如何满足复杂系统的高性能时序需求

shuszhao

时钟设备设计使用I2C可编程小数锁相环(PLL)，可满足高性能时序需求，这样可以产生零PPM（百万分之一）合成误差的频率。高性能时钟IC具有多个时钟输出，用于驱动打印机、扫描仪和路由器等应用系统的子系统，例如处理器、FPGA、数据转换器等。此类复杂系统需要动态更新参考时钟的频率，以实现PCIe 和以太网等其它诸多协议。
时钟IC属于I2C从器件，需要主控制器来配置内部PLL逻辑，其控制逻辑可以写入微控制器内。作为I2C 主机，微控制器将配置写入时钟IC的内部易失性存储器并控制PLL。因此，可以通过板上MCU - IC组合进行系统时钟频率的动态更新。可编程微控制器为高性能时钟IC提供控制逻辑能力，通过减少板载IC和板上走线使整体设计更加紧凑，并降低最终物料成本。
操作理论
图1 为高性能时钟设备的基本PLL架构。该设计使用比例因子为PLL输出端口提供时钟合成。最终输出频率的基本公式为：

                               
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[sub]REF[/sub]

为输入参考晶体频率（在多数应用中通常为8 MHz 至48 MHz）。

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DIV_R（DIV_R1 和DIV_R2）是输入频率参考的分频因子。此类分频器名为预分频器。

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DIV_N 为小数N 分频因子。

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DIV_O（DIV-O1、DIV-O2、DIV-O3 和DIV-O4）为输出前的后分频因子。

                               
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图1：简化高性能时钟的PLL 架构框图。

图1中的橙色框图为参数，使用这些参数的方程式为可编程方程式。这些参数可以在出厂时写入时钟设备的非易失性存储器。时钟设备具有内部易失性和非易失性存储器，两个存储器互相复制其内容。非易失性存储器在出厂时已被写入所需配置，在最终应用中，当设备启动电源时，非易失性存储器的内容会被复制到易失性存储器。同时，PLL产生所需的默认时钟输出。
时钟IC的重要特性之一就是通过I2C接口实现运行时可编程。通过可编程功能，用户可以更改设备的易失性存储器内容以进行即时更改。只需使用适当的I2C指令，就可以通过主控制器实现用户配置文件的即时编程功能。
设备的非易失性存储器还可以存储预定义的多用户配置。用户可以使用频率选择(Frequency Select, FS)功能以选择其中一个配置。该FS - 位为设备中可用的CMOS输入引脚。FS引脚应用N - 位外部CMOS信号，然后内部选择存储在非易失性存储器中的一个配置文件，这个配置文件同样也被复制到了易失性存储器，PLL则输出不同的信号。
同时，微控制器通过I2C提供数据来控制高频时钟。使用微控制器的优点是，它具有不同的通信外设和通信协议，如I2C、SPI、UART、蓝牙、ZigBee等，使得系统能够以主从配置将数据传输到其他微控制器，也可以使用一个自定义的应用传输至安卓和iOS设备。此外，微控制器还配有各种IDE工具用于简化设计。这可以更好地证明使用I2C指令来配置PLL参数、编写并验证定制应用程序是合适的。
高性能时钟的应用需求
高性能时钟IC专为消费者、工业和网络应用而设计。此类时钟IC具有多个从不同PLL导出的差分输出和单端输出，并且可以通过I2C接口实现可编程功能。此外，高性能时钟IC不仅可以支持PCI Express (PCIe) 1.0 / 2.0 / 3.0、USB 2.0 / 3.0和万兆以太网(GbE）等关键接口标准的参考时钟。还能支持压控晶体振荡器(VCXO)和频率选择(FS)等其他增值功能。
高性能时钟IC 采用设计实现I2C 从机模式。因此，需要一个板载I2C 主机来控制以下可编程功能：
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通过I2C 接口进行系统内编程

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通过频率选择(FS) 引脚更新配置

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外部复位操作

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压控晶体振荡器(VCXO) 操作

                               
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图2：微控制器- 高性能时钟接口电路。

微控制器在时钟IC PLL控制中的作用
如图2所示，将时钟IC连接到微控制器电路。时钟IC具有内部PLL模块，其功能是提供作为固定直流电压的调谐电压(Vtune)，而调谐电压将随频段而变化。PLL 模块在输入端接收本地振荡器频率，由内部前置放大器放大信号。另外，预分频器对输入频率进行下变频，并将其作为输入传送至相位比较器。

                               
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图3：PLL 模块的微控制器控制。

微控制器通过I2C发送数据到可编程分频器。该分频器也接收来自参考振荡器（例如4 MHz 晶体振荡器）的输入。相位比较器（即相位检测器）通过预分频器接收本地振荡器频率（例如87.15 MHz），还通过参考分频器和参考振荡器接收微控制器的输入（例如，87.15 MHz）。如果两个输入都匹配，相位比较器将提供Vtune 调谐电压。一旦本地振荡器频率与微控制器频率数据之间稍有不匹配，都将无法提供调谐电压(Vtune) 和输出。图3所示为完整的框图。
在微控制器的帮助下，PLL 通过调谐本地振荡器频率产生闭环，并在输出端产生调谐电压。调谐电压将从较低频率信道增加到较高频率信道。通过改变预分频器和可编程分频器的值，微控制器可以调整步长。
步长=（本地振荡器频率/预分频器）X（可编程分频器/参考振荡器）
表1 所示为部分配置。

                               
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通过I2C 接口进行系统内编程
系统内编程可为系统设计实现快速有效的迭代。编程数据序列可通过SCL和SDA引脚传送到时钟器件，把操作顺序编程至板载微控制器（主设备）中，通过命令和数据在运行时与从机时钟进行交互。
此处为系统示例，其中时钟信号必须以采样率的倍数为准。该时钟频率在155.52MHz和156.25 MHz两组频率之间变动。这意味着驱动串行控制器的时钟必须能够在这两个值之间灵活切换。微控制器主设备可以访问并修改写入易失性存储器的PLL配置，从而满足这两个频率需求。
通过频率选择(FS) 引脚更新配置
高性能时钟设备支持包含个性化配置的多个用户配置文件。在FS引脚转换方面，高性能时钟器件具有两个时序规格- 快速切换和慢速切换。
快速切换适用于输出ON/OFF 、输出分频值变化，以及输出MUX 设置更改。慢速切换则适用于更改PLL 参数（包括PLL ON/OFF）。顾名思义，快速切换中的输出变化更快，而慢速切换的速度较慢。两种切换类型都可以打开或关闭输出，并且不出丝毫差错。图4 所示为FS 与输出时钟之间的时序关系。

                               
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图4：频率选择操作。

外部复位操作：
当外部复位生效时，时钟IC进入低功耗模式。输出和I2C总线信号处于高阻抗(HI-Z) 状态，直到取消外部复位并完成初始化。外部复位重启易失性存储器内容，存储在非易失性存储器中的配置则被复制到易失性存储器。当需要重新初始化任意一个系统中运行的应用程序时，该功能将被使用。
压控晶体振荡器(VCXO) 操作：
对某些应用而言，输出时钟频率应通过使用模拟反馈跟踪输入数据流。如图5所示，时钟IC作为大锁相环的一部分。ASIC或SoC负责跟踪输入流、计算误差并产生PWM信号（通常来说），随后将误差信息反馈至本地时钟发生器以进行频率调谐。

                               
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图5：VCXO 示例电路。

VCXO功能能够修改PLL频率，因此频率牵引不依赖于晶体特性、温度、电压或设备工艺。VCXO调制是线性、精准调制。也可以使用时钟参考。通过微控制器的内置模拟模块，VCXO的控制逻辑精准到小数点后6位。
作为I2C主设备，微控制器将配置写入时钟IC 的内部易失性存储器并控制PLL。因此，通过板载MCU-IC组合可以实现系统时钟频率的动态更新。开发人员可以使用可编程微控制器，为高性能时钟IC提供控制逻辑。这可以减少对板载IC和走线数量的需求，使得整个系统设计更加紧凑。
微控制器配备强大IDE工具，可以加速应用开发。集成可编程片上系统（PSoC）器件可进一步简化设计并有助于降低整体产品成本。有关高性能时钟IC设计的更多详细信息，请参阅4-PLL扩频时钟发生器入门以及扩频时钟发生器的设计最佳实践。