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1、精选优质文档-倾情为你奉上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（391kHz100MHz）。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。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。
2、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（391kHz100MHz）。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。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
3、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（1MHz25MHz）或外部晶振（2MHz24MHz）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 ICD
4、2053B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1XTALOUT参考晶振反馈信号2SCLK串行时钟输入线，用于器件编程3GND地线4DATA串行数据输入线，用于器件编程5CLKOUT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。6VDD电源，+5V7MUXREF/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。8XTALIN参考晶振输入或外部参考输入
5、信号fREF1.2 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，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ICD2
6、053B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，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，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
7、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）7MSB（最高位）工作周期调整1设置为1，增加工作周期约0.7ns，正常设置为1复用（M）3Q计数器值（Q）7指针（I）4LSB（最低位）可编程振荡器的频率fvco由下式确定：fvco=2fREF(P+3)/(Q+2)式中，fREF为参考频率（1MHz25MHz）。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
8、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（M7）。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5080MHz，I为0000；若fvco在80150MHz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
9、限制：（1）50MHzfvco150MHz（2）1P127（3）1Q127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
10、制字如下：控制字 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 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
11、保证无跳变。控制字如下：控制字 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（391kHz100MHz）。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ICD2
12、053B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
13、字101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100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00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H，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。专心-专注-专业
