可编程时钟发生器及其应用

    摘要：美国CYPRESS公司的可编程时钟发生器芯片ICD2053B的结构和工作原理及其在数据采集系统中的应用。ICD2053B提供用户可编程的锁相环特性，输出可改变型任何所期望的频率值上（391kHz～100MHz）。在数据采集系统中，利用ICD2053B所具有的动态改变输出频率的能力，可实现系统的变频率采样，提高了系统的适用范围和兼容性，给设计者提供了灵活的设计自由度。

    关键词：可编程时钟发生器 ICD2053B 数据采集系统 CPLD设计

在数据采集系统中，所设计的系统应具有通用性，可根据不同的数据采集对象，产生不同的采样频率；或者系统处于不同的运动情况时，能够动态改变采样频率，即数据采集系统应当具有改变采样频率的能力。传统的数据采集系统，一般都是固定频率的数据采集，很难应用于其它采样频率的场合。为了使所设计的系统适用于不同的场合，具有广泛的适应性，系统必须具有在线改变采样频率的方法。可编程时钟发生器芯片ICD2053B提供了系统动态改变频率的方法，其动态时钟输出频率范围从391kHz到100MHz（TTL电平）或391kHz到90MHz（CMOS电平），具有较宽的频率范围，在系统中采用ICD2053B能很好地解决上述问题。ICD2053B提供完全用户可编程的锁相环特性，锁相环振荡器输入由外部参考时钟（1MHz～25MHz）或外部晶振（2MHz～24MHz）提供。其二线串行接口便于对输出频率进行编程控制，具有三态输出控制使能。5V供电、低功耗、小体积又使其适宜于功耗和空间要求高的应用场合。它所具有的动态改变输出频率的能力，给设计得提供了灵活的设计自由度。

1 ICD2053B的结构及工作原理

1.1 引脚功能表及内部结构图

ICD2053B的内部结构如图1所示，引脚功能如表1所示。

表1 ICD2503B引脚功能表

引脚号	引脚名称	功能描述
1	XTALOUT	参考晶振反馈信号
2	SCLK	串行时钟输入线，用于器件编程
3	GND	地线
4	DATA	串行数据输入线，用于器件编程
5	CLKOUT	可编程的时钟输出。当管脚7被配置为输出使能管脚或置位控制寄存器中的位1，可使CLKOUT输出三态。
6	VDD	电源，+5V
7	MUXREF/OE	多路复用参考频率或三态输出控制，由控制寄存器中的位3决定。上电时，管脚7实现输出使能OE的功能，其的高电平使能时钟输出。
8	XTALIN	参考晶振输入或外部参考输入信号fREF

1.2 ICD2053B的寄存器

ICD2053B包含两个寄存器：控制寄存器和编程寄存器。

这两个寄存器使用协议字011110来区分是控制寄存器数据还是编程寄存器数据。所有要发送的其它数据（除协议字外）在连续3个1之后，不论原来其后的数值是1还是0必须插入一个0，来区分是协议字还是数据。所有要编程的串行字从最低位开始串行地移入，当SCLK从低到高跳变时，将数据移入到可编程寄存器中。一旦协议字检出后，前面已移入的8位数据就传递到控制寄存器中，然后控制命令立刻被执行。

1.2.1 控制寄存器

当要写入的数据写入到控制寄存器时，必须包含协议字011110，用来识别所写入的数据为控制寄存器数据。

    控制寄存器用来控制ICD2053B的非频率特性设置，它是一个8位的寄存器，其含义如图2所示。

控制寄存器数据的写入从控制字的低位（位0）开始，一直到控制字的高位（位7），然后是6位的协议字写入到寄存器中，故控制寄存器的设置其需14位数据。

在上电后，控制寄存器装入缺省值00000100，即MUXREF控制位设置为1，强制CLKOUT输出为参考频率fREF，编程寄存器禁止装入，芯片管脚7是输出使能管脚。

1.2.2 编程寄存器

按照所需要的输出频率，将22位的编程字装入到编程寄存器，用以实现输出频率的更改。由于协议字为011110，在传送编程数据时，凡连续出现3个1，在其后便添一个“虚”0，以避免混淆；在接收端凡连续收到3个1，就将其后的零丢掉，故装入的数据要完成“位填充”功能。由于这个原因，实际的编程字的长度可以为22到27位。编程寄存器各字段含义如表2所示。

表2编程寄存器定义

字  段	所在位	位    数	注    释
P计数器值（P）	<21：15>	7	MSB（最高位）
工作周期调整	<14>	1	设置为1，增加工作周期约0.7ns，正常设置为1
复用（M）	<13：11>	3
Q计数器值（Q）	<10：4>	7
指针（I）	<3：0>	4	LSB（最低位）

可编程振荡器的频率fvco由下式确定：

fvco=2×fREF×(P+3)/(Q+2)

式中，fREF为参考频率（1MHz～25MHz）。

Fvco的频率值必须保证处在50MHz和150MHz之间。因此对于输出频率低于50MHz，fvco必须设法处于上述限制之内，可通过复用（M）字段的设置来实现该功能，M初值为000。首先将所希望的输出频率倍频，作为新的输出频率，M值增1，若仍未处于上述范围，循环直至满足要求为止（M≤7）。由于倍频所希望的输出频率，实际的输出频率就要进行相应的分频，最大的分频值为128，即输出频率fout由下式确定：

fout=fvco/2 m

指针（I）字段用来使压控振荡器VCO预置到适当的频率范围。若fvco在50～80MHz，I为0000；若fvco在80～150MHz内，I为1000。注意，此处仅指压控振荡器频率fvco。而非所希望的输出频率。

    如果压控振荡器的频率正好处在80MHz，则推荐使用对应高频率范围的设置，即I为1000。

1.2.3 VCO编程的限制

编程时有以下3个主要的限制：

（1）50MHz≤fvco≤150MHz

（2）1≤P≤127

（3）1≤Q≤127

对于上述限制，要在最优速度、最低噪声和VCO稳定性等因素中，折衷考虑。

2 频率调整过程

当改变频率到一个新频率时，由于串行字的变化，输出信号频率会产生频率跳变。为了避免这种情况发生，可以利用控制寄存器中MUXREF的特性。MUXREF使得参考时钟多路复用，无跳变地切换，作为输出时钟，即当VCO寻求新的编程值时，它使输出时钟频率维持在固定的参考时钟频率上。

    ICD2053B初始化或调整新频率的步骤如下：

（1）装入控制寄存器控制字，允许编程寄存器装入数据，使能MUXREF功能，使输出频率稳定在参考频率上，且这个过程保证无跳变。控制字如下：

控制字 011110 0000X101 --- LSB

协议字 要写入的控制寄存器控制字

管脚7的用法由用户定义，用X表示。

注意：所有的数据都从低位移入，首先移入的是控制字的最低位，协议字紧跟着控制寄存器的控制字之后输入到寄存器中。

（2）装入编程寄存器编程字，使用“位填充”，最多可得27位的编程字。

（3）装入控制寄存器控制字，使能MUXREF功能，禁止编程寄存器数据的装放。该过程将编程字装入到编程寄存器中，保持输出在参考频率上，同时进行新频率的建立。控制字如下：

控制字 011110 0000X100

（4）等待至少10ms，使压控振荡器VCO的频率稳定在新的频率值上。

（5）装入控制寄存器控制字，使能芯片输出新频率，该过程保证无跳变。控制字如下：

控制字 011110 0000X000

总之，为了使芯片通过编程输出一个新频率，该芯片需要三个控制字加上一个编程字共同来实现。

3 ICD2053B在数据采集系统中的应用

在我们所设计的通用数据采集系统中，系统可以在线改变采样频率，具有动态改变采样频率的能力。该通用数据采集系统选用可编程时钟发生器芯片ICD2053B，提供大范围的采样频率（391kHz～100MHz）。ICD2053B的编程连接仅需要两条线，即SCLK（2）、DATA（4）。利用ICD2053B动态改变采样频率的电路原理图如图3所示。

在该系统中，参考晶振频率为14.31818MHz。可编程逻辑器件CPLD作为上位机与ICD2053B的接口，实现可编程时钟发生器串行时钟和编程数据的串行输入控制功能。CPLD的主时钟由上位机提供，经分频后产生所需的串行时钟SCLK，控制移位寄存器，串行移出所需的编程数据。为了帮助实现计算，上位机提供系统工作的驱动程序，根据用户的参考输入频率和所希望的输出频率，产生适当的编程寄存器编程字。

当用户输入所希望的输出频率时，驱动程序自动计算所需的编程字，同时考虑到“位填充”的要求，产生实际的编程字。然后在上位机的控制下，经上位机写入到可编程逻辑器件CPLD对应的寄存器中，作为触发信号，启动频率调整状态机。

按照频率调整过程，该状态机的状态0为空闲状态；状态1为在串行时钟SCLK的控制下，将控制字01111000000101由低位开始串行移入可编程芯片中；状态2为在串行时钟的控制下，将寄存器中存放的编程字串行移入到可编程芯片中，此时要增加超过22位编程数据的位计数器，以便正确地将编程字移入；状态3为在串行时钟的控制下，将控制字01111000000100由低位开始串行移入可编程芯片中；状态4为在串行时钟的控制下，延时等待10ms，进入下一状态；状态5为在串行时钟的控制下，将控制字0111100000000由低位开始串行移入可编程芯片中，使芯片输出所希望的新频率，同时进入状态0，等待下一次的频率调整。

串行时钟并不是一直输出，只有在对ICD2053B进行编程调整输出频率时，才有串行时钟输出。即串行时钟在非编程状态时输出为零，在编程状态时才输出可编程时钟。若产生39.5MHz的输出频率，考虑位填充的实际编程字为589370H，其相应的可编程时钟与串行数据输出的波形如图4所示。

在该数据采集系统中，采用可编程时钟发生器芯片ICD2053B，动态调整采样频率，使得系统具有通用性。系统硬件设计简单，通过串行数据编程，可在线改变采样频率。而在频率调整过程中，无频率跳变，输出时钟频率维持在固定的参考时钟频率上，特别适用于对采样频率调整要求高的场合。