摘要: 介紹了時鐘分相技術(shù)并討論了時鐘分相技術(shù)在高速數(shù)字電路設(shè)計中的作用。
關(guān)鍵詞: 時鐘分相技術(shù); 應(yīng)用
中圖分類號: TN 79 文獻標識碼:A 文章編號: 025820934 (2000) 0620437203
時鐘是高速數(shù)字電路設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一, 系統(tǒng)時鐘的性能好壞, 直接影響了整個電路的
性能。尤其現(xiàn)代電子系統(tǒng)對性能的越來越高的要求, 迫使我們集中更多的注意力在更高頻率、
更高精度的時鐘設(shè)計上面。但隨著系統(tǒng)時鐘頻率的升高。我們的系統(tǒng)設(shè)計將面臨一系列的問
題。
1) 時鐘的快速電平切換將給電路帶來的串擾(Crosstalk) 和其他的噪聲。
2) 高速的時鐘對電路板的設(shè)計提出了更高的要求: 我們應(yīng)引入傳輸線(T ransm ission
L ine) 模型, 并在信號的匹配上有更多的考慮。
3) 在系統(tǒng)時鐘高于100MHz 的情況下, 應(yīng)使用高速芯片來達到所需的速度, 如ECL 芯
片, 但這種芯片一般功耗很大, 再加上匹配電阻增加的功耗, 使整個系統(tǒng)所需要的電流增大, 發(fā)
熱量增多, 對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和集成度有不利的影響。
4) 高頻時鐘相應(yīng)的電磁輻射(EM I) 比較嚴重。
所以在高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中對高頻時鐘信號的處理應(yīng)格外慎重, 盡量減少電路中高頻信
號的成分, 這里介紹一種很好的解決方法, 即利用時鐘分相技術(shù), 以低頻的時鐘實現(xiàn)高頻的處
理。
1 時鐘分相技術(shù)
我們知道, 時鐘信號的一個周期按相位來分, 可以分為360°。所謂時鐘分相技術(shù), 就是把
時鐘周期的多個相位都加以利用, 以達到更高的時間分辨。在通常的設(shè)計中, 我們只用到時鐘
的上升沿(0 相位) , 如果把時鐘的下降沿(180°相位) 也加以利用, 系統(tǒng)的時間分辨能力就可以
提高一倍(如圖1a 所示)。同理, 將時鐘分為4 個相位(0°、90°、180°和270°) , 系統(tǒng)的時間分辨就
可以提高為原來的4 倍(如圖1b 所示)。
以前也有人嘗試過用專門的延遲線或邏輯門延時來達到時鐘分相的目的。用這種方法產(chǎn)生的相位差不夠準確, 而且引起的時間偏移(Skew ) 和抖動
(J itters) 比較大, 無法實現(xiàn)高精度的時間分辨。
近年來半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展, 使高質(zhì)量的分相功能在一
片芯片內(nèi)實現(xiàn)成為可能, 如AMCC 公司的S4405, CY2
PRESS 公司的CY9901 和CY9911, 都是性能優(yōu)異的時鐘
芯片。這些芯片的出現(xiàn), 大大促進了時鐘分相技術(shù)在實際電
路中的應(yīng)用。我們在這方面作了一些嘗試性的工作: 要獲得
良好的時間性能, 必須確保分相時鐘的Skew 和J itters 都
比較小。因此在我們的設(shè)計中, 通常用一個低頻、高精度的
晶體作為時鐘源, 將這個低頻時鐘通過一個鎖相環(huán)(PLL ) ,
獲得一個較高頻率的、比較純凈的時鐘, 對這個時鐘進行分相, 就可獲得高穩(wěn)定、低抖動的分
相時鐘。
這部分電路在實際運用中獲得了很好的效果。下面以應(yīng)用的實例加以說明。2 應(yīng)用實例
2. 1 應(yīng)用在接入網(wǎng)中
在通訊系統(tǒng)中, 由于要減少傳輸
上的硬件開銷, 一般以串行模式傳輸
圖3 時鐘分為4 個相位
數(shù)據(jù), 與其同步的時鐘信號并不傳輸。
但本地接收到數(shù)據(jù)時, 為了準確地獲取
數(shù)據(jù), 必須得到數(shù)據(jù)時鐘, 即要獲取與數(shù)
據(jù)同步的時鐘信號。在接入網(wǎng)中, 數(shù)據(jù)傳
輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。
數(shù)據(jù)以68MBös 的速率傳輸, 即每
個bit 占有14. 7ns 的寬度, 在每個數(shù)據(jù)
幀的開頭有一個用于同步檢測的頭部信息。我們要找到與它同步性好的時鐘信號, 一般時間
分辨應(yīng)該達到1ö4 的時鐘周期。即14. 7ö 4≈ 3. 7ns, 這就是說, 系統(tǒng)時鐘頻率應(yīng)在300MHz 以
上, 在這種頻率下, 我們必須使用ECL inp s 芯片(ECL inp s 是ECL 芯片系列中速度最快的, 其
典型門延遲為340p s) , 如前所述, 這樣對整個系統(tǒng)設(shè)計帶來很多的困擾。
我們在這里使用鎖相環(huán)和時鐘分相技術(shù), 將一個16MHz 晶振作為時鐘源, 經(jīng)過鎖相環(huán)
89429 升頻得到68MHz 的時鐘, 再經(jīng)過分相芯片AMCCS4405 分成4 個相位, 如圖3 所示。
我們只要從4 個相位的68MHz 時鐘中選擇出與數(shù)據(jù)同步性最好的一個。選擇的依據(jù)是:
在每個數(shù)據(jù)幀的頭部(HEAD) 都有一個8bit 的KWD (KeyWord) (如圖1 所示) , 我們分別用
這4 個相位的時鐘去鎖存數(shù)據(jù), 如果經(jīng)某個時鐘鎖存后的數(shù)據(jù)在這個指定位置最先檢測出這
個KWD, 就認為下一相位的時鐘與數(shù)據(jù)的同步性最好(相關(guān))。
根據(jù)這個判別原理, 我們設(shè)計了圖4 所示的時鐘分相選擇電路。
在板上通過鎖相環(huán)89429 和分相芯片S4405 獲得我們所要的68MHz 4 相時鐘: 用這4 個
時鐘分別將輸入數(shù)據(jù)進行移位, 將移位的數(shù)據(jù)與KWD 作比較, 若至少有7bit 符合, 則認為檢
出了KWD。將4 路相關(guān)器的結(jié)果經(jīng)過優(yōu)先判選控制邏輯, 即可輸出同步性最好的時鐘。這里, 我們運用AMCC 公司生產(chǎn)的
S4405 芯片, 對68MHz 的時鐘進行了4 分
相, 成功地實現(xiàn)了同步時鐘的獲取, 這部分
電路目前已實際地應(yīng)用在某通訊系統(tǒng)的接
入網(wǎng)中。
2. 2 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用
高速、高精度的模擬- 數(shù)字變換
(ADC) 一直是高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵部
分。高速的ADC 價格昂貴, 而且系統(tǒng)設(shè)計
難度很高。以前就有人考慮使用多個低速
圖5 分相技術(shù)應(yīng)用于采集系統(tǒng)
ADC 和時鐘分相, 用以替代高速的ADC, 但由
于時鐘分相電路產(chǎn)生的相位不準確, 時鐘的
J itters 和Skew 比較大(如前述) , 容易產(chǎn)生較
大的孔徑晃動(Aperture J itters) , 無法達到很
好的時間分辨。
現(xiàn)在使用時鐘分相芯片, 我們可以把分相
技術(shù)應(yīng)用在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中: 以4 分相后
圖6 分相技術(shù)提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集率
的80MHz 采樣時鐘分別作為ADC 的
轉(zhuǎn)換時鐘, 對模擬信號進行采樣, 如圖5
所示。
在每一采集通道中, 輸入信號經(jīng)過
緩沖、調(diào)理, 送入ADC 進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,
采集到的數(shù)據(jù)寫入存儲器(M EM )。各個
采集通道采集的是同一信號, 不過采樣
點依次相差90°相位。通過存儲器中的數(shù)
據(jù)重組, 可以使系統(tǒng)時鐘為80MHz 的采
集系統(tǒng)達到320MHz 數(shù)據(jù)采集率(如圖6 所示)。
3 總結(jié)
靈活地運用時鐘分相技術(shù), 可以有效地用低頻時鐘實現(xiàn)相當于高頻時鐘的時間性能, 并
避免了高速數(shù)字電路設(shè)計中一些問題, 降低了系統(tǒng)設(shè)計的難度。
標簽：
時鐘
分相
技術(shù)應(yīng)用
上傳時間：
2013-12-17
上傳用戶：xg262122
注:1.這篇文章斷斷續(xù)續(xù)寫了很久,畫圖技術(shù)也不精,難免錯漏,大家湊合看.有問題可以留言.
2.論壇排版把我的代碼縮進全弄沒了,大家將代碼粘貼到arduino編譯器,然后按ctrl+T重新格式化代碼格式即可看的舒服.
一、什么是PWM
PWM 即Pulse Wavelength Modulation 脈寬調(diào)制波，通過調(diào)整輸出信號占空比，從而達到改 變輸出平均電壓的目的。相信Arduino 的PWM 大家都不陌生，在Arduino Duemilanove 2009 中，有6 個8 位精度PWM 引腳，分別是3, 5, 6, 9, 10, 11 腳。我們可以使用analogWrite()控 制PWM 腳輸出頻率大概在500Hz 的左右的PWM 調(diào)制波。分辨率8 位即2 的8 次方等于 256 級精度。但是有時候我們會覺得6 個PWM 引腳不夠用。比如我們做一個10 路燈調(diào)光， 就需要有10 個PWM 腳。Arduino Duemilanove 2009 有13 個數(shù)字輸出腳，如果它們都可以 PWM 的話，就能滿足條件了。于是本文介紹用軟件模擬PWM。
二、Arduino 軟件模擬PWM
Arduino PWM 調(diào)壓原理：PWM 有好幾種方法。而Arduino 因為電源和實現(xiàn)難度限制，一般 使用周期恒定，占空比變化的單極性PWM。
通過調(diào)整一個周期里面輸出腳高/低電平的時間比（即是占空比）去獲得給一個用電器不同 的平均功率。
如圖所示，假設(shè)PWM 波形周期1ms（即1kHz），分辨率1000 級。那么需要一個信號時間 精度1ms/1000=1us 的信號源，即1MHz。所以說，PWM 的實現(xiàn)難點在于需要使用很高頻的 信號源，才能獲得快速與高精度。下面先由一個簡單的PWM 程序開始：
const int PWMPin = 13;
int bright = 0;
void setup()
{
pinMode(PWMPin, OUTPUT);
}
void loop()
{
if((bright++) == 255) bright = 0;
for(int i = 0; i < 255; i++)
{
if(i < bright)
{
digitalWrite(PWMPin, HIGH);
delayMicroseconds(30);
}
else
{
digitalWrite(PWMPin, LOW);
delayMicroseconds(30);
}
}
}
這是一個軟件PWM 控制Arduino D13 引腳的例子。只需要一塊Arduino 即可測試此代碼。 程序解析：由for 循環(huán)可以看出，完成一個PWM 周期，共循環(huán)255 次。
假設(shè)bright=100 時候，在第0~100 次循環(huán)中，i 等于1 到99 均小于bright，于是輸出PWMPin 高電平；
然后第100 到255 次循環(huán)里面，i 等于100~255 大于bright，于是輸出PWMPin 低電平。無 論輸出高低電平都保持30us。
那么說，如果bright=100 的話，就有100 次循環(huán)是高電平，155 次循環(huán)是低電平。 如果忽略指令執(zhí)行時間的話，這次的PWM 波形占空比為100/255，如果調(diào)整bright 的值， 就能改變接在D13 的LED 的亮度。
這里設(shè)置了每次for 循環(huán)之后，將bright 加一，并且當bright 加到255 時歸0。所以，我們 看到的最終效果就是LED 慢慢變亮，到頂之后然后突然暗回去重新變亮。 這是最基本的PWM 方法，也應(yīng)該是大家想的比較多的想法。
然后介紹一個簡單一點的。思維風格完全不同。不過對于驅(qū)動一個LED 來說，效果與上面 的程序一樣。
const int PWMPin = 13;
int bright = 0;
void setup()
{
pinMode(PWMPin, OUTPUT);
}
void loop()
{
digitalWrite(PWMPin, HIGH);
delayMicroseconds(bright*30);
digitalWrite(PWMPin, LOW);
delayMicroseconds((255 - bright)*30);
if((bright++) == 255) bright = 0;
}
可以看出，這段代碼少了一個For 循環(huán)。它先輸出一個高電平，然后維持(bright*30)us。然 后輸出一個低電平，維持時間((255-bright)*30)us。這樣兩次高低就能完成一個PWM 周期。 分辨率也是255。
三、多引腳PWM
Arduino 本身已有PWM 引腳并且運行起來不占CPU 時間，所以軟件模擬一個引腳的PWM 完全沒有實用意義。我們軟件模擬的價值在于：他能將任意的數(shù)字IO 口變成PWM 引腳。
當一片Arduino 要同時控制多個PWM，并且沒有其他重任務(wù)的時候，就要用軟件PWM 了。
多引腳PWM 有一種下面的方式：
int brights[14] = {0}; //定義14個引腳的初始亮度，可以隨意設(shè)置
int StartPWMPin = 0, EndPWMPin = 13; //設(shè)置D0~D13為PWM 引腳
int PWMResolution = 255; //設(shè)置PWM 占空比分辨率
void setup()
{
//定義所有IO 端輸出
for(int i = StartPWMPin; i <= EndPWMPin; i++)
{
pinMode(i, OUTPUT);
//隨便定義個初始亮度,便于觀察
brights[ i ] = random(0, 255);
}
}
void loop()
{
//這for 循環(huán)是為14盞燈做漸亮的。每次Arduino loop()循環(huán)，
//brights 自增一次。直到brights=255時候，將brights 置零重新計數(shù)。
for(int i = StartPWMPin; i <= EndPWMPin; i++)
{
if((brights[i]++) == PWMResolution) brights[i] = 0;
}
for(int i = 0; i <= PWMResolution; i++) //i 是計數(shù)一個PWM 周期
{
for(int j = StartPWMPin; j <= EndPWMPin; j++) //每個PWM 周期均遍歷所有引腳
{
if(i < brights[j])\
所以我們要更改PWM 周期的話，我們將精度（代碼里面的變量：PWMResolution）降低就行，比如一般調(diào)整LED 亮度的話，我們用64 級精度就行。這樣速度就是2x32x64=4ms。就不會閃了。
標簽：
Arduino
PWM
軟件模擬
上傳時間：
2013-10-08
上傳用戶：dingdingcandy
