可实时编程的高频信号源设计
2017-02-17北方工业大学电子信息工程学院雷丁阳周传宝
北方工业大学电子信息工程学院 张 袁 雷丁阳 冯 宇 周传宝
可实时编程的高频信号源设计
北方工业大学电子信息工程学院 张 袁 雷丁阳 冯 宇 周传宝
本设计主要是利用单片机控制可编程时钟芯片CDCE906来进行高频信号源的设计。单片机本身没有I2C接口，但其可以利用I2C技术用软件模拟出I2C总线的工作时序，将控制数据发送到CDCE906的I2C接口，控制CDCE906实时发送时钟信号，由于高频信号会发生幅度衰减，所以通过OPA690对信号进行放大，进而达到所需目的。
CDCE906；单片机；OPA690；I2C接口
1 信号发生器硬件电路设计
1.1 硬件电路部分
STC12C5A60S2通过软件模拟I2C接口控制CDCE906产生频率信号的硬件电路原理图如图1所示。STC12C5A60S2为5V单片机，CDCE906的供电电压是3.3V，单片机在于CDCE906通信时在总线SDA和SCL上分别串联了一个330欧的电阻以防止CDCE906被烧坏。单片机的晶振为11.0592MHZ、CDCE906的晶振为10MHZ。当频率信号从Y0输出时，是一个中值为1.5V的方波信号，经电容C6滤除直流分量后经OPA690放大，OPA690的放大倍数为2倍。
1.2 CDCE906简介
可实时编程时钟芯片CDCE906是德州仪器推出的一款高稳定性时钟乘法器，可提供60ps的低周期抖动和系统扩频时钟（SSC）技术。该器件内部拥有3个锁相环（PLL），可以通过单个时钟源实现6路输出。设计人员可对器件的3个电路内锁相环（PLL）组件进行实时编程，每路最高输出频率可达167MHZ。CDCE906的另一个性能提升在于其可实时编程的扩频时钟（SSC），不仅可以降低系统的电磁干扰，还可以减小对金属外壳的依赖。
CDCE906可以接收的晶振频率范围为8MHZ到54MHZ，也可通过LVCMOS或者差分输入时钟，本设计采用的是外部晶振提供时钟信号。设计人员可通过S1、S0、SDATA和SCLOCK 四个管脚对其进行控制。
1.3 OPA690简介
OPA690是一种具有禁用功能的宽带增益电压反馈运算放大器，其使用一个新的高转换率输入，一个新的输出级芯片结构使输出高电流占用较小的空间，这些技术结合起来提供了优秀的单电源运放。其还具有高转换速率（1800V/us）、高输出电流（190mA）、高输出功率能力、单位增益可达500MHZ、灵活的电源供电范围（单电源电压范围为5V到12V，双电源电压范围为±2.5V到± 5V）等特性。
2 软件控制指令设计
2.1 I2C总线说明
图1 信号发生器硬件电路
CDCE906通信采用的是I2C总线协议，最高传送速率可达400kpbs。I2C总线为同步传输总线，它仅用两条线就能实现主从设备简单双向通信，其中SDATA为串行数据线，负责串行数据的双向传输，而另一条线则是串行时钟线，负责发送同步时钟信号。I2C总线一般工作在主从工作模式下，即单片机为主设备，其它挂接在I2C总线上的器件为从设备。主设备负责产生时钟信号、发出启动命令、传输数据、停止通信等等，从设备则完成各种通信任务。STC12C5A60S2本身没有集成I2C总线接口模块，但单片机只要通过软件正确的模拟出I2C总线的工作时序，单片机就能与拥有I2C接口的器件或设备进行通信。
2.2 CDCE906控制指令说明
CDCE906拥有两种写操作方式，方便不同的用户需求：一种是字节写（Byte Write）操作，另一种是块写（Block Write）操作。CDCE906所有字节都有缺省值，只需改动其中少数几个地址，不连续的字节就能获得所需结果。如果想要修改多数字节，建议使用块写方式，块写方式更为方便。本设计使用的是字节写方式对相应字节进行修改。
CDCE906的通信协议中S为启始条件，Slave Address为将要写入芯片的地址，通过S1、S0管脚控制芯片的地址，就可以实现单片机对相应的CDCE906芯片进行读写操作。Wr为单片机对芯片进行读写操作，当Wr=1时表示对其进行读操作，当Wr=0时表示对其进行写操作。A表示应答信号，当单片对其进行写操作时，写入时CDCE906会返回一个低电平，未写入则返回高电平。CommandCode的最高位（即第8位）为块读写、字节读写操作选择位，当其为0时为块读写操作，当其为1时为字节读写操作。CommandCode的低7位为读写字节的偏移地址。在对CDCE906进行写操作时，都是按照从低字节到高字节的顺序进行的。写完之后CDCE906会返回一个应答信号表示是否写入成功。
CDCE906的S1、S0管脚为控制管脚，在缺省条件下S1控制CDCE906输出是否被禁止，S0控制CDCE906是否处于休眠状态，二者均为低电平有效。当CDCE906的第10B的最低四位全为1时，S1、S0就成为地址选择引脚，此时S1、S0的状态要Slave Address的最低两位相对应。本设计只对单个CDCE906进行读写操作，所以第10B的第四位使用默认缺省值0000，Slave Address使用缺省值1101001。将S1、S0管脚始终置高，如图1所示，S1、S0均接3.3V。
2.3 CDCE906频率的计算
在给定晶振频率（f）后，CDCE906的输出频率可以通过公式计算得到：
其中M、N是PLL的乘法器/除法器的值；P是锁相环输出的分频因子。M的值要尽可能的小以优化抖动性能，M要小于等于N（N/M＞=1）。M、N、P的取值范围为1～511、0～4095、1～127。
2.4 控制程序设计
单片机控制CDCE906输出相应频率的程序流程图如图2所示。单片机通过改变CDCE906内部的M、N、P的值就可以得到不同频率的方波信号。
图2 单片机控制CDCE906芯片的程序流程图
3 结束语
将编写好的程序通过串口下载到单片机上，再给单片机和CDCE906供电，通过示波器可以看到输出稳定的方波信号。再通过单片机改变CDCE906内部的M、N、P的值，又可以得到不同的频率信号。也可以将M、P设置为定值，通过改变N的值可使CDCE906输出扫频信号，信号源可应用于多种场合。
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致谢：本论文由“2016年度北京市大学生科学研究与创业行动计划”支持。
