時(shí)脈發(fā)生器CY22150器件介紹及應(yīng)用

時(shí)脈是許多系統(tǒng)如PC、打印機(jī)、視訊轉(zhuǎn)換器、高階工件站及各種通訊產(chǎn)品的必要組件。CY22150是一款具有立即編程能力的全新可編程時(shí)脈發(fā)生器，可為各種電信、高容量儲(chǔ)存及多媒體應(yīng)用系統(tǒng)等領(lǐng)域，提供高頻寬、低雜訊與高精準(zhǔn)度的輸出信號，具備高度完整的客制化功能，支持6組可設(shè)定輸出，輸出頻率范圍大。本文就CY22150實(shí)際應(yīng)用展開討論，介紹了一種實(shí)際可行的接口電路。

1 CY22150器件簡介

1．1 主要特點(diǎn)和引腳功能

CY22150系列器件有CY225IOFC和CY2251OFI兩款，它們的引腳排列如圖1所示，采用16引腳的TSSOP封裝。表l所列是其引腳功能。

CY22150的主要特點(diǎn)為：內(nèi)部集成一個(gè)鎖相環(huán)，能夠產(chǎn)生低偏移、低抖動(dòng)、高精確度的輸出；輸出頻率的最大值是200 MHz，參考輸入頻率可以由外部晶振產(chǎn)生，也可由外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)源產(chǎn)生；為易變、系統(tǒng)級、用戶化的特定頻率和選擇提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口；串行接口、可再次編程允許設(shè)計(jì)的快速更改和產(chǎn)品性能的快速提高；適用于商業(yè)、工業(yè)、網(wǎng)絡(luò)、通信等一般性應(yīng)用，常見于標(biāo)準(zhǔn)和低電壓的系統(tǒng)；I2C串行接口工作在100 kHz或者400 kHz。

1．2 輸出頻率計(jì)算及寄存器設(shè)置

1．2．1 頻率計(jì)算

CY22150是一個(gè)非常靈活的時(shí)鐘發(fā)生器，由4個(gè)基本變量決定最終的輸出頻率，分別是輸入?yún)⒖碱l率（REF），內(nèi)部分頻器P和Q，以及靈活計(jì)算頻率值的Post Divider。以下是3個(gè)可用的決定最后輸出頻率的公式：

CY22150PLL基本模塊表如圖2所示。CY22150的6個(gè)輸出時(shí)鐘中的每一個(gè)都有7種可用的選擇。6個(gè)分頻器分別為／2，／3，／4，／DIV1N，／DIV2N，其中DIV1N和DIV2N是根據(jù)實(shí)際輸出需要進(jìn)行設(shè)定的。這些分頻器的值（Post Divider）可以直接應(yīng)用于式（1）和式（2），計(jì)算最后的時(shí)鐘頻率。第7種情況是直接輸出參考輸入頻率，即常說的bypass通路。

1．2．2 寄存器設(shè)置

使用CY22150時(shí)，可以使用缺省的輸出，用戶也可以根據(jù)自己的實(shí)際需要設(shè)定寄存器的值。缺省狀態(tài)下，所有的Bit位都設(shè)置為0，所有的輸出都是三態(tài)，且晶振電路是活躍的。

CY22150作為服務(wù)器件使用時(shí)，其地址是69H（1101001），內(nèi)部所有寄存器的地址和寄存器的值都是8 Bit。CY22150內(nèi)部有11個(gè)可控制的寄存器，其使用主要是這些寄存器的配置。寄存器設(shè)置參見文獻(xiàn)。它們分別是時(shí)鐘使能寄存器（09H），Bank1分頻控制寄存器（0CH），輸入晶振控制寄存器（12H），輸入負(fù)載電容控制寄存器（13H），電荷泵及PB計(jì)數(shù)器寄存器（40H，41H），P0、Q計(jì)數(shù)器寄存器（42H），交叉點(diǎn)開關(guān)矩陣控制寄存器（44H，45H，46H），Bank2分頻控制寄存器（47H）。

以下結(jié)合式（1）說明CY22150使用中比較重要的寄存器的配置：

1）參考頻率（REF） REF可以是晶振產(chǎn)生的，也可以是外部驅(qū)動(dòng)頻率。若由晶體產(chǎn)生，REF的范圍是8～30 MHz，若為外部驅(qū)動(dòng)頻率，REF的范圍是1～133 MHz。與REF的設(shè)定相關(guān)的Bit是輸入晶振控制寄存器（12H）的4、5位，其具體設(shè)定與REF的范圍及晶振屬性有關(guān)，具體如表2和表3所示。

2）Q計(jì)數(shù)器 Q計(jì)數(shù)器的值是由PO、Q計(jì)數(shù)器寄存器（42H）的低7位確定的，Qtotal的計(jì)算由式（4）決定，其范圍是2～129。

在具體的使用中，為了保證CY22150穩(wěn)定工作，REE／Qtotal的值不可高于250 kHz。

3）P計(jì)數(shù)器 PLL的輸出頻率是由Q和P共同決定的，Ptptal由PB和PO這2個(gè)內(nèi)部變量決定，計(jì)算由式（5）決定。

PB是一個(gè)10 Bit的變量，由寄存器40H的低2位和41H的全8位決定；PO是一個(gè)1 Bit的變量，由寄存器42H的最高位決定，它的引入確保了PB是整數(shù)，當(dāng)Ptotal是奇數(shù)時(shí)，PO為1，Ptotal是偶數(shù)時(shí)，PO為0。

Ptotal的可用范圍是8～2 055，為了確保CY22150穩(wěn)定的工作，（Ptotal（REE／Qtotal））應(yīng)該在100～400 MHz之間。為了使PLL穩(wěn)定工作，Ptotal的范圍規(guī)定為16～1 023，在具體的應(yīng)用時(shí)Ptotal不同，寄存器40H的4..2設(shè)置不同，其設(shè)置與Ptotal的值有關(guān)，如表4所示。

4）時(shí)鐘輸出的設(shè)置 VC0的輸出被接到兩個(gè)多控開關(guān)，最后的時(shí)鐘輸出由兩個(gè)分頻板決定。分頻的選擇共有以下幾種：／2，／3，／4，／DIVxN，其中DIVxN是可變的。兩個(gè)多控開關(guān)（DIVlSRC和DIV2SRC）決定最后的輸出時(shí)鐘是由哪個(gè)分頻板得到的，DIV1SRC的控制位置為0是表示選通了Bank1，DIV2SRC的控制位置為0是表示選通了Bank2。每一個(gè)時(shí)鐘輸出都可以是7種頻率源之一，CLKSRC（2．．0）交叉開關(guān)矩陣的設(shè)置決定最后的時(shí)鐘輸出，相應(yīng)的控制位在交叉點(diǎn)開關(guān)矩陣控制寄存器（44H，45H，46H）中設(shè)定。時(shí)鐘輸出由時(shí)鐘使能寄存器（09H）的低6位決定，控制位為1，表示該輸出被選定。

2 典型應(yīng)用

2．1 硬件電路

CY22150的應(yīng)用電路如圖3所示（機(jī)頂盒電路的一部分）。該電路為XC3S1400AFG676型低成本的Spartan_3AFPGA器件，提供時(shí)鐘信號，根據(jù)FPGA工作的需要提供不同頻率的時(shí)鐘。CY22150輸入信號是12．5 MHz（引腳1），輸出時(shí)鐘是LCLK1（引腳7）、LCLK2（引腳8）、LCLK3（引腳9）、LC LK4（引腳12）分別接XC3Sl400AFG676的IO_L28P_2／GCLK2（52引腳）、IO_L28N_2／GCLK3（51引腳）、IO_L27P_2／GCLKO（50引腳）、IO_L27N_2／G CLK1（49引腳），這8個(gè)引腳的連接保證CY22150為XC3S1400AFG676提供工作時(shí)鐘。CY22150的I2C數(shù)據(jù)輸入（引腳4）接XC3S1400AFG676的IO_L29N_ 2（53引腳），CY22150 I2C時(shí)鐘輸入（引腳15）接XC3S1400AFG676的IO_L29P_2（54引腳），這4個(gè)引腳的連接保證電路控制數(shù)據(jù)、工作時(shí)序的一致。圖3中“×”表示該引腳沒有連接。

在該電路中，XC3S1400AFG676需用4個(gè)時(shí)鐘接口，CY22150有7個(gè)可用的時(shí)鐘輸出。采用CY22150，一個(gè)時(shí)脈發(fā)生器可提供電路需要的4個(gè)時(shí)鐘（如果采用ICD2053，只有1個(gè)時(shí)鐘輸出的時(shí)脈發(fā)生器），這樣降低了開發(fā)成本，縮小產(chǎn)品的體積，對一個(gè)時(shí)脈發(fā)生器控制就可同時(shí)產(chǎn)生電路所需的4種不同頻率，操作簡單。在電路的設(shè)計(jì)中，保證電路穩(wěn)定工作，在接地和接電源處要接不同電容值的電容或者不同阻值的電阻來減小干擾。

2．2 軟件設(shè)計(jì)

在該應(yīng)用中，主要實(shí)現(xiàn)對CY22150的寫控制。寫控制的主要過程描述如下：產(chǎn)生開始信號，寫器件地址及寫控制位，ACK響應(yīng)，寫寄存器地址，ACK響應(yīng)，寫寄存器的值，ACK響應(yīng)，產(chǎn)生停止信號。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖4所示。整個(gè)過程中，關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)相應(yīng)寄存器的寫，以下程序?qū)崿F(xiàn)的是某一寄存器的寫，其他寄存器的寫過程與之相似。

其相關(guān)程序代碼：

2．3 寄存器設(shè)置舉例

電路中輸入頻率是12．5 MHz，某工作條件下CY22150輸出的頻率148．5 MHz，REF選用外部驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，各寄存器的設(shè)定過程如下：

1）REF是12．5 MHz的外部驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，所以地址為12H的寄存器的值為0010～0000。

2）采用的輸入是外部時(shí)鐘源，所以CapLoad使用默認(rèn)值0，地址為13H的寄存器的值為0000～0000。

3）根據(jù)以上對P、Q計(jì)算的說明，設(shè)置為：Qtotal=30，REF／30》250 KHz，Q=28，=713，PO=l，PB=352 （采用2分頻輸出）。地址為40H的寄存器的值為1100～1101；地址為41H的寄存器的值為0110～0000；地址為42H的寄存器的值為1001～1100。

4）最后4個(gè)時(shí)鐘都有輸出，所以地址為09H的寄存器的值為0000～1111。

選用Bank2，2分頻，相關(guān)的寄存器的設(shè)置如表5所示。其仿真結(jié)果如圖5所示。

結(jié)論

本文提供的硬件電路及寄存器配置值已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證，是完全正確的。需要注意的是，為保證電路時(shí)序的一致，完成一個(gè)寄存器的寫需要產(chǎn)生3個(gè)STOP信號才可跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)寄存器的寫控制。CY22150是程式化的時(shí)脈發(fā)生器，適合用來支持需高精準(zhǔn)度與高穩(wěn)定度的多埠時(shí)脈應(yīng)用。