可以同时应用于不同终端设备的波特率发生器

崔建国，宁永香

(山西工程技术学院，山西 阳泉 045000)

0 引语

嵌入式系统是一种专用的计算机系统，作为装置或设备的一部分。通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。事实上，所有带有数字接口的设备，如手表、微波炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统。

一些比较复杂的嵌入式系统，基于性能的需求可能需要连接不同的终端设备，如磁带机、打印机、语声合成器、显示器等，而不同设备接口在传输数据时所要求的频率往往不同，所以嵌入式系统需要为每种终端设备提供不同的波特率发生器。

比如嵌入式系统常利用串口连接不同终端设备，这里的串口一般是指UART口，不同的UART口可能需要不同的波特率发生器为其提供工作时钟频率。一般利用定时/计数器如8253电路或单片机(如51系列单片机)作为波特率发生器。

我们通常不可能在不同的终端设备之间或不同的UART口之间使用同一个波特率发生器，但我们另外可以加若干个波特率发生器到计算机或不同终端里的UART中去。

设计一个简单的波特率发生器，它仅使用一个CMOS集成电路就可提供7种不同波特率信号，这个波特率发生器主要基于一块14级CMOS二进制计数器/振荡器电路，型号为CD4060。

1 CD 4060简介

这种波特率发生器之所以可以产生如此多的时钟信号，主要使用一块14级CMOS二进制计数器/振荡器电路CD4060，CD4060内部结构如图1所示[1]。

图1 CD4060内部电路功能框图

由图可知CD4060具有10个计数输出端,而且其内置了振荡电路，振荡器通过管脚9、10、11外接R/C元件或石英晶体就可以形成可控多谐振荡，振荡器已在内部连接到计数器的时钟输入端，复位端R(12脚)为低电平时，计数器清零或复位(Q4～Q14输出皆为“0”)，且振荡器使用无效；复位端R(12脚)为高电平时，由于外接的振荡定时元件控制产生一定频率的时钟脉冲信号，由时钟脉冲CP下降沿触发计数(如图1的CP端)，计数器开始计数，一个周期后在相应的管脚可以输出4分频到10分频，12分频到14分频的脉冲信号，其中Q14中的“14”即为14分频输出，其它类推[2]。

2 基于CD4060的波特率发生器

为了降低设计成本，我们设计的波特率发生器仅采用一个集成电路CD4060、三个电阻、两个电容和一个预置电位器组成，电路结构可划分为可控多谐振荡电路、计数器电路、波特率信号输出电路以及复位电路四部分，如图2所示。

图2 基于CD4060的波特率发生器电气原理图

上文已经指出CMOS集成电路4060是一个十四级二进制计数器，它带有一个内部振荡器，其振荡频率仅需由9、10、11脚外接R/C元件来确定，电阻R1、预置电位器P1、电容C1串连接于管脚9、10之间；电阻R2连接4060管脚11以及电位器P1之间。

主振荡频率可以由以下公式计算：

式中：f为赫兹，R为欧姆，C为法拉。

2.1 波特率发生器的工作过程

计数器的工作过程应该是这样的，由于4060的12脚为计数器复位端，计数器首先应置12脚为高电平以实现计数器清零或复位，这样可以使计数器的10个输出皆输出“0”电平，且振荡器使用无效。

第二步使复位端(12脚)置“0”，计数器开始计数，一个周期后在相应的管脚就可以输出从4分频到10分频，12分频到14分频的脉冲信号，形成我们所要求的波特率，例如Q4即为4分频的波特率输出端，Q10为10分频的波特率信号输出端……。

2.2 复位电路的设计

由R/C电路构成的微分电路的结构及其输入输出波形分析如图3所示，图3可以看出，如果微分电路的输入电压为方波，则其输出为尖顶波。

图3 微分运算电路结构图与输入输出波形分析图

在计数器4060的12脚设计一个计数器复位电路，如图2所示电路中的电容C2与电阻R3构成的复位电路实际组成了一个微分运算电路。

图2电路中的复位电路工作原理可以这样描述，电源VCC上电时，电容C2充电，由于电容有端电压不能突变的特性，故在电阻R3上出现电压，使得计数器复位或清零;几个毫秒后，C2充满电，电阻R3上电流降为0，电压也为0，使得计数器进入工作状态，开始计数。

为了方便控制计数器的工作，设计一个人工复位按钮，即在电容器C2两端添加一个轻触按钮S，如图2所示。计数器正式工作期间，按下轻触按钮S，电容C2放电，在电阻R3上出现电压，使得计数器复位。松开按钮S，电容C2又充电，几个毫秒后，计数器又进入工作状态，开始计数[3]。

复位电路也可以如图4所示设计，这种复位电路能够为计数器4060的12脚提供很准确的“0”电平，因此复位效果更好。

图4 由晶体管构成的复位电路

2.3 波特率发生器的输出

当电源接通后，经过复位电路提供复位信号，计数器开始工作，这时计数器4060的各输出端就可以输出波特率时钟信号，如电路图2所示，按照图中所示参数，波特率发生器的不同输出端的频率如表1所示。

表1 波特率发生器各个管脚输出波特率表

各个输出不同波特率的线已经在电路图2中标出，我们可以用一个连接线连接不同的输出端子，以选择所需的波特率输出。

3 调试

本振荡器可以用电位器P1调整到适当的频率。我们可以用示波器测量4060第9脚的输出或Q4～Q10的任意一脚的输出信号频率。其频率在第9脚上为38.4 kHz,Q4～Q10脚上应为图2或波特率表所标出的波特率。

我们常常会需要时钟频率为波特率的16倍，意思就是在接收终端设备的传输数据时，采用波特率的16倍频率作为接收时钟，例如异步工作的8251等串口芯片，简单解释如下。

标准UART(通用异步收发传输器)的RXD前端有一个"1到0跳变检测器",当其连续接收到8个RXD上的低电平时，该检测器就认为RXD线出现了起始位，进入接收数据状态，在接收状态，接收控制器对数据位7、8、9三个脉冲采样，并遵从三中取二的原则确定最终值。采用这一方法的根本目的仍然还是为了增强抗干扰，以提高数据传送的可靠性，采样信号总是在每个接收位的中间位置，这样可以避开数据位两端的边沿失真，也可以防止接收时钟频率和发送时钟频率不完全同步引起的误差[4]。

所以，为了得到这一时钟频率，我们可以将图2中电容C1容量由原来的470n更换为现在的27nF，4060第9脚的振荡频率应调到614.4 kHz。

4 结语

CD4060内置振荡源、具有10个计数输出端，本设计巧妙利用这个十四级二进制计数器, 将其主振荡频率通过各分频输出端口，得到4分频到10分频，12分频到14分频的脉冲信号，从而得到了不同的波特率输出，本文所设计的波特率发生器可以同时为7个不同的终端设备提供波特率信号，避免了不同的终端设备之间或不同的UART口之间使用同一个波特率发生器的弊端。

设计电路比较简单，但非常实用，可以很方便地应用在嵌入式系统里，性价比颇高。