摘? 要: 美國CYPRESS公司的可編程時鐘發生器芯片ICD2053B的結構和工作原理及其在數據采集系統中的應用。ICD2053B提供用戶可編程的鎖相環特性，輸出可改變到任何所期望的頻率值上(391kHz～100MHz)。在數據采集系統中，利用ICD2053B所具有的動態改變輸出頻率的能力，可實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。?
關鍵詞: 可編程時鐘發生器? ICD2053B? 數據采集系統? CPLD設計?
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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，產生不同的采樣頻率;或者系統處于不同的運行情況時，能夠動態改變采樣頻率，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合。為了使所設計的系統適用于不同的場合，具有廣泛的適應性，系統必須具有在線改變采樣頻率的方法。可編程時鐘發生器芯片ICD2053B提供了系統動態改變頻率的方法，其動態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特性，鎖相環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行編程控制，具有三態輸出控制使能。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合。它所具有的動態改變輸出頻率的能力，給設計者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。?
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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議字011110來區分是控制寄存器數據還是編程寄存器數據。所有要發送的其它數據(除協議字外)在連續3個1之后，不論原來其后的數值是1還是0必須插入一個0，來區分是協議字還是數據。所有要編程的串行字從最低位開始串行地移入，當SCLK從低到高跳變時，將數據移入到可編程寄存器中。一旦協議字檢出后，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?
當要寫入的數據寫入到控制寄存器時，必須包含協議字011110，用來識別所寫入的數據為控制寄存器數據。?
控制寄存器用來控制ICD2053B的非頻率特性設置，它是一個8位的寄存器，其含義如圖2所示。?
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控制寄存器數據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位的協議字寫入到寄存器中，故控制寄存器的設置共需14位數據。?
在上電時，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，用以實現輸出頻率的更改。由于協議字為011110，在傳送編程數據時，凡連續出現3個1，在其后便添一個“虛”0，以避免混淆;在接收端凡連續收到3個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。?
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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，可通過復用(M)字段的設置來實現該功能，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/2M????????????????? ?
指針(I)字段用來使壓控振蕩器VCO預置到適當的頻率范圍。若fVCO在50～80MHz內，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?
編程時有以下3個主要的限制:?
(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 頻率調整過程?
當改變頻率到一個新頻率時，由于串行字的變化，輸出信號頻率會產生頻率跳變。為了避免這種情況發生，可以利用控制寄存器中MUXREF的特性。MUXREF使得參考時鐘多路復用，無跳變地切換，作為輸出時鐘，即當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，且這個過程保證無跳變。控制字如下:?
控制字?? 011110??? 0000X101 --- LSB?
???????????? 協議字??? 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:所有的數據都從低位移入，首先移入的是控制字的最低位，協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，禁止編程寄存器數據的裝入。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。?
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，系統可以在線改變采樣頻率，具有動態改變采樣頻率的能力。該通用數據采集系統選用可編程時鐘發生器芯片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動態改變采樣頻率的電路原理圖如圖3所示。
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在該系統中，參考晶振頻率為14.31818MHz。可編程邏輯器件CPLD作為上位機與ICD2053B的接口，實現可編程時鐘發生器串行時鐘和編程數據的串行輸入控制功能。CPLD的主時鐘由上位機提供，經分頻后產生所需的串行時鐘SCLK，控制移位寄存器，串行移出所需的編程數據。為了幫助實現計算，上位機提供系統工作的驅動程序，根據用戶的參考輸入頻率和所希望的輸出頻率，產生適當的編程寄存器編程字。?
當用戶輸入所希望的輸出頻率時，驅動程序自動計算所需的編程字，同時考慮到“位填充”的要求，產生實際的編程字。然后在上位機的控制下，經上位機寫入到可編程邏輯器件CPLD對應的寄存器中，作為觸發信號，啟動頻率調整狀態機。?
按照頻率調整過程，該狀態機的狀態0為空閑狀態;狀態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位編程數據的位計數器，以便正確地將編程字移入;狀態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4為在串行時鐘的控制下，延時等待10ms，進入下一狀態;狀態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，同時進入狀態0，等待下一次的頻率調整。?
串行時鐘并不是一直輸出，只有在對ICD2053B進行編程調整輸出頻率時，才有串行時鐘輸出。即串行時鐘在非編程狀態時輸出為零，在編程狀態時才輸出可編程時鐘。若產生39.5MHz的輸出頻率，考慮位填充的實際編程字為589370H，其相應的可編程時鐘與串行數據輸出的波形如圖4所示。?
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在該數據采集系統中，采用可編程時鐘發生器芯片ICD2053B，動態調整采樣頻率，使得系統具有通用性。系統硬件設計簡單，通過串行數據編程，可在線改變采樣頻率。而在頻率調整過程中，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整要求高的場合。?
參考文獻?
1 ICD2053B Programmable Clock Generator.CYPRESS， 1995?
2 侯伯亨，顧 新. VHDL硬件描述語言與數字邏輯電路設計. 西安:西安電子科技大學出版社， 2000?
3 宋萬杰，羅 豐，吳順君.CPLD技術及其應用. 西安:西安電子科技大學出版社， 1999?
4 劉寶琴，張芳蘭，田立生.ALTERA可編程邏輯器件及其應用.北京:清華大學出版社，1995