端，n输入与门(AND1)的输出端连接至该锁存D触发器(D5)的时钟输入端，该锁存D触发器(D5)的数据输入端接电源或高电平，锁定指示信号从该锁存D触发器(D5)的同相输出端输出。
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