時鐘芯片：可編程的頻率合成器

? ? ? ? 整合的時鐘電路，是硬件技術進步的一個標志。

　　電腦中的不同設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，對晶體振蕩器產生的脈沖信號進行分頻（或倍頻），以便為不同運行速度的芯片（或設備）提供所需要的時鐘頻率。

　　圖1： i875P主板上各種設備的速度

　　普通分頻器為整數分頻器，其輸出頻率與輸入頻率之間為整數倍的關系，只能分段調節頻率，不能滿足精密調節的要求。

　　頻率合成器是“分數分頻器”，可對輸出頻率進行精細調節。研發工程師可自由地設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格。

　　目前電腦中的時鐘芯片一般都具有“分數分頻”能力，可以根據需要將調節步長設計到1％，甚至0.1％。

　　為了指導和規范頻率合成器的設計和應用，Intel制定了頻率合成器設計指南，如CK97、CK40X等，適用于最新Pentium 4處理器的規范是CK410。

　　頻率調節原理

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

　　晶體振蕩器（OSC）產生的頻率fi經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，FD）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之間的關系可以用公式fout＝fin×（N＋k/M）來表示，其中N、M和K均為整數，K可取0～M間的任意整數。

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

　　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絡的途徑，有了它，就能夠通過BIOS或軟件對寄存器進行改寫。

　　頻率寄存器中的每一位數據有兩種可能，“0”或“1”，那么當這幾位按不同狀態進行組合時就可得到多種外頻輸出。

　　頻率合成器的頻率調節精度與頻率寄存器的位數有關，譬如，如果頻率寄存器為5位，則調節步長為1MHz。為數越多，調節精度越高。

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