基于CPLD的片内振荡器设计.docVIP

基于CPLD的片内振荡器设计 ??????? 在绝大部分数字系统设计中，时钟是不可或缺的部分，通常采用外接有源或者无源振荡器来提供时钟信号。外接时钟的优点是性能稳定，设计简便；缺点是会增加电路板面积，而且高频设计时对电路板布线和加工的要求比较严格，可能增加系统成本和设计难度。基于可编程逻辑器件FPGA／CPLD的设计提供了另外一种选择，即采用片内的可编程资源实现振荡器功能。这种设计可以将振荡部分同时集成到FPGA／CPLD中，减少了外部资源的使用。 ??????? 环形振荡器是最简单的振荡器设计方法，在分立器件和专用集成电路(ASIC)设计中一直受到关注[1,2,3]。但是在这类设计中，振荡频率随电压变化的特性使其应用受到限制，所以要在工艺或电路设计方面考虑振荡频率的稳定问题[2][3]。随着电路制造技术的发展，稳压电路已经物美价廉；另外，FPGA／CPLD厂商为用户在片内预设了一些特定模块，为振荡器的片内实现提供了方便。如Altera公司的MaxII系列CPLD芯片，允许用户通过软件Quartus II的MegaWizard：Plug-in Manager功能来调用系统提供的参数化模块库(LPM)。其中的IO／MAXII Oscil-lator[4]模块即是一个能在芯片内部实现片内振荡器的软核，其工作频率范围为3.33MHz～5.56MHz，用户不可以调整工作频率。在做仿真应用时，可选择3.33或5.56MHz；在实际应用中，会自动给出3.33～5.56MHz范围内的振荡频率。该片上振荡器模块只能下载在MaxII系列芯片内的用户闪存存储器(UFM)上，振荡输出可以驱动芯片引脚和内部逻辑，该UFM资源一旦作为振荡器使用，便不能再实现并联接口(PIO)、串连接口(SPI)和IIC接口等其他功能。 本文介绍一种通用的基于CPLD的片内振荡器设计方法，它基于环形振荡器原理，只占用片上普通逻辑资源(LE)，无需使用专用逻辑资源(如MaxII中的UFM)，从而提高了芯片的资源利用率；振荡频率可在一定范围内调整，振荡输出可以驱动内部逻辑和外部器件引脚。本设计有较大的通用性，可方便地在不同CPLD器件间移植，使一些基于CPLD的片上系统(SoC)设计无需使用外部时钟信号源，从而降低设计成本和难度，增加系统集成度。通过在Altera公司的MAX7000系列EMP7128LC84-15芯片上的实验说明实现的方法。实验实现的频率范围在8MHz～62MHz。仿真和硬件测试结果表明了该设计方法的正确性和可行性。 1 基于CPLD的片内环形振荡器 环形振荡器原理如图1所示。由奇数个非门组成的环形非门级联串使电路处于无稳定状态，静态下任何一个非门的输入和输出都不可能稳定在高电平或低电平，而只能处于周而复始的高低电平转换状态，从而产生自激振荡[5]。振荡周期为T=2Ntpd，其中N是非门的个数，tpd是每个非门的传输延迟时间，改变电路中非门的数量可以改变电路的振荡频率。 图1所示的环形振荡器即使采用电路原理图输入，经电子设计自动化(EDA)软件综合后，也得不到对应的电路结构。实际上，EDA综合工具不是从电路结构出发，而是从电路输入和输出的逻辑关系出发给出综合结果，所以，奇数个非门的级联将被综合为一个非门，而偶数个非门的级联被综合为一个缓冲或一条联线。为能在CPLD器件中实现图1的环形振荡器结构，本文将图1中单端口输入元件改成二端口输入元件，即用二输入与非门代替图1的第一个非门，其余偶数个非门则用二输入与门代替，二端口元件的一个输入端口连接上级输出，另一输入端口作为控制端引出。振荡器正常工作时控制端全部置高电平。采用Synplify Pro 7.7综合后的原理图如图2所示。该电路完全可实现图1的功能。 为了保证正反馈，图1结构的非门级联必须是奇数个。图2中的与非门起到反相作用，其他与门则起延时缓冲的作用。可以通过改变门的数量以及选择门的种类(与门、与非门等)改变osc输出端的振荡频率，而不受奇数个门的限制，只要保障第一个门得到正反馈就可以产生振荡。而图1的结构必须改变偶数个非门才能达到改变振荡频率的目的，因而图2结构在CPLD芯片中实现时可以节省逻辑资源。控制端oscena[n-1，0]为振荡使能控制端，置高电平时，与非门的输入和输出在缓冲级联链的反馈作用下产生自激振荡，振荡器正常工作；控制端的任意一位置零使振荡器停振。所以oscena既可单独使用，也可互联后作为一个端使用。实验证明，图2结构能够保证门延时的等间隔特性。 2 CPLD片内振荡器的实现和优化 2.1 CPLD片内振荡器的实现 基于上述方法的片内环形振荡器设计有很大的通用性，可在不同CPLD芯片间方便地移植。本文以Altera公司的MAX7000S系列CPLD芯片的实现和测试为例说明。MAX70