基于ispPAC器件的可编程振荡器设计

【摘要】介绍了一种基于在系统可编程模拟器件ispPAC20的单片集成振荡器设计方法，具有开发速度快、可靠性高、灵活性高等优点。测试数据表明可实现的频率范围在0.3KHz至31KHz，并对频率范围拓展的方法做了分析，在中低频电路具有一定的实用价值。

【关键词】振荡器；单片集成；可编程模拟器件

1.引言

在绝大部分电路系统设计中，振荡器是不可或缺的单元电路，用以提供时钟或定时信号[1]。本文介绍一种基于在系统可编程模拟器件ispPAC20的单片集成振荡器的设计方法，集成电路内的参数具有良好的一致性且受温度影响小，与由分立模拟元件构成传统振荡器相比，具有开发速度快、稳定性高、使用灵活和集成度高等优势。

ispPAC20（in-system Programmable Analog Circuit）是美国Lattice半导体公司推出的可编程产品，该芯片具有在系统可编程技术的优势和特点，设计人员可通过开发软件在计算机上快速、便捷地进行模拟电路设计与修改，对电路的特性可进行仿真分析，然后用编程电缆将设计方案下载到芯片当中[2]。同时还可以对已经装配在印刷线路板上的目标芯片进行校验、修改或者重新设计，其开发软件为PAC Designer。本文所设计电路实现的频率可调范围在0.3KHz至31KHz，可通过外接存储器芯片或在系统配置振荡器输出频率，具有较高的灵活性，可作为单元电路直接应用于中低频数模混合电路系统之中，具有一定的实用价值。

2.ispPAC20的芯片结构

ispPAC20芯片由两个基本单元电路PAC块、两个比较器、一个8位的DAC转换器、配置存储器、参考电压、自校正单元、模拟布线池和ISP接口等单元电路组成，其芯片内部结构如图1所示。

其中，两个比较器CP1和CP2为可编程差分输入形式，当同相输入电压相对反向输入电压为正时，比较器的输出为高电平，反之为低电平。比较器CP1的输出可编程为直接输出或以PC为时钟的寄存器输出模式，且CP1和CP2的输出端CP1OUT和CP2OUT可通过窗口控制在WINDOW端输出信号，窗口控制可编程为异或操作（XOR）模式或触发器操作（Flip-Flop）模式。

PACblock1由两个仪用放大器IA1和IA2、一个输出放大器OA1、反馈电阻和电容构成差分输入和输出的基本单元电路。其中，仪用放大器IA1的输入端连接一个端口选择器，并通过芯片外部引脚MSEL来控制；当MSEL分别为0和1时，a和b分别连接至IA1的输入端。IA1和IA2的整数增益调范围在-10～+10之间，电路输入阻抗为109，共模抑制比为69dB。输出放大器OA1中的反馈电阻RF可以编程为连通或断开状态，电容C有128种值供编程选择。芯片中各基本单元通过模拟布线池实现互联，以组成复杂模拟电路。

PACblock2与PACblock1的内部结构基本相同，但IA4本身可编程的负整数增益取值区间为[-10，-1]，同时对IA4设有极性控制端（Polarity Control）以控制其增益选择。极性控制端可被编程为四种工作模式：固定模式、PC外接模式、触发器模式和CP1OUT连接模式，控制方式如下。

（1）固定模式：IA4增益范围为[-10，-1]；

（2）PC外接模式：通过芯片外部引脚PC来控制增益范围，PC=1对应[-10，-1]，PC=0对应[1，10]；

（3）触发器模式：需同时编程比较器窗口输出控制端为触发器模式，极性控制端通过内部通道连接至WINDOW端口，以控制IA4增益范围；

（4）CP1OUT连接模式：极性控制端通过内部通道连接至CP1OUT端口，以控制IA4增益范围。

DAC单元是一个8位的电压输出数模转换器。接口方式可选择为8位并行方式、串行JTAG寻址方式、串行SPI寻址方式。在串行方式中，数据的总长度为8为，D0为数据的首位，D7处于数据的末位。DAC的输出是完全差分形式，可以与芯片内部的比较器或仪用放大器相连，也可以直接输出。用户可通过查询芯片说明的编码数据进行编程配置[3]。

另外，配置存储器用于存放编程数据，参考电压和自校正模块完成电压分配和校正功能。

3.可编程振荡器电路的实现

以ispPAC20芯片构成单片集成可编程振荡器电路内部连接，如图2所示。其中虚线框部分构成压控振荡器电路，实现差分输入的控制信号Uc对输出信号频率的控制；仪用放大器IA4的输入被编程与DAC的差分输出信号连接，从而通过对DAC的编程实现对输出信号频率的控制。

对于压控振荡器部分的编程设置和连接如下，在PACblock2中，仪用放大器IA4的输入、增益和PC端分别编程至DAC Output、-1和触发器模式，反馈电阻编程为开路，电容编程为61.59pF，以构成积分电路；比较器CP1和CP2连接为窗口比较器，阈值控制由内部参考电压提供，此处编程连接至1.5V；WINDOW输出端和CP1的输出分别编程为触发器模式和直接输出模式；按照这种方式编程后，WINDOW输出端将自动地通过内部通道连接至IA4的极性控制端。

DAC的编程范围在0至255，对应的电压输出范围为-3V至2.9766V；其中，当编程为128时输出0V，考虑到实用性且保证压控振荡器能正常工作，选择DAC的编程范围在129至255，对应输出电压范围在0.0234V至2.966V。

振荡器电路正常工作时，对于已编程的DAC输出电压，周期性方波信号在WINDOW端输出，其工作原理为：当极性控制端PC=0时，IA4的增益为正值，积分器进行正向积分运算，OA2的输出电压Vout2开始线性上升，当Vout2的值超过窗口比较器的上限阈值电压1.5V时，CP1输出高电平，CP2输出低电平，使输出端触发器置位操作，WINDOW端输出1；通过内部通道反馈，使得PC=1，从而IA4的增益变为负值，使积分器开始反向积分，OA2的输出电压开始下降，当Vout2的值小于下限阈值电压-1.5V时，使触发器复位操作，WINDOW端输出0，积分器再次开始正向积分。如此反复，WINDOW端的状态不断翻转，输出方波电压，同时在OA2端输出三角波电压Vout2，对应波形如图3所示。通过编程DAC可改变其转换输出电压，从而改变积分器的积分时间，使得输出信号频率得以控制。

4.下载及测试分析

对目标芯片ispPAC20的编程下载可通过工具PAC Designer实现[4]，按照图2所示的参数和连接方式将电路下载至ispPAC20后，对DAC在编码区间[129,255]内分别产生的输出信号频率进行测量，数据整理后可得对应关系曲线，如图4所示。

测试数据表明，在DAC在编码区间[129，255]内（对应其转换输出电压0.0234V-2.9766V），输出信号的频率与输入保持良好的线性关系，实现的频率可编程范围在0.3KHz至31KHz，输出信号的频率曲线具有较好线性度，频率间隔约为0.28KHz。

影响振荡器频率范围的因素主要有比较器阈值电压、积分电容和放大器增益。比较器阈值控制端可选择编程至内部参考电压1.5V或3V、端口IN3或CPIN接受外部调节电压，积分电容的编程范围为1.07pF至61.59pF，放大器整数增益范围为1至10。对振荡器输出信号的低频端拓展，可通过增加比较器阈值电压或积分电容值来实现；通过减小积分电容和增加放大器增益可缩短积分时间，以实现高频端拓展；经测试，高频端拓展最高可达300kHz，但输出频率在50KHz以上时，输出信号频率的线性度显著下降，这种现象主要由比较器的延时及放大器的非线性引起。

5.结束语

本文介绍了一种基于在系统可编程模拟器件ispPAC20的单片集成振荡器设计方法，对频率范围的拓展做了分析，具有开发速度快、可靠性高、灵活性高等优点。测试数据表明可实现的频率范围在0.3KHz至31KHz，可作为单元电路直接应用于中低频数模混合电路系统之中，具有一定的实用价值。

参考文献

[1]时伟,王福源,路铃.基于CPLD的片内振荡器设计[J].电子技术应用,2007,3:15-16.

[2]华成英.在系统可编程模拟器件简介[J].电气电子教学学报,2001,23(5):1-2.

[3]Lattice Semiconductor Co.ispPAC handbook[CD].Version 1.1,1999.

[4]李国洪,沈明山.可编程器件EDA技术与实践[M].北京:机械工业出版社,2004:210-211.

作者简介：时伟（1981—），男，硕士，主要从事电子设计自动化方面的研究和教学工作。