時(shí)鐘 IC 屬于 I2C 從器件，需要主控制器來(lái)配置內部 PLL 邏輯，其控制邏輯可以寫(xiě)入微控制器內。作為 I2C 主機，微控制器將配置寫(xiě)入時(shí)鐘 IC 的內部易失性存儲器并控制 PLL。因此，可以通過(guò)板上 MCU - IC 組合進(jìn)行系統時(shí)鐘頻率的動(dòng)態(tài)更新?？删幊涛⒖刂破鳛楦咝阅軙r(shí)鐘 IC 提供控制邏輯能力，通過(guò)減少板載 IC和板上走線(xiàn)使整體設計更加緊湊，并降低最終物料成本。

 

 

圖 1 為高性能時(shí)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(shí)鐘合成。最終輸出頻率的基本公式為：

 

 

· fREF 為輸入參考晶體頻率（在多數應用中通常為 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(lèi)分頻器名為預分頻器。

 

· DIV_N 為小數 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(jiǎn)化高性能時(shí)鐘的 PLL 架構框圖

 

圖1中的橙色框圖為參數，使用這些參數的方程式為可編程方程式。這些參數可以在出廠(chǎng)時(shí)寫(xiě)入時(shí)鐘設備的非易失性存儲器。時(shí)鐘設備具有內部易失性和非易失性存儲器，兩個(gè)存儲器互相復制其內容。非易失性存儲器在出廠(chǎng)時(shí)已被寫(xiě)入所需配置，在最終應用中，當設備啟動(dòng)電源時(shí)，非易失性存儲器的內容會(huì )被復制到易失性存儲器。同時(shí)，PLL 產(chǎn)生所需的默認時(shí)鐘輸出。

 

時(shí)鐘 IC 的重要特性之一就是通過(guò) I2C 接口實(shí)現運行時(shí)可編程。通過(guò)可編程功能，用戶(hù)可以更改設備的易失性存儲器內容以進(jìn)行即時(shí)更改。只需使用適當的 I2C 指令，就可以通過(guò)主控制器實(shí)現用戶(hù)配置文件的即時(shí)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(hù)配置。用戶(hù)可以使用頻率選擇 （Frequency Select， FS） 功能以選擇其中一個(gè)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(gè)配置文件，這個(gè)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(shí)，微控制器通過(guò) I2C 提供數據來(lái)控制高頻時(shí)鐘。使用微控制器的優(yōu)點(diǎn)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，使得系統能夠以主從配置將數據傳輸到其他微控制器，也可以使用一個(gè)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(jiǎn)化設計。這可以更好地證明使用 I2C 指令來(lái)配置 PLL 參數、編寫(xiě)并驗證定制應用程序是合適的。

 

 

高性能時(shí)鐘 IC 專(zhuān)為消費者、工業(yè)和網(wǎng)絡(luò )應用而設計。此類(lèi)時(shí)鐘 IC 具有多個(gè)從不同 PLL 導出的差分輸出和單端輸出，并且可以通過(guò) I2C 接口實(shí)現可編程功能。此外，高性能時(shí)鐘 IC不僅可以支持 PCI Express （PCIe） 1.0 / 2.0 / 3.0、USB 2.0 / 3.0 和萬(wàn)兆以太網(wǎng) （GbE）等關(guān)鍵接口標準的參考時(shí)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(shí)鐘 IC 采用設計實(shí)現 I2C 從機模式。因此，需要一個(gè)板載 I2C 主機來(lái)控制以下可編程功能：

 

· 通過(guò) I2C 接口進(jìn)行系統內編程

 

· 通過(guò)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(shí)鐘接口電路

 

微控制器在時(shí)鐘 IC PLL 控制中的作用

 

如圖 2 所示，將時(shí)鐘 IC 連接到微控制器電路。時(shí)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(jìn)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(guò) I2C 發(fā)送數據到可編程分頻器。該分頻器也接收來(lái)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(guò)預分頻器接收本地振蕩器頻率（例如 87.15 MHz），還通過(guò)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(gè)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據之間稍有不匹配，都將無(wú)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(guò)調諧本地振蕩器頻率產(chǎn)生閉環(huán)，并在輸出端產(chǎn)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(guò)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(cháng)。

 

步長(cháng) =（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(guò) I2C 接口進(jìn)行系統內編程

 

系統內編程可為系統設計實(shí)現快速有效的迭代。編程數據序列可通過(guò) SCL 和 SDA 引腳傳送到時(shí)鐘器件，把操作順序編程至板載微控制器（主設備）中，通過(guò)命令和數據在運行時(shí)與從機時(shí)鐘進(jìn)行交互。

 

此處為系統示例，其中時(shí)鐘信號必須以采樣率的倍數為準。該時(shí)鐘頻率在 155.52 MHz 和 156.25 MHz 兩組頻率之間變動(dòng)。這意味著(zhù)驅動(dòng)串行控制器的時(shí)鐘必須能夠在這兩個(gè)值之間靈活切換。微控制器主設備可以訪(fǎng)問(wèn)并修改寫(xiě)入易失性存儲器的 PLL 配置，從而滿(mǎn)足這兩個(gè)頻率需求。

 

通過(guò)頻率選擇 （FS） 引腳更新配置

 

高性能時(shí)鐘設備支持包含個(gè)性化配置的多個(gè)用戶(hù)配置文件。在 FS 引腳轉換方面，高性能時(shí)鐘器件具有兩個(gè)時(shí)序規格 - 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（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(lèi)型都可以打開(kāi)或關(guān)閉輸出，并且不出絲毫差錯。圖 4 所示為 FS 與輸出時(shí)鐘之間的時(shí)序關(guān)系。

 

圖4.頻率選擇操作

 

外部復位操作：

 

當外部復位生效時(shí)，時(shí)鐘 IC 進(jìn)入低功耗模式。輸出和 I2C 總線(xiàn)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(gè)系統中運行的應用程序時(shí)，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(shí)鐘頻率應通過(guò)使用模擬反饋跟蹤輸入數據流。如圖 5 所示，時(shí)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(lái)說(shuō)），隨后將誤差信息反饋至本地時(shí)鐘發(fā)生器以進(jìn)行頻率調諧。

 

圖5.VCXO 示例電路

 

VCXO 功能能夠修改 PLL 頻率，因此頻率牽引不依賴(lài)于晶體特性、溫度、電壓或設備工藝。VCXO 調制是線(xiàn)性、精準調制。也可以使用時(shí)鐘參考。通過(guò)微控制器的內置模擬模塊，VCXO 的控制邏輯精準到小數點(diǎn)后 6 位。

 

作為 I2C 主設備，微控制器將配置寫(xiě)入時(shí)鐘 IC 的內部易失性存儲器并控制 PLL。因此，通過(guò)板載 MCU-IC 組合可以實(shí)現系統時(shí)鐘頻率的動(dòng)態(tài)更新。開(kāi)發(fā)人員可以使用可編程微控制器，為高性能時(shí)鐘 IC 提供控制邏輯。這可以減少對板載 IC 和走線(xiàn)數量的需求，使得整個(gè)系統設計更加緊湊。

 

微控制器配備強大 IDE 工具，可以加速應用開(kāi)發(fā)。集成可編程片上系統（PSoC）器件可進(jìn)一步簡(jiǎn)化設計并有助于降低整體產(chǎn)品成本。