時鐘芯片：可編程的頻率合成器

? ? ? ? 整合的時鐘電路，是硬件技術(shù)進(jìn)步的一個標(biāo)志。

　　電腦中的不同設(shè)備對時鐘頻率的要求是不一樣的，如果你從廢物箱中找來一塊286主板，可以看到有好幾顆晶振排列在一起。

　　電腦中的CPU，AGP插槽、PCI插槽、硬盤接口、USB端口和PS/2端口等在通信速度上有很大差異，所以需要提供不同的時鐘頻率，譬如PCI要求33MHz、USB為48MHz等（圖6）。

　　可是，一只石英振蕩器只能提供一種頻率，所以主板制造商通常將這些原本散布在主機(jī)板上各處的振蕩電路整合成一顆“頻率合成器（Frequency Synthesizer）”芯片，對晶體振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行分頻（或倍頻），以便為不同運(yùn)行速度的芯片（或設(shè)備）提供所需要的時鐘頻率。

　　圖1： i875P主板上各種設(shè)備的速度

　　普通分頻器為整數(shù)分頻器，其輸出頻率與輸入頻率之間為整數(shù)倍的關(guān)系，只能分段調(diào)節(jié)頻率，不能滿足精密調(diào)節(jié)的要求。

　　頻率合成器是“分?jǐn)?shù)分頻器”，可對輸出頻率進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)。研發(fā)工程師可自由地設(shè)計電路中的各種頻率，不再受限于石英震蕩晶體的固定頻率規(guī)格。

　　目前電腦中的時鐘芯片一般都具有“分?jǐn)?shù)分頻”能力，可以根據(jù)需要將調(diào)節(jié)步長設(shè)計到1％，甚至0.1％。

　　為了指導(dǎo)和規(guī)范頻率合成器的設(shè)計和應(yīng)用，Intel制定了頻率合成器設(shè)計指南，如CK97、CK40X等，適用于最新Pentium 4處理器的規(guī)范是CK410。

　　頻率調(diào)節(jié)原理

　　頻率合成器是一個具有頻率負(fù)反饋的時鐘信號系統(tǒng)（圖7），其中使用了兩個分頻器，Mdiv用于降低基準(zhǔn)頻率，Ndiv則用于對VCO進(jìn)行分頻。

　　晶體振蕩器（OSC）產(chǎn)生的頻率fi經(jīng)M分頻器后得到參考頻率fref，它與反饋頻率ffd分別送入鑒頻器（Frequency Detector，F(xiàn)D）的兩個反向輸入端，

　　鑒頻器輸出一個反映兩者之商的直流電壓，并經(jīng)低通濾波器（Low Pass Filter，LPF）濾除交流分量后，提供給壓控振蕩器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）輸出頻率信號fout。

　　圖2： 頻率合成原理圖

　　頻率合成器的輸出頻率fout與輸入頻率fin之間的關(guān)系可以用公式fout＝fin×（N＋k/M）來表示，其中N、M和K均為整數(shù)，K可取0～M間的任意整數(shù)。

　　非整數(shù)值N＋k/M通常寫作N.F，這里的圓點代表小數(shù)點，N表示頻率的整數(shù)部分，而F＝k/M則表示頻率的小數(shù)部分。

　　在輸入頻率fin、N和M均不改變的條件下，只要修改k值即可得到所需要頻率值fout。

　　在頻率合成器芯片中，有專門的SMBus接口電路，這是芯片的寄存器與外部聯(lián)絡(luò)的途徑，有了它，就能夠通過BIOS或軟件對寄存器進(jìn)行改寫。

　　頻率寄存器中的每一位數(shù)據(jù)有兩種可能，“0”或“1”，那么當(dāng)這幾位按不同狀態(tài)進(jìn)行組合時就可得到多種外頻輸出。

　　頻率合成器的頻率調(diào)節(jié)精度與頻率寄存器的位數(shù)有關(guān)，譬如，如果頻率寄存器為5位，則調(diào)節(jié)步長為1MHz。為數(shù)越多，調(diào)節(jié)精度越高。

　　在實用的頻率合成器中，Mdiv和Ndiv兩個分頻器均為可編程的，只要用戶設(shè)定相應(yīng)的fout數(shù)值，BIOS便能自動給出N、M和K的值，并通過SMBus總線寫入相應(yīng)的寄存器中。