可編程時(shí)鐘發(fā)生器及其應用

摘要：美國CYPRESS公司的可編程時(shí)鐘發(fā)生器芯片ICD2053B的結構和工作原理及其在數據采集系統中的應用。ICD2053B提供用戶(hù)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）。在數據采集系統中，利用ICD2053B所具有的動(dòng)態(tài)改變輸出頻率的能力，可實(shí)現系統的變頻率采樣，提高了系統的適用范圍和兼容性，給設計者提供了靈活的設計自由度。

在數據采集系統中，所設計的系統應具有通用性，可根據不同的數據采集對象，產(chǎn)生不同的采樣頻率；或者系統處于不同的運動(dòng)情況時(shí)，能夠動(dòng)態(tài)改變采樣頻率，即數據采集系統應當具有改變采樣頻率的能力。傳統的數據采集系統，一般都是固定頻率的數據采集，很難應用于其它采樣頻率的場(chǎng)合。為了使所設計的系統適用于不同的場(chǎng)合，具有廣泛的適應性，系統必須具有在線(xiàn)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，在系統中采用ICD2053B能很好地解決上述問(wèn)題。ICD2053B提供完全用戶(hù)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(xiàn)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用場(chǎng)合。它所具有的動(dòng)態(tài)改變輸出頻率的能力，給設計得提供了靈活的設計自由度。

1 ICD2053B的結構及工作原理

1.1 引腳功能表及內部結構圖

ICD2053B的內部結構如圖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(lái)區分是控制寄存器數據還是編程寄存器數據。所有要發(fā)送的其它數據（除協(xié)議字外）在連續3個(gè)1之后，不論原來(lái)其后的數值是1還是0必須插入一個(gè)0，來(lái)區分是協(xié)議字還是數據。所有要編程的串行字從最低位開(kāi)始串行地移入，當SCLK從低到高跳變時(shí)，將數據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位數據就傳遞到控制寄存器中，然后控制命令立刻被執行。

1.2.1 控制寄存器

當要寫(xiě)入的數據寫(xiě)入到控制寄存器時(shí)，必須包含協(xié)議字011110，用來(lái)識別所寫(xiě)入的數據為控制寄存器數據。

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

控制寄存器數據的寫(xiě)入從控制字的低位（位0）開(kāi)始，一直到控制字的高位（位7），然后是6位的協(xié)議字寫(xiě)入到寄存器中，故控制寄存器的設置其需14位數據。

在上電后，控制寄存器裝入缺省值00000100，即MUXREF控制位設置為1，強制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)現輸出頻率的更改。由于協(xié)議字為011110，在傳送編程數據時(shí)，凡連續出現3個(gè)1，在其后便添一個(gè)“虛”0，以避免混淆；在接收端凡連續收到3個(gè)1，就將其后的零丟掉，故裝入的數據要完成“位填充”功能。由于這個(gè)原因，實(shí)際的編程字的長(cháng)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。因此對于輸出頻率低于50MHz，fvco必須設法處于上述限制之內，可通過(guò)復用（M）字段的設置來(lái)實(shí)現該功能，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(mǎn)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(lái)使壓控振蕩器VCO預置到適當的頻率范圍。若fvco在50～80MHz，I為0000；若fvco在80～150MHz內，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，則推薦使用對應高頻率范圍的設置，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

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

2 頻率調整過(guò)程

當改變頻率到一個(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)鐘多路復用，無(wú)跳變地切換，作為輸出時(shí)鐘，即當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據，使能MUXREF功能，使輸出頻率穩定在參考頻率上，且這個(gè)過(guò)程保證無(wú)跳變?？刂谱秩缦拢?/P>

控制字 011110 0000X101 --- LSB

協(xié)議字 要寫(xiě)入的控制寄存器控制字

管腳7的用法由用戶(hù)定義，用X表示。

注意：所有的數據都從低位移入，首先移入的是控制字的最低位，協(xié)議字緊跟著(zhù)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，禁止編程寄存器數據的裝放。該過(guò)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?？刂谱秩缦拢?/P>

控制字 011110 0000X100

（4）等待至少10ms，使壓控振蕩器VCO的頻率穩定在新的頻率值上。

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

控制字 011110 0000X000

總之，為了使芯片通過(guò)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(lái)實(shí)現。

3 ICD2053B在數據采集系統中的應用

在我們所設計的通用數據采集系統中，系統可以在線(xiàn)改變采樣頻率，具有動(dòng)態(tài)改變采樣頻率的能力。該通用數據采集系統選用可編程時(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(xiàn)，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。

在該系統中，參考晶振頻率為14.31818MHz?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD作為上位機與ICD2053B的接口，實(shí)現可編程時(shí)鐘發(fā)生器串行時(shí)鐘和編程數據的串行輸入控制功能。CPLD的主時(shí)鐘由上位機提供，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據。為了幫助實(shí)現計算，上位機提供系統工作的驅動(dòng)程序，根據用戶(hù)的參考輸入頻率和所希望的輸出頻率，產(chǎn)生適當的編程寄存器編程字。

當用戶(hù)輸入所希望的輸出頻率時(shí)，驅動(dòng)程序自動(dòng)計算所需的編程字，同時(shí)考慮到“位填充”的要求，產(chǎn)生實(shí)際的編程字。然后在上位機的控制下，經(jīng)上位機寫(xiě)入到可編程邏輯器件CPLD對應的寄存器中，作為觸發(fā)信號，啟動(dòng)頻率調整狀態(tài)機。

按照頻率調整過(guò)程，該狀態(tài)機的狀態(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(kāi)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(guò)22位編程數據的位計數器，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(kāi)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(kāi)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整。

串行時(shí)鐘并不是一直輸出，只有在對ICD2053B進(jìn)行編程調整輸出頻率時(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，其相應的可編程時(shí)鐘與串行數據輸出的波形如圖4所示。

在該數據采集系統中，采用可編程時(shí)鐘發(fā)生器芯片ICD2053B，動(dòng)態(tài)調整采樣頻率，使得系統具有通用性。系統硬件設計簡(jiǎn)單，通過(guò)串行數據編程，可在線(xiàn)改變采樣頻率。而在頻率調整過(guò)程中，無(wú)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，特別適用于對采樣頻率調整要求高的場(chǎng)合。