可編程時(shí)鐘發(fā)生器及其應(yīng)用

摘要：美國(guó)CYPRESS公司的可編程時(shí)鐘發(fā)生器芯片ICD2053B的結(jié)構(gòu)和工作原理及其在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用。ICD2053B提供用戶可編程的鎖相環(huán)特性，輸出可改變型任何所期望的頻率值上（391kHz～100MHz）。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，利用ICD2053B所具有的動(dòng)態(tài)改變輸出頻率的能力，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的變頻率采樣，提高了系統(tǒng)的適用范圍和兼容性，給設(shè)計(jì)者提供了靈活的設(shè)計(jì)自由度。

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)具有通用性，可根據(jù)不同的數(shù)據(jù)采集對(duì)象，產(chǎn)生不同的采樣頻率；或者系統(tǒng)處于不同的運(yùn)動(dòng)情況時(shí)，能夠動(dòng)態(tài)改變采樣頻率，即數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有改變采樣頻率的能力。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一般都是固定頻率的數(shù)據(jù)采集，很難應(yīng)用于其它采樣頻率的場(chǎng)合。為了使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)適用于不同的場(chǎng)合，具有廣泛的適應(yīng)性，系統(tǒng)必須具有在線改變采樣頻率的方法。可編程時(shí)鐘發(fā)生器芯片ICD2053B提供了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)改變頻率的方法，其動(dòng)態(tài)時(shí)鐘輸出頻率范圍從391kHz到100MHz（TTL電平）或391kHz到90MHz（CMOS電平），具有較寬的頻率范圍，在系統(tǒng)中采用ICD2053B能很好地解決上述問題。ICD2053B提供完全用戶可編程的鎖相環(huán)特性，鎖相環(huán)振蕩器輸入由外部參考時(shí)鐘（1MHz～25MHz）或外部晶振（2MHz～24MHz）提供。其二線串行接口便于對(duì)輸出頻率進(jìn)行編程控制，具有三態(tài)輸出控制使能。5V供電、低功耗、小體積又使其適宜于功耗和空間要求高的應(yīng)用場(chǎng)合。它所具有的動(dòng)態(tài)改變輸出頻率的能力，給設(shè)計(jì)得提供了靈活的設(shè)計(jì)自由度。

1 ICD2053B的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 引腳功能表及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

ICD2053B的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，引腳功能如表1所示。

表1 ICD2503B引腳功能表

1.2 ICD2053B的寄存器

ICD2053B包含兩個(gè)寄存器：控制寄存器和編程寄存器。

這兩個(gè)寄存器使用協(xié)議字011110來區(qū)分是控制寄存器數(shù)據(jù)還是編程寄存器數(shù)據(jù)。所有要發(fā)送的其它數(shù)據(jù)（除協(xié)議字外）在連續(xù)3個(gè)1之后，不論原來其后的數(shù)值是1還是0必須插入一個(gè)0，來區(qū)分是協(xié)議字還是數(shù)據(jù)。所有要編程的串行字從最低位開始串行地移入，當(dāng)SCLK從低到高跳變時(shí)，將數(shù)據(jù)移入到可編程寄存器中。一旦協(xié)議字檢出后，前面已移入的8位數(shù)據(jù)就傳遞到控制寄存器中，然后控制命令立刻被執(zhí)行。

1.2.1 控制寄存器

當(dāng)要寫入的數(shù)據(jù)寫入到控制寄存器時(shí)，必須包含協(xié)議字011110，用來識(shí)別所寫入的數(shù)據(jù)為控制寄存器數(shù)據(jù)。

控制寄存器用來控制ICD2053B的非頻率特性設(shè)置，它是一個(gè)8位的寄存器，其含義如圖2所示。

控制寄存器數(shù)據(jù)的寫入從控制字的低位（位0）開始，一直到控制字的高位（位7），然后是6位的協(xié)議字寫入到寄存器中，故控制寄存器的設(shè)置其需14位數(shù)據(jù)。

在上電后，控制寄存器裝入缺省值00000100，即MUXREF控制位設(shè)置為1，強(qiáng)制CLKOUT輸出為參考頻率fREF，編程寄存器禁止裝入，芯片管腳7是輸出使能管腳。

1.2.2 編程寄存器

按照所需要的輸出頻率，將22位的編程字裝入到編程寄存器，用以實(shí)現(xiàn)輸出頻率的更改。由于協(xié)議字為011110，在傳送編程數(shù)據(jù)時(shí)，凡連續(xù)出現(xiàn)3個(gè)1，在其后便添一個(gè)“虛”0，以避免混淆；在接收端凡連續(xù)收到3個(gè)1，就將其后的零丟掉，故裝入的數(shù)據(jù)要完成“位填充”功能。由于這個(gè)原因，實(shí)際的編程字的長(zhǎng)度可以為22到27位。編程寄存器各字段含義如表2所示。

表2編程寄存器定義

可編程振蕩器的頻率fvco由下式確定：

fvco=2×fREF×(P+3)/(Q+2)

式中，fREF為參考頻率（1MHz～25MHz）。

Fvco的頻率值必須保證處在50MHz和150MHz之間。因此對(duì)于輸出頻率低于50MHz，fvco必須設(shè)法處于上述限制之內(nèi)，可通過復(fù)用（M）字段的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)該功能，M初值為000。首先將所希望的輸出頻率倍頻，作為新的輸出頻率，M值增1，若仍未處于上述范圍，循環(huán)直至滿足要求為止（M≤7）。由于倍頻所希望的輸出頻率，實(shí)際的輸出頻率就要進(jìn)行相應(yīng)的分頻，最大的分頻值為128，即輸出頻率fout由下式確定：

fout=fvco/2 m

指針（I）字段用來使壓控振蕩器VCO預(yù)置到適當(dāng)?shù)念l率范圍。若fvco在50～80MHz，I為0000；若fvco在80～150MHz內(nèi)，I為1000。注意，此處僅指壓控振蕩器頻率fvco。而非所希望的輸出頻率。

如果壓控振蕩器的頻率正好處在80MHz，則推薦使用對(duì)應(yīng)高頻率范圍的設(shè)置，即I為1000。

1.2.3 VCO編程的限制

編程時(shí)有以下3個(gè)主要的限制：

（1）50MHz≤fvco≤150MHz

（2）1≤P≤127

（3）1≤Q≤127

對(duì)于上述限制，要在最優(yōu)速度、最低噪聲和VCO穩(wěn)定性等因素中，折衷考慮。

2 頻率調(diào)整過程

當(dāng)改變頻率到一個(gè)新頻率時(shí)，由于串行字的變化，輸出信號(hào)頻率會(huì)產(chǎn)生頻率跳變。為了避免這種情況發(fā)生，可以利用控制寄存器中MUXREF的特性。MUXREF使得參考時(shí)鐘多路復(fù)用，無跳變地切換，作為輸出時(shí)鐘，即當(dāng)VCO尋求新的編程值時(shí)，它使輸出時(shí)鐘頻率維持在固定的參考時(shí)鐘頻率上。

ICD2053B初始化或調(diào)整新頻率的步驟如下：

（1）裝入控制寄存器控制字，允許編程寄存器裝入數(shù)據(jù)，使能MUXREF功能，使輸出頻率穩(wěn)定在參考頻率上，且這個(gè)過程保證無跳變?？刂谱秩缦拢?/P>

控制字 011110 0000X101 --- LSB

協(xié)議字 要寫入的控制寄存器控制字

管腳7的用法由用戶定義，用X表示。

注意：所有的數(shù)據(jù)都從低位移入，首先移入的是控制字的最低位，協(xié)議字緊跟著控制寄存器的控制字之后輸入到寄存器中。

（2）裝入編程寄存器編程字，使用“位填充”，最多可得27位的編程字。

（3）裝入控制寄存器控制字，使能MUXREF功能，禁止編程寄存器數(shù)據(jù)的裝放。該過程將編程字裝入到編程寄存器中，保持輸出在參考頻率上，同時(shí)進(jìn)行新頻率的建立。控制字如下：

控制字 011110 0000X100

（4）等待至少10ms，使壓控振蕩器VCO的頻率穩(wěn)定在新的頻率值上。

（5）裝入控制寄存器控制字，使能芯片輸出新頻率，該過程保證無跳變?？刂谱秩缦拢?/P>

控制字 011110 0000X000

總之，為了使芯片通過編程輸出一個(gè)新頻率，該芯片需要三個(gè)控制字加上一個(gè)編程字共同來實(shí)現(xiàn)。

3 ICD2053B在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

在我們所設(shè)計(jì)的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，系統(tǒng)可以在線改變采樣頻率，具有動(dòng)態(tài)改變采樣頻率的能力。該通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用可編程時(shí)鐘發(fā)生器芯片ICD2053B，提供大范圍的采樣頻率（391kHz～100MHz）。ICD2053B的編程連接僅需要兩條線，即SCLK（2）、DATA（4）。利用ICD2053B動(dòng)態(tài)改變采樣頻率的電路原理圖如圖3所示。

在該系統(tǒng)中，參考晶振頻率為14.31818MHz?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD作為上位機(jī)與ICD2053B的接口，實(shí)現(xiàn)可編程時(shí)鐘發(fā)生器串行時(shí)鐘和編程數(shù)據(jù)的串行輸入控制功能。CPLD的主時(shí)鐘由上位機(jī)提供，經(jīng)分頻后產(chǎn)生所需的串行時(shí)鐘SCLK，控制移位寄存器，串行移出所需的編程數(shù)據(jù)。為了幫助實(shí)現(xiàn)計(jì)算，上位機(jī)提供系統(tǒng)工作的驅(qū)動(dòng)程序，根據(jù)用戶的參考輸入頻率和所希望的輸出頻率，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)木幊碳拇嫫骶幊套帧?/P>

當(dāng)用戶輸入所希望的輸出頻率時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序自動(dòng)計(jì)算所需的編程字，同時(shí)考慮到“位填充”的要求，產(chǎn)生實(shí)際的編程字。然后在上位機(jī)的控制下，經(jīng)上位機(jī)寫入到可編程邏輯器件CPLD對(duì)應(yīng)的寄存器中，作為觸發(fā)信號(hào)，啟動(dòng)頻率調(diào)整狀態(tài)機(jī)。

按照頻率調(diào)整過程，該狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)0為空閑狀態(tài)；狀態(tài)1為在串行時(shí)鐘SCLK的控制下，將控制字01111000000101由低位開始串行移入可編程芯片中；狀態(tài)2為在串行時(shí)鐘的控制下，將寄存器中存放的編程字串行移入到可編程芯片中，此時(shí)要增加超過22位編程數(shù)據(jù)的位計(jì)數(shù)器，以便正確地將編程字移入；狀態(tài)3為在串行時(shí)鐘的控制下，將控制字01111000000100由低位開始串行移入可編程芯片中；狀態(tài)4為在串行時(shí)鐘的控制下，延時(shí)等待10ms，進(jìn)入下一狀態(tài)；狀態(tài)5為在串行時(shí)鐘的控制下，將控制字0111100000000由低位開始串行移入可編程芯片中，使芯片輸出所希望的新頻率，同時(shí)進(jìn)入狀態(tài)0，等待下一次的頻率調(diào)整。

串行時(shí)鐘并不是一直輸出，只有在對(duì)ICD2053B進(jìn)行編程調(diào)整輸出頻率時(shí)，才有串行時(shí)鐘輸出。即串行時(shí)鐘在非編程狀態(tài)時(shí)輸出為零，在編程狀態(tài)時(shí)才輸出可編程時(shí)鐘。若產(chǎn)生39.5MHz的輸出頻率，考慮位填充的實(shí)際編程字為589370H，其相應(yīng)的可編程時(shí)鐘與串行數(shù)據(jù)輸出的波形如圖4所示。

在該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采用可編程時(shí)鐘發(fā)生器芯片ICD2053B，動(dòng)態(tài)調(diào)整采樣頻率，使得系統(tǒng)具有通用性。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，通過串行數(shù)據(jù)編程，可在線改變采樣頻率。而在頻率調(diào)整過程中，無頻率跳變，輸出時(shí)鐘頻率維持在固定的參考時(shí)鐘頻率上，特別適用于對(duì)采樣頻率調(diào)整要求高的場(chǎng)合。