如何滿足復(fù)雜系統(tǒng)的高性能時序需求

時鐘設(shè)備設(shè)計使用 I2C 可編程小數(shù)鎖相環(huán) （PLL），可滿足高性能時序需求，這樣可以產(chǎn)生零 PPM（百萬分之一）合成誤差的頻率。高性能時鐘 IC 具有多個時鐘輸出，用于驅(qū)動打印機、掃描儀和路由器等應(yīng)用系統(tǒng)的子系統(tǒng)，例如處理器、FPGA、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等。此類復(fù)雜系統(tǒng)需要動態(tài)更新參考時鐘的頻率，以實現(xiàn) PCIe 和以太網(wǎng)等其它諸多協(xié)議。

時鐘 IC 屬于 I2C 從器件，需要主控制器來配置內(nèi)部 PLL 邏輯，其控制邏輯可以寫入微控制器內(nèi)。作為 I2C 主機，微控制器將配置寫入時鐘 IC 的內(nèi)部易失性存儲器并控制 PLL。因此，可以通過板上 MCU - IC 組合進行系統(tǒng)時鐘頻率的動態(tài)更新?？删幊涛⒖刂破鳛楦咝阅軙r鐘 IC 提供控制邏輯能力，通過減少板載 IC和板上走線使整體設(shè)計更加緊湊，并降低最終物料成本。

操作理論

圖 1 為高性能時鐘設(shè)備的基本 PLL 架構(gòu)。該設(shè)計使用比例因子為 PLL 輸出端口提供時鐘合成。最終輸出頻率的基本公式為：

· fREF 為輸入?yún)⒖季w頻率（在多數(shù)應(yīng)用中通常為 8 MHz 至 48 MHz）。

· DIV_R（DIV_R1 和 DIV_R2）是輸入頻率參考的分頻因子。此類分頻器名為預(yù)分頻器。

· DIV_N 為小數(shù) N 分頻因子。

· DIV_O（DIV-O1、DIV-O2、DIV-O3 和 DIV-O4）為輸出前的后分頻因子。

圖 1簡化高性能時鐘的 PLL 架構(gòu)框圖。

圖1中的橙色框圖為參數(shù)，使用這些參數(shù)的方程式為可編程方程式。這些參數(shù)可以在出廠時寫入時鐘設(shè)備的非易失性存儲器。時鐘設(shè)備具有內(nèi)部易失性和非易失性存儲器，兩個存儲器互相復(fù)制其內(nèi)容。非易失性存儲器在出廠時已被寫入所需配置，在最終應(yīng)用中，當設(shè)備啟動電源時，非易失性存儲器的內(nèi)容會被復(fù)制到易失性存儲器。同時，PLL 產(chǎn)生所需的默認時鐘輸出。

時鐘 IC 的重要特性之一就是通過 I2C 接口實現(xiàn)運行時可編程。通過可編程功能，用戶可以更改設(shè)備的易失性存儲器內(nèi)容以進行即時更改。只需使用適當?shù)?I2C 指令，就可以通過主控制器實現(xiàn)用戶配置文件的即時編程功能。

設(shè)備的非易失性存儲器還可以存儲預(yù)定義的多用戶配置。用戶可以使用頻率選擇 （Frequency Select， FS） 功能以選擇其中一個配置。該 FS - 位為設(shè)備中可用的 CMOS 輸入引腳。FS 引腳應(yīng)用 N - 位外部 CMOS 信號，然后內(nèi)部選擇存儲在非易失性存儲器中的一個配置文件，這個配置文件同樣也被復(fù)制到了易失性存儲器，PLL 則輸出不同的信號。

同時，微控制器通過 I2C 提供數(shù)據(jù)來控制高頻時鐘。使用微控制器的優(yōu)點是，它具有不同的通信外設(shè)和通信協(xié)議，如 I2C、SPI、UART、藍牙、ZigBee 等，使得系統(tǒng)能夠以主從配置將數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌⒖刂破?，也可以使用一個自定義的應(yīng)用傳輸至安卓和 iOS 設(shè)備。此外，微控制器還配有各種 IDE 工具用于簡化設(shè)計。這可以更好地證明使用 I2C 指令來配置 PLL 參數(shù)、編寫并驗證定制應(yīng)用程序是合適的。

高性能時鐘的應(yīng)用需求

高性能時鐘 IC 專為消費者、工業(yè)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用而設(shè)計。此類時鐘 IC 具有多個從不同 PLL 導(dǎo)出的差分輸出和單端輸出，并且可以通過 I2C 接口實現(xiàn)可編程功能。此外，高性能時鐘 IC不僅可以支持 PCI Express （PCIe） 1.0 / 2.0 / 3.0、USB 2.0 / 3.0 和萬兆以太網(wǎng) （GbE）等關(guān)鍵接口標準的參考時鐘。還能支持壓控晶體振蕩器 （VCXO） 和頻率選擇 （FS）等其他增值功能。

高性能時鐘 IC 采用設(shè)計實現(xiàn) I2C 從機模式。因此，需要一個板載 I2C 主機來控制以下可編程功能：

· 通過 I2C 接口進行系統(tǒng)內(nèi)編程

· 通過頻率選擇 （FS） 引腳更新配置

· 外部復(fù)位操作

· 壓控晶體振蕩器 （VCXO） 操作

圖 2：微控制器 - 高性能時鐘接口電路。

微控制器在時鐘 IC PLL 控制中的作用

如圖 2 所示，將時鐘 IC 連接到微控制器電路。時鐘 IC 具有內(nèi)部 PLL 模塊，其功能是提供作為固定直流電壓的調(diào)諧電壓 （Vtune） ，而調(diào)諧電壓將隨頻段而變化。PLL 模塊在輸入端接收本地振蕩器頻率，由內(nèi)部前置放大器放大信號。另外，預(yù)分頻器對輸入頻率進行下變頻，并將其作為輸入傳送至相位比較器。

圖 3：PLL 模塊的微控制器控制。

微控制器通過 I2C 發(fā)送數(shù)據(jù)到可編程分頻器。該分頻器也接收來自參考振蕩器（例如 4 MHz 晶體振蕩器）的輸入。相位比較器（即相位檢測器）通過預(yù)分頻器接收本地振蕩器頻率（例如 87.15 MHz），還通過參考分頻器和參考振蕩器接收微控制器的輸入（例如，87.15 MHz）。如果兩個輸入都匹配，相位比較器將提供 Vtune 調(diào)諧電壓。一旦本地振蕩器頻率與微控制器頻率數(shù)據(jù)之間稍有不匹配，都將無法提供調(diào)諧電壓 （Vtune） 和輸出。圖 3 所示為完整的框圖。

在微控制器的幫助下，PLL 通過調(diào)諧本地振蕩器頻率產(chǎn)生閉環(huán)，并在輸出端產(chǎn)生調(diào)諧電壓。調(diào)諧電壓將從較低頻率信道增加到較高頻率信道。通過改變預(yù)分頻器和可編程分頻器的值，微控制器可以調(diào)整步長。

步長 =（本地振蕩器頻率/預(yù)分頻器）X（可編程分頻器/參考振蕩器）

表 1 所示為部分配置

通過 I2C 接口進行系統(tǒng)內(nèi)編程

系統(tǒng)內(nèi)編程可為系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)快速有效的迭代。編程數(shù)據(jù)序列可通過 SCL 和 SDA 引腳傳送到時鐘器件，把操作順序編程至板載微控制器（主設(shè)備）中，通過命令和數(shù)據(jù)在運行時與從機時鐘進行交互。

此處為系統(tǒng)示例，其中時鐘信號必須以采樣率的倍數(shù)為準。該時鐘頻率在 155.52 MHz 和 156.25 MHz 兩組頻率之間變動。這意味著驅(qū)動串行控制器的時鐘必須能夠在這兩個值之間靈活切換。微控制器主設(shè)備可以訪問并修改寫入易失性存儲器的 PLL 配置，從而滿足這兩個頻率需求。

通過頻率選擇 （FS） 引腳更新配置

高性能時鐘設(shè)備支持包含個性化配置的多個用戶配置文件。在 FS 引腳轉(zhuǎn)換方面，高性能時鐘器件具有兩個時序規(guī)格 - 快速切換和慢速切換。

快速切換適用于輸出 ON/OFF 、輸出分頻值變化，以及輸出 MUX 設(shè)置更改。慢速切換則適用于更改 PLL 參數(shù)（包括 PLL ON/OFF）。顧名思義，快速切換中的輸出變化更快，而慢速切換的速度較慢。兩種切換類型都可以打開或關(guān)閉輸出，并且不出絲毫差錯。圖 4 所示為 FS 與輸出時鐘之間的時序關(guān)系。

圖 4：頻率選擇操作。

外部復(fù)位操作：

當外部復(fù)位生效時，時鐘 IC 進入低功耗模式。輸出和 I2C 總線信號處于高阻抗 （HI-Z） 狀態(tài)，直到取消外部復(fù)位并完成初始化。外部復(fù)位重啟易失性存儲器內(nèi)容，存儲在非易失性存儲器中的配置則被復(fù)制到易失性存儲器。當需要重新初始化任意一個系統(tǒng)中運行的應(yīng)用程序時，該功能將被使用。

壓控晶體振蕩器 （VCXO） 操作：

對某些應(yīng)用而言，輸出時鐘頻率應(yīng)通過使用模擬反饋跟蹤輸入數(shù)據(jù)流。如圖 5 所示，時鐘 IC 作為大鎖相環(huán)的一部分。ASIC 或 SoC 負責跟蹤輸入流、計算誤差并產(chǎn)生 PWM 信號（通常來說），隨后將誤差信息反饋至本地時鐘發(fā)生器以進行頻率調(diào)諧。

圖 5VCXO 示例電路。

VCXO 功能能夠修改 PLL 頻率，因此頻率牽引不依賴于晶體特性、溫度、電壓或設(shè)備工藝。VCXO 調(diào)制是線性、精準調(diào)制。也可以使用時鐘參考。通過微控制器的內(nèi)置模擬模塊，VCXO 的控制邏輯精準到小數(shù)點后 6 位。

作為 I2C 主設(shè)備，微控制器將配置寫入時鐘 IC 的內(nèi)部易失性存儲器并控制 PLL。因此，通過板載 MCU-IC 組合可以實現(xiàn)系統(tǒng)時鐘頻率的動態(tài)更新。開發(fā)人員可以使用可編程微控制器，為高性能時鐘 IC 提供控制邏輯。這可以減少對板載 IC 和走線數(shù)量的需求，使得整個系統(tǒng)設(shè)計更加緊湊。

微控制器配備強大 IDE 工具，可以加速應(yīng)用開發(fā)。集成可編程片上系統(tǒng)（PSoC）器件可進一步簡化設(shè)計并有助于降低整體產(chǎn)品成本。有關(guān)高性能時鐘 IC 設(shè)計的更多詳細信息，請參閱4-PLL擴頻時鐘發(fā)生器入門以及擴頻時鐘發(fā)生器的設(shè)計最佳實踐。