随着数字电路技术的发展，数字锁相环在调制解调、频率合成、FM 立体声解码、彩色副载波同步、图象处理等各个方面得到了广泛的应用。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。
所谓数字PLL，就是指应用于数字系统的PLL，也就是说数字PLL中的各个模块都是以数字器件来实现的，是一个数字的电路。 数字锁相环的优点是电路最简单有效,可采用没有压控的晶振,降低了成本,提高了晶振的稳定性。但缺点是和模拟锁相环一样,一旦失去基准频率,输出频率立刻跳回振荡器本身的频率;另外还有一个缺点,就是当进行频率调整的时候，输出频率会产生抖动，频差越大，抖动会越大于密，不利于某些场合的应用。随着大规模、超高速的数字集成电路的发展，为数字锁相环路的研究与应用提供了广阔空间。由于晶体振荡器和数字调整技术的加盟，可以在不降低振荡器的频率稳定度的情况下，加大频率的跟踪范围，从而提高整个环路工作的稳定性与可靠性。
锁相环是一个相位反馈控制系统，在数字锁相环中，由于误差控制信号是离散的数字信号，而不是模拟电压，因而受控的输出电压的改变是离散的而不是连续的;此外，环路组成部件也全用数字电路实现，故而这种锁相环就称之为全数字锁相环(简称PLL)。全数字锁相环主要由数字鉴相器、可逆计数器、频率切换电路及N分频器四部分组成。其中可逆计数器及N分频器的时钟由外部晶振提供。不用VCO，可大大减轻温度及电源电压变化对环路的影响。同时，采用在系统可编程芯片实现有利于提高系统的集成度和可靠性。
一阶全数字锁相环主要由鉴相器、K变模可逆计数器、脉冲加减电路和除N计数器四部分构成。K变模计数器和脉冲加减电路的时钟分别为Mfc和2Nfc。这里fc是环路中心频率，一般情况下M和N都是2的整数幂。本设计中两个时钟使用相同的系统时钟信号。
当环路失锁时，异或门鉴相器比较输入信号(fin)和输出信号(fout)之间的相位差异，并产生K变模可逆计数器的计数方向控制信号(dnup)； K变模可逆计数器根据计数方向控制信号(dnup)调整计数值，dnup为高进行减计数，并当计数值到达0时，输出借位脉冲信号(borrow)；为低进行加计数，并当计数值达到预设的K模值时，输出进位脉冲信号(carryo)；脉冲加减电路则根据进位脉冲信号(carryo)和借位脉冲信号(borrow)在电路输出信号(idout)中进行脉冲的增加和扣除操作，来调整输出信号的频率；重复上面的调整过程，当环路进入锁定状态时，异或门鉴相器的输出se为一占空比50%的方波，而K变模可逆计数器则周期性地产生进位脉冲输出carryo和借位脉冲输出borrow，导致脉冲加减电路的输出idout周期性的加入和扣除半个脉冲。这样对于输出的频率没有影响，也正是基于这种原理，可以把等概率出现的噪声很容易的去掉。
全数字锁相环的verilog源代码,仿真已通过
module dpll(reset,clk,signal_in,signal_out,syn);
parameter para_K=4;
parameter para_N=16;
input reset;
input clk;
input signal_in;
output signal_out;
output syn;
reg signal_out;
reg dpout;
reg delclk;
reg addclk;
reg add_del_clkout;
reg [7:0]up_down_cnt;
reg [2:0]cnt8;
reg [8:0]cnt_N;
reg syn;
reg dpout_delay;
reg [8:0]cnt_dpout_high;
reg [8:0]cnt_dpout_low;
/******phase detector*****/
always@(signal_in or signal_out)
begin
dpout<=signal_in^signal_out;
end
/******synchronization establish detector*****/
always@(posedge clk or negedge reset)
begin
if(!reset) dpout_delay<='b0;
else dpout_delay<=dpout;
end
always@(posedge clk or negedge reset)
begin
if(!reset)
begin
cnt_dpout_high<='b0; cnt_dpout_low<='b0;
end
else if(dpout)
if(dpout_delay==0) cnt_dpout_high<='b0;
else
if(cnt_dpout_high==8'b11111111) cnt_dpout_high<='b0;
else cnt_dpout_high<=cnt_dpout_high+1;
else if(!dpout)
if(dpout_delay==1) cnt_dpout_low<='b0;
else
if(cnt_dpout_low==8'b11111111) cnt_dpout_low<='b0;
else cnt_dpout_low<=cnt_dpout_low+1;
end
always@(posedge clk or negedge reset)
begin
if(!reset) syn<='b0;
else if((dpout&&!dpout_delay)||(!dpout&&dpout_delay))
if(cnt_dpout_high[8:0]-cnt_dpout_low[8:0]<=4||cnt_dpout_low[8:0]-cnt_dpout_high[8:0]<=4) syn<='b1;
else syn<='b0;
end
/****up down couter with mod=K****/
always@(posedge clk or negedge reset)
begin
if(!reset)
begin
delclk<='b0;
addclk<='b0;
up_down_cnt<='b00000000;
end
else
begin
if(!dpout)
begin
delclk<='b0;
if(up_down_cnt==para_K-1)
begin
up_down_cnt<='b00000000;
addclk<='b0;
end
else
begin
up_down_cnt<=up_down_cnt+1;
addclk<='b0;
end
end
else
begin
addclk<='b0;
if(up_down_cnt=='b0)
begin
up_down_cnt<=para_K-1;
delclk<='b0;
end
else
if(up_down_cnt==1)
begin
delclk<='b1;
up_down_cnt<=up_down_cnt-1;
end
else
up_down_cnt<=up_down_cnt-1;
end
end
end
/******add and delete clk*****/
always@(posedge clk or negedge reset)
begin
if(!reset)
begin
cnt8<='b000;
end
else
begin
if(cnt8=='b111)
begin
cnt8<='b000;
end
else
if(addclk&&!syn)
begin
cnt8<=cnt8+2;
end
else
if(delclk&&!syn)
cnt8<=cnt8;
else
cnt8<=cnt8+1;
end
end
always@(cnt8 or reset)
begin
if(!reset)
add_del_clkout<='b0;
else
add_del_clkout<=cnt8[2];
end
/******counter with mod=N******/
always@(posedge add_del_clkout or negedge reset)
begin
if(!reset)
begin
cnt_N<='b0000;
signal_out<='b0;
end
else
begin
if(cnt_N==para_N-1)
begin
cnt_N<='b0000;
signal_out<='b0;
end
else
if(cnt_N==(para_N-1)/2)
begin
signal_out<='b1;
cnt_N<=cnt_N+1;
end
else
cnt_N<=cnt_N+1;
end
end
endmodule
DPLL由 鉴相器 模K加减计数器 脉冲加减电路 同步建立侦察电路 模N分频器 构成.
整个系统的中心频率(即signal_in和signal_out的码速率的2倍)
为clk/8/N. 模K加减计数器的K值决定DPLL的精度和同步建立时间,K越大,则同步建立时间长,同步精度高.反之则短,低.