DPLL结构及工作原理主要由鉴相器、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。鉴相器常用的鉴相器有两种类型：异或门(XOR)鉴相器和边沿控制鉴相器(ECPD)，本设计中采用异或门(XOR)鉴相器。异或门鉴相器比较输入信号Fin相位和输出信号Fout相位之间的相位差Фe=Фin-Фout，并输出误差信号Se作为K变模可逆计数器的计数方向信号。环路锁定时，Se为一占空比50%的方波，此时的绝对相为差为90°。因此异或门鉴相器相位差极限为±90°。

K变模可逆计数器K变模可逆计数器消除了鉴相器输出的相位差信号Se中的高频成分，保证环路的性能稳定。K变模可逆计数器根据相差信号Se来进行加减运算。当Se为低电平时，计数器进行加运算，如果相加的结果达到预设的模值，则输出一个进位脉冲信号CARRY给脉冲加减电路；当Se为高电平时，计数器进行减运算，如果结果为零，则输出一个借位脉冲信号BORROW给脉冲加减电路。 脉冲加减电路脉冲加减电路实现了对输入信号频率和相位的跟踪和调整，最终使输出信号锁定在输入信号的频率和信号上。除N计数器除N计数器对脉冲加减电路的输出IDOUT再进行N分频，得到整个环路的输出信号Fout。同时，因为fc=IDCLOCK/2N，因此通过改变分频值N可以得到不同的环路中心频率fc。

DPLL部件的设计实现了解了DPLL的工作原理，我们就可以据此对DPLL的各部件进行设计。DPLL的四个主要部件中，异或门鉴相器和除N计数器的设计比较简单：异或门鉴相器就是一个异或门；除N计数器则是一个简单的N分频器。下面主要介绍K变模可逆计数器和脉冲加减电路的设计实现。K变模可逆计数器的设计实现K变模可逆计数器模块中使用了一个可逆计数器Count，当鉴相器的输出信号dnup为低时，进行加法运算，达到预设模值则输出进位脉冲carry；为高时，进行减法运算，为零时，输出借位脉冲BORROW。Count的模值Ktop由输入信号Kmode预设，一般为2的整数幂，这里模值的变化范围是23-29。模值的大小决定了DPLL的跟踪步长，模值越大，跟踪步长越小，锁定时的相位误差越小，但捕获时间越长；模值越小，跟踪步长越大，锁定时的相位误差越大，但捕获时间越短。K变模可逆计数器的VERILOG设计代码如下(其中作了部分注释，用斜体表示)： module KCounter(Kclock，reset，dnup，enable， Kmode，carry，borrow);input Kclock; /系统时钟信号/input reset; /全局复位信号/input dnup; /鉴相器输出的加减控制信号/input enable; /可逆计数器计数允许信号/input [2:0]Kmode; /计数器模值设置信号/output carry; /进位脉冲输出信号/output borrow; /借位脉冲输出信号/reg [8:0]Count; /可逆计数器/reg [8:0]Ktop; /预设模值寄存器//根据计数器模值设置信号Kmode来设置预设模值寄存器的值/always @(Kmode)begincase(Kmode)3'b001:Ktop<=7;3'b010:Ktop<=15;3'b011:Ktop<=31;3'b100:Ktop<=63;3'b101:Ktop<=127;3'b110:Ktop<=255;3'b111:Ktop<=511;default:Ktop<=15;endcaseend /根据鉴相器输出的加减控制信号dnup进行可逆计数器的加减运算/always @(posedge Kclock or posedge reset)beginif(reset)Count<=0; else if(enable)beginif(!dnup)beginif(Count==Ktop)Count<=0;elseCount<=Count+1;end elsebeginif(Count==0)Count<=Ktop;elseCount<=Count-1;endendend /输出进位脉冲carry和借位脉冲borrow/assign carry=enable&(!dnup) &(Count==Ktop);assign borrow=enable&dnup& (Count==0);endmodule

脉冲加减电路的设计实现脉冲加减电路完成环路的频率和相位调整，可以称之为数控振荡器。当没有进位/借位脉冲信号时，它把外部参考时钟进行二分频；当有进位脉冲信号CARRY时，则在输出的二分频信号中插入半个脉冲，以提高输出信号的频率；当有借位脉冲信号BORROW时，则在输出的二分频信号中减去半个脉冲，以降低输出信号的频率。VERILOG设计代码如下：module IDCounter(IDclock，reset，inc，dec，IDout);input IDclock; /系统时钟信号/input reset; /全局复位信号/input inc; /脉冲加入信号/input dec; /脉冲扣除信号/output IDout; /调整后的输出信号/wire Q1, Qn1, Q2, Qn2, Q3, Qn3;wire Q4, Qn4, Q5, Qn5, Q6, Qn6;wire Q7, Qn7, Q8, Qn8, Q9, Qn9;wire D7, D8; FFD FFD1(IDclock, reset, inc, Q1, Qn1);FFD FFD2(IDclock, reset, dec, Q2, Qn2); FFD FFD3(IDclock, reset, Q1, Q3, Qn3);FFD FFD4(IDclock, reset, Q2, Q4, Qn4); FFD FFD5(IDclock, reset, Q3, Q5,Qn5);FFD FFD6(IDclock, reset, Q4, Q6,Qn6);assign D7=((Q9 & Qn1 & Q3) | (Q9 & Q5 & Qn3));assign D8=((Qn9 & Qn2 & Q4) | (Qn9 & Q6 & Qn4));FFD FFD7(IDclock, reset, D7, Q7, Qn7 );FFD FFD8(IDclock, reset, D8, Q8, Qn8);JK FFJK(IDclock, reset, Qn7, Qn8, Q9, Qn9);assign IDout = (!Idclock)|Q9;endmodule其中，FFD为D触发器，JK为JK触发器。当环路的四个主要部件全部设计完毕，我们就可以将他们连接成为一个完整的DPLL，进行仿真、综合、验证功能的正确性。

DPLL的FPGA实现本设计中的一阶DPLL使用XILINX公司的FOUNDATION4.1软件进行设计综合，采用XILINX的SPARTAN2系列的XC2S15 FPGA器件实现，并使用Modelsim5.5d软件进行了仿真。结果表明：本设计中DPLL时钟可达到120MHz，性能较高；而仅使用了87个LUT和26个触发器，占用资源很少。下面给出详细描述DPLL的工作过程。(1) 当环路失锁时，异或门鉴相器比较输入信号(DATAIN)和输出信号(CLOCKOUT)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)；(2) 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(CARRY)；(3) 脉冲加减电路则根据进位脉冲信号(CARRY)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；(4) 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DNUP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CARRY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．