時鍾 IC 屬於 I2C 從器件，需要主控製器來配置內部 PLL 邏輯，其控製邏輯可以寫入微控製器內。作為 I2C 主機，微控製器將配置寫入時鍾 IC 的內部易失性存儲器並控製 PLL。因此
，可以通過板上 MCU - IC 組合進行係統時鍾頻率的動態更新。可編程微控製器為高性能時鍾 IC 提供控製邏輯能力，通過減少板載 IC和板上走線使整體設計更加緊湊
，並降低最終物料成本。

 

 

圖 1 為高性能時鍾設備的基本 PLL 架構。該設計使用比例因子為 PLL 輸出端口提供時鍾合成。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）為輸出前的後分頻因子。

 

圖1.簡化高性能時鍾的 PLL 架構框圖

 

圖1zhongdechengsekuangtuweicanshu，shiyongzhexiecanshudefangchengshiweikebianchengfangchengshi。zhexiecanshukeyizaichuchangshixierushizhongshebeidefeiyishixingcunchuqi。shizhongshebeijuyouneibuyishixinghefeiyishixingcunchuqi，lianggecunchuqihuxiangfuzhiqineirong。feiyishixingcunchuqizaichuchangshiyibeixierusuoxupeizhi

，zaizuizhongyingyongzhong，dangshebeiqidongdianyuanshi

，feiyishixingcunchuqideneironghuibeifuzhidaoyishixingcunchuqi。tongshi
，PLL 產生所需的默認時鍾輸出。

 

時鍾 IC 的重要特性之一就是通過 I2C 接口實現運行時可編程。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。隻需使用適當的 I2C 指令
，就可以通過主控製器實現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，然後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複製到了易失性存儲器，PLL 則輸出不同的信號。

 

同時
，微控製器通過 I2C 提供數據來控製高頻時鍾。使用微控製器的優點是，它具有不同的通信外設和通信協議，如 I2C
、SPI
、UART
、藍牙、ZigBee 等，使得係統能夠以主從配置將數據傳輸到其他微控製器
，也可以使用一個自定義的應用傳輸至安卓和 iOS 設備。此外，微控製器還配有各種 IDE 工具用於簡化設計。這可以更好地證明使用 I2C 指令來配置 PLL 參數、編寫並驗證定製應用程序是合適的。

 

 

高性能時鍾 IC 專為消費者

、工業和網絡應用而設計。此類時鍾 IC 具有多個從不同 PLL 導出的差分輸出和單端輸出
，並且可以通過 I2C 接口實現可編程功能。此外，高性能時鍾 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 （GbE）等關鍵接口標準的參考時鍾。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。

 

高性能時鍾 IC 采用設計實現 I2C 從機模式。因此

，需要一個板載 I2C 主機來控製以下可編程功能：

 

· 通過 I2C 接口進行係統內編程

 

· 通過頻率選擇 （FS） 引腳更新配置

 

· 外部複位操作

 

· 壓控晶體振蕩器 （VCXO） 操作

 

圖2.微控製器 - 高性能時鍾接口電路

 

微控製器在時鍾 IC PLL 控製中的作用

 

如圖 2 所示，將時鍾 IC 連接到微控製器電路。時鍾 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(mo)塊(kuai)在(zai)輸(shu)入(ru)端(duan)接(jie)收(shou)本(ben)地(di)振(zhen)蕩(dang)器(qi)頻(pin)率(lv)，由(you)內(nei)部(bu)前(qian)置(zhi)放(fang)大(da)器(qi)放(fang)大(da)信(xin)號(hao)。另(ling)外(wai)


，預(yu)分(fen)頻(pin)器(qi)對(dui)輸(shu)入(ru)頻(pin)率(lv)進(jin)行(xing)下(xia)變(bian)頻(pin)，並(bing)將(jiang)其(qi)作(zuo)為(wei)輸(shu)入(ru)傳(chuan)送(song)至(zhi)相(xiang)位(wei)比(bi)較(jiao)器(qi)。

 

圖3.PLL 模塊的微控製器控製

 

微控製器通過 I2C 發送數據到可編程分頻器。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製器的輸入（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製器頻率數據之間稍有不匹配
，都將無法提供調諧電壓 （Vtune） 和輸出。圖 3 所示為完整的框圖。

 

在微控製器的幫助下，PLL 通tong過guo調tiao諧xie本ben地di振zhen蕩dang器qi頻pin率lv產chan生sheng閉bi環huan，並bing在zai輸shu出chu端duan產chan生sheng調tiao諧xie電dian壓ya。調tiao諧xie電dian壓ya將jiang從cong較jiao低di頻pin率lv信xin道dao增zeng加jia到dao較jiao高gao頻pin率lv信xin道dao。通tong過guo改gai變bian預yu分fen頻pin器qi和he可ke編bian程cheng分fen頻pin器qi的de值zhi
，微wei控kong製zhi器qi可ke以yi調tiao整zheng步bu長chang。

 

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 接口進行係統內編程

 

係統內編程可為係統設計實現快速有效的迭代。編程數據序列可通過 SCL 和 SDA 引腳傳送到時鍾器件，把操作順序編程至板載微控製器（主設備）中，通過命令和數據在運行時與從機時鍾進行交互。

 

此處為係統示例
，其中時鍾信號必須以采樣率的倍數為準。該時鍾頻率在 155.52 MHz 和 156.25 MHz 兩liang組zu頻pin率lv之zhi間jian變bian動dong。這zhe意yi味wei著zhe驅qu動dong串chuan行xing控kong製zhi器qi的de時shi鍾zhong必bi須xu能neng夠gou在zai這zhe兩liang個ge值zhi之zhi間jian靈ling活huo切qie換huan。微wei控kong製zhi器qi主zhu設she備bei可ke以yi訪fang問wen並bing修xiu改gai寫xie入ru易yi失shi性xing存cun儲chu器qi的de 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

 

高性能時鍾設備支持包含個性化配置的多個用戶配置文件。在 FS 引腳轉換方麵，高性能時鍾器件具有兩個時序規格 - 快速切換和慢速切換。

 

快速切換適用於輸出 ON/OFF 、輸出分頻值變化，以及輸出 MUX 設置更改。慢速切換則適用於更改 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。兩種切換類型都可以打開或關閉輸出，並且不出絲毫差錯。圖 4 所示為 FS 與輸出時鍾之間的時序關係。

 

圖4.頻率選擇操作

 

外部複位操作：

 

當外部複位生效時，時鍾 IC 進入低功耗模式。輸出和 I2C 總線信號處於高阻抗 （HI-Z） zhuangtai，zhidaoquxiaowaibufuweibingwanchengchushihua。waibufuweizhongqiyishixingcunchuqineirong
，cunchuzaifeiyishixingcunchuqizhongdepeizhizebeifuzhidaoyishixingcunchuqi。dangxuyaozhongxinchushihuarenyiyigexitongzhongyunxingdeyingyongchengxushi
，gaigongnengjiangbeishiyong。

 

壓控晶體振蕩器 （VCXO） 操作：

 

對某些應用而言，輸出時鍾頻率應通過使用模擬反饋跟蹤輸入數據流。如圖 5 所示，時鍾 IC 作為大鎖相環的一部分。ASIC 或 SoC 負責跟蹤輸入流、計算誤差並產生 PWM 信號（通常來說）
，隨後將誤差信息反饋至本地時鍾發生器以進行頻率調諧。

 

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於晶體特性、溫度、電壓或設備工藝。VCXO 調製是線性、精準調製。也可以使用時鍾參考。通過微控製器的內置模擬模塊，VCXO 的控製邏輯精準到小數點後 6 位。

 

作為 I2C 主設備，微控製器將配置寫入時鍾 IC 的內部易失性存儲器並控製 PLL。因此，通過板載 MCU-IC 組合可以實現係統時鍾頻率的動態更新。開發人員可以使用可編程微控製器
，為高性能時鍾 IC 提供控製邏輯。這可以減少對板載 IC 和走線數量的需求

，使得整個係統設計更加緊湊。

 

微控製器配備強大 IDE 工具，可以加速應用開發。集成可編程片上係統（PSoC）器件可進一步簡化設計並有助於降低整體產品成本。