基于CPLD的片內環形振蕩器的設計方案

本文介紹一種通用的基于CPLD的片內振蕩器設計方法，它基于環形振蕩器原理，只占用片上普通邏輯資源(LE)，無需使用專用邏輯資源(如MaxII中的UFM)，從而提高了芯片的資源利用率；振蕩頻率可在一定范圍內調整，振蕩輸出可以驅動內部邏輯和外部器件引腳。本設計有較大的通用性，可方便地在不同CPLD器件間移植，使一些基于CPLD的片上系統(SoC)設計無需使用外部時鐘信號源，從而降低設計成本和難度，增加系統集成度。通過在Altera公司的MAX7000系列EMP7128LC84-15芯片上的實驗說明實現的方法。實驗實現的頻率范圍在8MHz～62MHz。仿真和硬件測試結果表明了該設計方法的正確性和可行性。

1 基于CPLD的片內環形振蕩器

環形振蕩器原理如圖1所示。由奇數個非門組成的環形非門級聯串使電路處于無穩定狀態，靜態下任何一個非門的輸入和輸出都不可能穩定在高電平或低電平，而只能處于周而復始的高低電平轉換狀態，從而產生自激振蕩。振蕩周期為T=2Ntpd，其中N是非門的個數，tpd是每個非門的傳輸延遲時間，改變電路中非門的數量可以改變電路的振蕩頻率。






圖1所示的環形振蕩器即使采用電路原理圖輸入，經電子設計自動化(EDA)軟件綜合后，也得不到對應的電路結構。實際上，EDA綜合工具不是從電路結構出發，而是從電路輸入和輸出的邏輯關系出發給出綜合結果，所以，奇數個非門的級聯將被綜合為一個非門，而偶數個非門的級聯被綜合為一個緩沖或一條聯線。為能在CPLD器件中實現圖1的環形振蕩器結構，本文將圖1中單端口輸入元件改成二端口輸入元件，即用二輸入與非門代替圖1的第一個非門，其余偶數個非門則用二輸入與門代替，二端口元件的一個輸入端口連接上級輸出，另一輸入端口作為控制端引出。振蕩器正常工作時控制端全部置高電平。采用Synplify Pro 7.7綜合后的原理圖如圖2所示。該電路完全可實現圖1的功能。

為了保證正反饋，圖1結構的非門級聯必須是奇數個。圖2中的與非門起到反相作用，其他與門則起延時緩沖的作用。可以通過改變門的數量以及選擇門的種類(與門、與非門等)改變osc輸出端的振蕩頻率，而不受奇數個門的限制，只要保障第一個門得到正反饋就可以產生振蕩。而圖1的結構必須改變偶數個非門才能達到改變振蕩頻率的目的，因而圖2結構在CPLD芯片中實現時可以節省邏輯資源。控制端oscena[n-1，0]為振蕩使能控制端，置高電平時，與非門的輸入和輸出在緩沖級聯鏈的反饋作用下產生自激振蕩，振蕩器正常工作；控制端的任意一位置零使振蕩器停振。所以oscena既可單獨使用，也可互聯后作為一個端使用。實驗證明，圖2結構能夠保證門延時的等間隔特性。





2 CPLD片內振蕩器的實現和優化

2.1 CPLD片內振蕩器的實現

基于上述方法的片內環形振蕩器設計有很大的通用性，可在不同CPLD芯片間方便地移植。本文以Altera公司的MAX7000S系列CPLD芯片的實現和測試為例說明。MAX7000S系列基于先進的多矩陣構架設計，采用CMOS工藝制造，容量高達256個邏輯單元LE(Logic El-ement)，每16個宏單元組成一個邏輯陣列塊LAB(LogicArray Block)，速度達3.5ns的管腳到管腳延時，同時支持多種I／O電壓標準。

從EDA軟件綜合后的報告可以看出，圖2所示電路中每個門占用了一個邏輯單元。也就是說，電路內LE的延時將作為門的延時tpd，而且需要將振蕩使能端引出到I／O引腳，當所實現振蕩頻率較低時，需要較多的門電路單元，這將占用一定的邏輯和引腳資源，從而降低芯片資源的利用率，所以在低頻情況下使用時，要綜合考慮系統需要的振蕩頻率，盡量用較少的門電路實現環形振蕩器，以提供較高振蕩頻率，再設計分頻電路以取得合適的振蕩頻率，從而提高芯片的資源利用率。綜合器的這一處理，從客觀上保證了設計者可以選擇不同的門來實現圖2的結構，仍然可以保證振蕩間隔的一致性。實驗也證實了這個結果。

2.2 電源電壓的影響

電壓會影響振蕩電路的工作頻率，電壓增大會導致電路振蕩頻率增加，反之振蕩頻率減小。CPLD芯片一般有兩個相對獨立的供電端口，即核心電壓(VCCINT)和引腳電壓(VCCIO)。其中核心電壓給芯片內部可編程邏輯電路資源提供電源，引腳電壓為芯片的I／O引腳提供電源，以適應各種輸出標準(如LVCOMOS、LVTTL、SSTL-2、SSTL-3等)。對振蕩頻率有影響的是CPLD芯片的核心電壓，對此電壓應采取穩壓措施，穩壓措施要視不同的應用要求而定。最簡單的措施是采用高性能的穩壓芯片給CPLD芯片分別提供兩部分電壓。隨著半導體技術的發展，簡單而廉價的穩壓芯片已具有較高的性能，如National公司的LM2678系列芯片在有效輸入變化范圍內，穩壓輸出誤差在±2％以內。

2.3 CPLD片內振蕩器優化

通過EDA軟件對設計做優化有可能提高所設計的振蕩器的性能，減少對CPLD片內資源的占用。當采用MAX+plusII10.2軟件設計時，軟件優化開關設置為：(1)本設計選用MAX系列芯片，故選擇對該芯片的多層綜合選項(Multi-Level Synthesis for Max5000／7000／9000De-vice)。(2)在面積和速度優化選項中，選擇對面積的優化，使振蕩器部分盡可能分配到同一個LAB中。(3)打開Slow Slew Rate以降低開關噪聲，打開XOR Synthesis以減少芯片面積的占用。

3 電路仿真及測試結果

本文以Altera公司的MAX+plus II 10.2為設計工具，在MAX7000S系列芯片上實現并測試。圖3為選用EMP7128LC84-15芯片的時序仿真結果。其中p0～p7分別為環形振蕩電路中單個門之后的電路節點；oscena[7…0]為各延時門電路的控制端(即所有二輸入門中多余的輸入端)。






表1列出了以EPM7128LC84-15為目標芯片、采用Tektronic TDS2012示波器對用不同門數實現的片內振蕩器的測試數據。F1和F2分別表示片內振蕩器輸出和二分頻輸出的測量數據。圖4給出了測量數據的曲線。