基于ispPAC器件的可编程振荡器设计

2019-10-18 版权声明 举报文章

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。

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