摘? 要: 美國CYPRESS公司的可編程時鐘發(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,，輸出可改變到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所具有的動態(tài)改變輸出頻率的能力，可實現(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)計者提供了靈活的設(shè)計自由度。?

　　關(guān)鍵詞: 可編程時鐘發(fā)生器? ICD2053B? 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)? CPLD設(shè)計?

?

　　在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,，所設(shè)計的系統(tǒng)應(yīng)具有通用性,，可根據(jù)不同的數(shù)據(jù)采集對象，產(chǎn)生不同的采樣頻率;或者系統(tǒng)處于不同的運行情況時,，能夠動態(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合,。為了使所設(shè)計的系統(tǒng)適用于不同的場合，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,。可編程時鐘發(fā)生器芯片ICD2053B提供了系統(tǒng)動態(tài)改變頻率的方法,，其動態(tài)時鐘輸出頻率范圍從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鐘(1MHz～25MHz)或外部晶振(2MHz～24MHz)提供。其二線串行接口便于對輸出頻率進(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)用場合,。它所具有的動態(tài)改變輸出頻率的能力，給設(shè)計者提供了靈活的設(shè)計自由度,。?

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。?

?

?

?

1.2? ICD2053B的寄存器?

　　ICD2053B包含兩個寄存器:控制寄存器和編程寄存器,。?

　　這兩個寄存器使用協(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1之后，不論原來其后的數(shù)值是1還是0必須插入一個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,，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,，必須包含協(xié)議字011110,，用來識別所寫入的數(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)置共需14位數(shù)據(jù)。?

　　在上電時,，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f_REF,，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,，凡連續(xù)出現(xiàn)3個1，在其后便添一個“虛”0,，以避免混淆;在接收端凡連續(xù)收到3個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,。由于這個原因,，實際的編程字的長度可以為22到27位。編程寄存器各字段含義如表2所示,。?

?

?

　　可編程振蕩器的頻率f_VCO由下式確定:?

　　f_VCO=2×f_REF×(P+3)/(Q+2)?

式中,，f_REF為參考頻率(1MHz～25MHz)。?

　　f_VCO的頻率值必須保證處在50MHz和150MHz之間,。因此對于輸出頻率低于50MHz,，f_VCO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f_out由下式確定:?

??? f_OUT=f_VCO/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f_VCO在50～80MHz內(nèi),，I為0000;若f_VCO在80～150MHz內(nèi)，I為1000,。注意,，此處僅指壓控振蕩器頻率f_VCO，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?

　　編程時有以下3個主要的限制:?

　　(1) 50MHz≤f_VCO≤150MHz?

　　(2) 1≤P≤127?

　　(3) 1≤Q≤127?

　　對于上述限制,，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)改變頻率到一個新頻率時，由于串行字的變化,，輸出信號頻率會產(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使得參考時鐘多路復(fù)用,，無跳變地切換，作為輸出時鐘,，即當(dāng)VCO尋求新的編程值時,，它使輸出時鐘頻率維持在固定的參考時鐘頻率上。?

　　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,，且這個過程保證無跳變,。控制字如下:?

　　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)的裝入,。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,。控制字如下:?

　　控制字????? 011110??? 0000X000?

　　總之,，為了使芯片通過編程輸出一個新頻率,，該芯片需要三個控制字加上一個編程字共同來實現(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,。可編程邏輯器件CPLD作為上位機(jī)與ICD2053B的接口,，實現(xiàn)可編程時鐘發(fā)生器串行時鐘和編程數(shù)據(jù)的串行輸入控制功能,。CPLD的主時鐘由上位機(jī)提供，經(jīng)分頻后產(chǎn)生所需的串行時鐘SCLK,，控制移位寄存器,，串行移出所需的編程數(shù)據(jù)。為了幫助實現(xiàn)計算,，上位機(jī)提供系統(tǒng)工作的驅(qū)動程序,，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?

　　當(dāng)用戶輸入所希望的輸出頻率時,，驅(qū)動程序自動計算所需的編程字,，同時考慮到“位填充”的要求，產(chǎn)生實際的編程字,。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對應(yīng)的寄存器中,，作為觸發(fā)信號，啟動頻率調(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,，此時要增加超過22位編程數(shù)據(jù)的位計數(shù)器，以便正確地將編程字移入;狀態(tài)3為在串行時鐘的控制下,，將控制字01111000000100由低位開始串行移入可編程芯片中;狀態(tài)4為在串行時鐘的控制下,，延時等待10ms，進(jìn)入下一狀態(tài);狀態(tài)5為在串行時鐘的控制下,，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，同時進(jìn)入狀態(tài)0,，等待下一次的頻率調(diào)整,。?

　　串行時鐘并不是一直輸出，只有在對ICD2053B進(jìn)行編程調(diào)整輸出頻率時,，才有串行時鐘輸出,。即串行時鐘在非編程狀態(tài)時輸出為零，在編程狀態(tài)時才輸出可編程時鐘,。若產(chǎn)生39.5MHz的輸出頻率,，考慮位填充的實際編程字為589370H，其相應(yīng)的可編程時鐘與串行數(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,，采用可編程時鐘發(fā)生器芯片ICD2053B，動態(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)計簡單，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,，輸出時鐘頻率維持在固定的參考時鐘頻率上,，特別適合于對采樣頻率調(diào)整要求高的場合。?

參考文獻(xiàn)?

1 ICD2053B Programmable Clock Generator.CYPRESS,， 1995?

2 侯伯亨,，顧 新. VHDL硬件描述語言與數(shù)字邏輯電路設(shè)計. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社， 2000?

3 宋萬杰，羅 豐,，吳順君.CPLD技術(shù)及其應(yīng)用. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社,， 1999?