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利用高集成度時(shí)鐘系統(tǒng)芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)分離時(shí)鐘設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2012-01-30 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

本文在討論傳統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)計(jì)面臨的難點(diǎn)的基礎(chǔ)上,引入了一種數(shù)?;旌系母呒啥鹊?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/時(shí)鐘系統(tǒng)">時(shí)鐘系統(tǒng)芯片-Lattice ispClock Manager 5500系列。通過該芯片可以完成時(shí)鐘的小數(shù)分頻、倍頻、移相、輸入與輸出多I/O標(biāo)準(zhǔn)的匹配與驅(qū)動(dòng)、輸出偏斜的靈活調(diào)整、時(shí)鐘擺幅和上升斜率的調(diào)整、 JTAG在線系統(tǒng)編程等功能。

時(shí)鐘是所有電子系統(tǒng)的心臟,其性能和穩(wěn)定性直接決定著整個(gè)系統(tǒng)的性能。在數(shù)字系統(tǒng)中,一般推薦同步設(shè)計(jì)方案,時(shí)鐘的沿驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的寄存器和其它相關(guān)器件。傳統(tǒng)的數(shù)字由晶振(OSC)、頻率合成器(FS)或頻率時(shí)序發(fā)生器(FTG)、時(shí)鐘緩沖器等基本元器件構(gòu)成,如圖1所示。

圖中晶振用于提供標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)鐘源。FS的工作原理有很多種,最常見的基于鎖相環(huán)(PLL)和數(shù)字頻合(DS)的頻率合成器。FTG是零延時(shí)緩沖器 (ZDB)的擴(kuò)展,可以生成弱相關(guān)的頻率,為同步系統(tǒng)提供紛繁復(fù)雜的時(shí)鐘。FS和FTG一般都集成了分頻、倍頻、移相等功能,一些器件還能完成小數(shù)分頻功能。時(shí)鐘緩沖器用以適配不同的I/O標(biāo)準(zhǔn)并驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號(hào),很多時(shí)鐘緩沖器還具備時(shí)鐘復(fù)制、分頻、倍頻和時(shí)鐘沿精細(xì)調(diào)整功能。

    圖2:ispClock 5500芯片功能結(jié)構(gòu)圖

    2. 低輸出偏斜,其典型輸出偏斜小于50ps,并可以完成ZDB功能。

    3. 低抖動(dòng),其典型抖動(dòng)的峰-峰值小于70ps。

    4. 輸入端共有兩組,可以完成主備時(shí)鐘源的切換。每組輸入端都支持單端的LVTTL、LVCMOS、SSTL、HSTL或差分的LVDS、LVPECL、差分HSTL、差分SSTL等輸入電平標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)嵌高精度可編程匹配電阻,調(diào)整范圍從40歐姆到70歐姆。

    5. 最多可以達(dá)到獨(dú)立的20路時(shí)鐘輸出,或者配對(duì)為10路差分時(shí)鐘輸出。具備20路時(shí)鐘輸出的芯片標(biāo)號(hào)為ispClock 5520,另有一款具備10路獨(dú)立輸出的芯片為ispClock 5510,以滿足用戶的不同需求。時(shí)鐘輸出也支持單端的LVTTL、LVCMOS、SSTL、HSTL或差分的LVDS、LVPECL、差分HSTL、差分SSTL等輸入電平標(biāo)準(zhǔn)。并內(nèi)嵌高精度可編程匹配電阻,調(diào)整范圍從40歐姆到70歐姆。

    6. 高精度PLL,芯片內(nèi)嵌一個(gè)完整的高精度、低噪聲的PLL,配合5位數(shù)字分頻器,可以完成高精度、低噪聲的小數(shù)級(jí)頻率變換。

    7. 精確可編程移相。輸出端的所有信號(hào)都可以單獨(dú)進(jìn)行相位調(diào)整,分為粗精度調(diào)整和高精度調(diào)整兩種模式,調(diào)整幅度最大達(dá)到+/-12ns,分16步調(diào)整,調(diào)整步幅最小為195ps。這一點(diǎn)非常重要,因?yàn)橥较到y(tǒng)對(duì)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)的關(guān)系有嚴(yán)格的需求,時(shí)鐘采樣必須滿足設(shè)置和保持時(shí)間,所以在時(shí)鐘布線前往往需要根據(jù) IBIS或者SPICE模型仿真,并在PCB上對(duì)時(shí)鐘線進(jìn)行等長(zhǎng)鋸齒繞線。且不論這個(gè)步驟如如何的煩瑣,如果因?yàn)闀r(shí)序仿真不夠精確或者設(shè)計(jì)修改,這時(shí)再想進(jìn)行時(shí)鐘的偏斜調(diào)整就非常困難,所以時(shí)鐘的偏斜調(diào)整是時(shí)鐘設(shè)計(jì)與調(diào)試中最令人頭痛的事情之一。而這款芯片的“精確可編程移相”功能,將設(shè)計(jì)者從煩瑣的時(shí)鐘仿真、繞線等調(diào)整手段解放出來,使時(shí)鐘的設(shè)計(jì)和調(diào)試簡(jiǎn)單易行。

    8. 靈活的輸出參數(shù)調(diào)整。每路時(shí)鐘輸出除了可以進(jìn)行前面介紹的偏斜調(diào)整和電平標(biāo)準(zhǔn)匹配調(diào)整等功能外,還能進(jìn)行時(shí)鐘的擺幅,和時(shí)鐘的上升斜率等參數(shù)的調(diào)整。調(diào)整時(shí)鐘擺幅和沿斜率,使在滿足芯片要求的基礎(chǔ)上可以有效的減少高頻分量的輻射,降低單板的EMI,和時(shí)鐘或數(shù)據(jù)通路的串?dāng)_。

    9. 內(nèi)置編程空間,可以存儲(chǔ)最多4套不同的時(shí)鐘配置方案,以滿足多種時(shí)鐘配置的靈活切換的需求。

    10. 工作電壓為2.5或3.3V??梢酝ㄟ^JTAG口編程和在線調(diào)試。

    本文總結(jié)

    通過對(duì)其結(jié)構(gòu)功能的分析,可以清晰的看到該系列時(shí)鐘芯片單片即可取代傳統(tǒng)的由FS、FTG、時(shí)鐘緩沖器、ZDB等眾多分立器件組成的時(shí)鐘系統(tǒng)解決方案。

    該芯片使時(shí)鐘的設(shè)計(jì)方法非常簡(jiǎn)便,用戶界面良好,軟件實(shí)現(xiàn)了所見即所得。通過Lattice提供的SOC系列設(shè)計(jì)軟件ispPAC Designer(版本需3.0以上),用戶可以方便地通過圖形界面設(shè)計(jì)時(shí)鐘方案的參數(shù),并可對(duì)完成配置的芯片進(jìn)行仿真。最后通過JTAG口自動(dòng)識(shí)別與下載配置。



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