如何滿足復雜系統(tǒng)的高性能時序需求

　　時鐘設備設計使用 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，用于驅動打印機、掃描儀和路由器等應用系統(tǒng)的子系統(tǒng)，例如處理器、FPGA、數(shù)據(jù)轉換器等。此類復雜系統(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部 PLL 邏輯，其控制邏輯可以寫入微控制器內。作為 I2C 主機，微控制器將配置寫入時鐘 IC 的內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 為高性能時鐘設備的基本 PLL 架構。該設計使用比例因子為 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備的非易失性存儲器。時鐘設備具有內部易失性和非易失性存儲器，兩個存儲器互相復制其內容。非易失性存儲器在出廠時已被寫入所需配置，在最終應用中，當設備啟動電源時，非易失性存儲器的內容會被復制到易失性存儲器。同時，PLL 產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，用戶可以更改設備的易失性存儲器內容以進行即時更改。只需使用適當?shù)?nbsp;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。

　　設備的非易失性存儲器還可以存儲預定義的多用戶配置。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 - 位為設備中可用的 CMOS 輸入引腳。FS 引腳應用 N - 位外部 CMOS 信號，然后內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用傳輸至安卓和 iOS 設備。此外，微控制器還配有各種 IDE 工具用于簡化設計。這可以更好地證明使用 I2C 指令來配置 PLL 參數(shù)、編寫并驗證定制應用程序是合適的。

　　高性能時鐘的應用需求

　　高性能時鐘 IC 專為消費者、工業(yè)和網(wǎng)絡應用而設計。此類時鐘 IC 具有多個從不同 PLL 導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)內編程

　　· 通過頻率選擇 (FS) 引腳更新配置

　　· 外部復位操作

　　· 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 具有內部 PLL 模塊，其功能是提供作為固定直流電壓的調諧電壓 (Vtune) ，而調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，由內部前置放大器放大信號。另外，預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 通過調諧本地振蕩器頻率產生閉環(huán)，并在輸出端產生調諧電壓。調諧電壓將從較低頻率信道增加到較高頻率信道。通過改變預分頻器和可編程分頻器的值，微控制器可以調整步長。

　　步長 =(本地振蕩器頻率/預分頻器)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)內編程

　　系統(tǒng)內編程可為系統(tǒng)設計實現(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

　　高性能時鐘設備支持包含個性化配置的多個用戶配置文件。在 FS 引腳轉換方面，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系。

　　圖 4：頻率選擇操作

　　外部復位操作：

　　當外部復位生效時，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)，直到取消外部復位并完成初始化。外部復位重啟易失性存儲器內容，存儲在非易失性存儲器中的配置則被復制到易失性存儲器。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：

　　對某些應用而言，輸出時鐘頻率應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、電壓或設備工藝。VCXO 調制是線性、精準調制。也可以使用時鐘參考。通過微控制器的內置模擬模塊，VCXO 的控制邏輯精準到小數(shù)點后 6 位。

　　作為 I2C 主設備，微控制器將配置寫入時鐘 IC 的內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)設計更加緊湊。

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