锁相环路已在模拟和数字通信及无线电电子学等各个领域中得到了极为广泛的应用，特别是在数字通信的调制解调和位同步中常常要用到各种各样的锁相环。锁相就是利用输入信号与输出信号之间的相位误差自动调节输出相位使之与输入相位一致，或保持一个很小的相位差。 全数字锁相环路（Digital Phase-Locked Loop, DPLL）是现代电子系统中的关键组件，尤其在数字通信、无线电电子以及单片机设计中扮演着重要角色。它通过比较输入信号与输出信号的相位误差，自动调节输出信号的相位，使其与输入信号保持一致或相差极小，从而实现频率同步。锁相环路的核心功能在于提供精确的时钟信号，这对于调制解调和位同步至关重要。 传统的锁相环路由模拟电路组成，但随着数字集成电路技术的发展，全数字锁相环路应运而生。全数字锁相环路的主要组成部分包括数字鉴相器（DPD）、数字环路滤波器（DLF）和数控振荡器（DCO）。这些组件全部采用数字逻辑实现，提高了环路的稳定性和精度，同时也具有更高的灵活性和可编程性。 在具体设计中，一个典型的全数字锁相环路架构可能包括以下部分： 1. **数字鉴相器**：通常由异或门或其他逻辑门电路构成，用来检测输入信号IN64和输出信号OUT64之间的相位差。鉴相器的输出ud是一个占空比为50%的方波，表示输入和输出信号处于锁定状态，即相位差为90°。在VHDL等硬件描述语言中，可以编写代码来实现鉴相器的功能。 2. **数字环路滤波器**：通常由可逆计数器实现，根据鉴相器的输出ud控制计数方向。在ud为0时进行加计数，ud为1时进行减计数。环路滤波器的模数可以通过预置的输入端进行设置，提供不同范围的滤波特性。 3. **数控振荡器**：由加/减脉冲控制器和模N计数器组成，根据环路滤波器的输出调整输出信号的相位。通过改变计数器的分频系数，可以得到不同频率的输出信号，如64kHz、56kHz和16kHz。 在上述示例中，环路的中心频率f0为64kHz，由晶振电路提供。模H计数器将高频时钟Mf0分频为2Nf0，进而驱动整个锁相环。当环路锁定时，通过适当选择环路参数M、N和P，可以得到所需的各种输出频率。 例如，对于上述设计，M=224，N=14，P=16，这样就可以通过分频得到64kHz、56kHz和16kHz的输出。在环路未锁定时，鉴相器的输出ud会驱动环路滤波器和数控振荡器调整输出相位，直至达到锁定状态。 全数字锁相环路通过高度集成的数字电路实现了相位误差的精确控制，能够灵活适应各种通信系统的需求。在FPGA平台上，这种可编程能力使得设计者可以快速调整和优化锁相环的性能，满足特定应用场合的时钟同步要求。在本文提到的无线通信实验系统中，利用FPGA的剩余资源实现的全数字锁相环成功地为FSK、DPSK、QAM调制解调器提供了多种频率的精确时钟信号，展示了其在实际应用中的价值。

在数字信号处理领域，锁相放大技术是一种用于提取微弱信号的常用方法，尤其适用于存在大量噪声的复杂环境。本文介绍了一种基于现场可编程门阵列（FPGA）的数字锁相放大器的设计，该设计能够有效地从噪声中提取出有用的微弱信号。主要特点包括利用分布式算法实现数字低通滤波器，有效缓解了乘法器资源紧张的问题。 锁相放大器是一种同步相干检测器，它通过与参考信号的相关性来提高信号的信噪比。在强噪声干扰中，由于有用信号通常淹没在噪声中，传统的模拟信号处理方法难以有效提取信号。而锁相放大技术通过锁定特定频率的信号，过滤掉其他频率的噪声，从而实现信号的提取。 设计中的数字锁相放大器由以下几个主要部分构成：移相器、相关检测器、低通滤波器和矢量运算。移相器根据参考信号的频率将接收信号延迟半个周期，达到90度的移相效果。之后，相关检测器将移相后的信号与接收信号进行乘法操作，再通过低通滤波器处理以提取有用信号。在数字部分，主要利用FPGA实现，这对于硬件资源的分配和时序控制提出了更高的要求。 由于FPGA内乘法器资源有限，本文采用了分布式算法，该算法使用查找表（LUT）和移位寄存器代替乘法器，可以有效地节省硬件资源。分布式算法通过预先计算二进制位的所有累加组合并将其存储在LUT中，再通过移位操作和加法运算实现乘法累加运算。这种方法在FPGA设计中广泛使用，既节省了硬件资源，又满足了时序要求。 系统总体框图中的数字锁相放大器部分，具体包括移相器、相关检测器、低通滤波器和矢量运算模块。接收的模拟信号首先通过天线前置放大和AD转换，之后进入FPGA进行数字信号处理。通过移相器对信号进行90度的相位移动，然后与参考信号进行相关性检测，从而实现信号的提取。低通滤波器负责过滤掉高频率的噪声，提取出有用信号。矢量运算则根据信号的相位和幅度进行相关计算，最终得到信噪比提高后的信号。 在FPGA实现过程中，需要考虑到硬件资源和理论设计之间的差异。设计人员通过分布式算法有效解决了FPGA内部乘法器资源紧缺的问题，这对于实际应用具有重要的意义。 本设计采用的FIR滤波器是利用Matlab中的滤波器设计工具fdatool进行设计的，其参数设定了通带范围和滤波器的阶数。滤波器的理想幅频响应曲线为设计提供了直观的参考。数字滤波器的结构框图展示了其由M位移位寄存器、LUT查找表和加减运算部分组成。这种结构使得滤波器在处理信号时能够更加灵活和高效。 基于FPGA的数字锁相放大器的设计是微弱信号检测领域的一项创新技术，它不仅提高了信号处理的精确度，而且优化了硬件资源的使用。通过应用分布式算法，它解决了FPGA内部资源紧张的问题，并通过数字低通滤波器有效地提高了信噪比。这些技术的进步对于未来的测井技术及其他应用领域具有重要的推动作用。

内容概要：本文详细介绍了基于AC7020 FPGA的数字锁相放大器电路设计及其在高精度TDLAS技术中的应用。首先展示了电路图的设计思路，采用24位Δ-Σ ADC进行高速采样，并利用FPGA内部的DSP48单元实现高效的混频运算。接着阐述了核心算法的Verilog代码实现，包括相位累加器的设计以及频率跟踪机制。随后讨论了低通滤波器的设计，采用了CIC+FIR级联结构，有效提高了信噪比并降低了带外干扰。最后解决了时钟抖动的问题，确保系统的稳定性和性能指标。 适合人群：从事FPGA开发、信号处理、光学传感领域的工程师和技术研究人员。 使用场景及目标：适用于需要高精度信号处理的应用场合，如气体检测、光谱分析等。目标是提高系统的动态储备、降低相位噪声、减少功耗，从而提升整体性能。 其他说明：文中提到的技术细节对于理解和优化类似系统具有重要参考价值，特别是关于硬件设计和软件编程方面的技巧。

基于AC7020 FPGA的数字锁相放大器电路设计及其在高精度TDLAS技术中的应用。首先展示了电路图的设计思路，采用24位Δ-Σ ADC进行高速采样，并利用FPGA内部的DSP48单元实现高效的混频处理。接着深入探讨了核心算法的Verilog代码实现，特别是相位累加器的设计细节，确保了极高的频率分辨率。此外，文章还讨论了低通滤波器的设计，采用了CIC+FIR级联结构，有效提升了信噪比。最后，解决了时钟抖动的问题，通过优化时钟分配和布局约束，实现了稳定的性能表现。最终测试结果显示，该设计达到了120dB的动态储备和-145dBc/Hz的相位噪声，功耗仅为2.3W。 适合人群：从事FPGA开发、信号处理以及光学传感领域的工程师和技术研究人员。 使用场景及目标：适用于需要高精度信号处理的应用场合，如气体检测、工业自动化等领域。目标是提高系统的稳定性和灵敏度，降低功耗。 其他说明：文中提到的技术细节和解决方案对提升锁相放大器的性能具有重要参考价值，特别是在应对复杂工业环境方面表现出色。

内容概要：本文详细介绍了基于AC7020 FPGA的数字锁相放大器电路设计及其在高精度TDLAS（可调谐二极管激光吸收光谱）技术中的应用。首先阐述了TDLAS技术和锁相放大器之间的关系，强调锁相放大器在提高信号信噪比方面的重要作用。接着讨论了AC7020 FPGA的特点和优势，如丰富的逻辑资源和高速数据处理能力。随后，文章深入探讨了电路的关键组成部分，包括信号输入模块、参考信号生成模块以及乘法器与低通滤波器模块的具体实现细节。此外，还分享了一些实际设计中的经验和技巧，如时钟抖动处理、混频环节的定点数处理、CIC滤波器的级联配置、CORDIC算法的使用等。最终展示了该设计方案的实际效果，如动态储备、相位噪声、功耗等方面的表现。 适合人群：从事光学测量、气体检测等领域研究的技术人员，尤其是对FPGA开发有一定基础的研究者。 使用场景及目标：适用于需要高精度信号处理的TDLAS系统开发项目，旨在提高检测精度并减少噪声干扰。 其他说明：文中不仅提供了详细的理论解释和技术细节，还包括了许多实用的设计经验，有助于读者更好地理解和应用相关技术。

本文简要介绍了在FPGA中实现全数字锁相环(DPLL)的原理与方法，以解决在同步串行数据通信时的同步时钟不稳定时的快速恢复问题； 并重点介绍了采用可控模数分频器实现的数字锁相环中宽频带捕获的方法与实现过程。

内容：二阶数字锁相环的FPGA实现工程文件 仿真平台：Vivado 2018.3 各模块：数字鉴相器（乘法器+低通滤波器），环路滤波器，压控振荡器 主要使用IP核：Multiplier，FIR Compiler，dds_compiler 注：仿真时，testbench文件中，输入数据文件目录：$readmemb("D:/FPGA_Project/04_FSK_System/PllTwoOrder/din.txt", memory); 改成自己电脑对应文本文件的目录

文档是基于FPGA的数字锁相环设计，实现了高精度的时钟输出以及快速锁定

基于FPGA的数字锁相环源代码文件，已验证成功。数字锁相环不仅吸收了数字电路可靠性高、体积小、价格低等优点，还解决了模拟锁相环的直流零点漂移、器件饱和及易受电源和环境温度变化等缺点，此外还具有对离散样值的实时处理能力，已成为锁相技术发展的方向。

附件是数字PLL的MATLAB仿真源码，可以仿真BPSK、QPSK的DPLL 附件是数字PLL的MATLAB仿真源码，可以仿真BPSK、QPSK的DPLL