DS314xx時鐘同步IC升級工作于1Hz輸入時鐘

　摘要：本應(yīng)用筆記介紹如何對Maxim的DS314xx時鐘同步IC進(jìn)行現(xiàn)場升級，使其接受并鎖定至1Hz輸入時鐘信號。文章探討了少數(shù)情況下對1Hz時鐘監(jiān)測功能及系統(tǒng)軟件支持的需求?；谶@些考慮，系統(tǒng)利用DS314xx器件構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)的時鐘同步功能，能夠支持1Hz及更高頻率的輸入時鐘。

　　引言

　　Maxim的DS314xx系列時鐘同步IC是功能強(qiáng)大、設(shè)計靈活的同步時鐘方案，理想用于電信系統(tǒng)。這些器件最初設(shè)計用于鎖定至2kHz至750MHz的輸入時鐘頻率，該頻率范圍滿足大多數(shù)電信系統(tǒng)的需要。然而，電信系統(tǒng)偶爾還要求與1Hz或1PPS （每秒一個脈沖）輸入時鐘信號同步。這樣的定時信號可能來自GPS接收機(jī)或IEEE? 1588等從設(shè)備。

　　為了滿足這一應(yīng)用需求，Maxim為DS314xx系列產(chǎn)品開發(fā)了1Hz初始化升級方案，該方案支持在系統(tǒng)軟件升級。利用該配置，DS314xx器件中的DPLL可直接鎖定至1Hz信號，并且能夠在1Hz時鐘和更高頻率時鐘之間進(jìn)行無縫切換。Maxim已經(jīng)在實驗室對DS31400升級系統(tǒng)進(jìn)行驗證，確認(rèn)其滿足ITU-T G.813選項1和2、ITU-T G.8262選項1和2、Telcordia GR-1244-CORE stratum 3等對時鐘同步的要求，并滿足Telcordia GR-253-CORE的同步要求。用戶可申請相應(yīng)的測試報告。

　　本應(yīng)用筆記包含以下內(nèi)容：

　　●DS314xx工作在1Hz輸入時鐘下的設(shè)置要求

　　●DS314xx鎖定至1Hz輸入時鐘時，對幾個相關(guān)寄存器字段的重新定義

　　●1Hz輸入時鐘的外部監(jiān)測需求

　　●系統(tǒng)軟件對標(biāo)準(zhǔn)兼容性的支持需求

　　本應(yīng)用筆記假設(shè)讀者已經(jīng)具備電信系統(tǒng)中時鐘同步的相關(guān)知識，且至少了解一款Maxim的DS314xx時鐘同步IC。

　　設(shè)置要求

　　振蕩器

　　對1Hz輸入沒有特殊要求。使用沒有1Hz輸入時鐘設(shè)計中的相同TCXO或OCXO。Maxim的兼容性測試采用TCXO。

　　1Hz初始化腳本

　　必須對DPLL進(jìn)行修改，使其能夠工作在1Hz輸入時鐘。須執(zhí)行初始化文件DS314xx_1Hz.mfg中列出的寫操作，配置DPLL工作于1Hz輸入時鐘。該腳本可從DS31400網(wǎng)頁下載（技術(shù)文檔標(biāo)簽頁，軟件/模型欄的下方）。該腳本適用于任何DS314xx器件。

　　輸入時鐘鎖定頻率

　　對于1Hz輸入，設(shè)置ICCR1.LKFREQ=0xE。

　　1Hz初始化腳本將之前未使用的0xE譯碼為1Hz。

　　禁用1Hz輸入時鐘監(jiān)測

　　DS314xx輸入時鐘監(jiān)測邏輯不是為1Hz輸入時鐘設(shè)計的。因此，必須對每個1Hz輸入時鐘禁用以下功能：

　　頻率監(jiān)測硬件限制（ICCR2.HARDEN=0）

　　總體頻率監(jiān)測（ICCR2.FREN=0）

　　采用“漏桶累加器”進(jìn)行活動監(jiān)測（ICLBS=0）

　　DS314xx器件可監(jiān)測kHz和MHz量級的輸入時鐘。

　　DPLL設(shè)置

　　為了滿足ITU-T G.813 SEC、ITU-T G.8262 EEC或Telcordia GR-1244 stratum 3時鐘同步要求，必須對DPLL進(jìn)行以下設(shè)置：

　　DPLLCR6.AUTOBW=0

　　DPLLCR6.LIMINT=1 （復(fù)位默認(rèn)值）

　　DPLLCR1.UFSW=1

　　DPLLCR4.LBW=00111 （將帶寬設(shè)置為0.06Hz或更低）

　　DPLLCR6.PBOEN=1 （復(fù)位默認(rèn)值）

　　DPLLCR5.FLEN=0

　　此外，建議進(jìn)行如下設(shè)置：

　　HRDLIM[15:0]=421Eh，DPLL頻率限制為±9.5ppm

　　DPLLCR5.FLLOL=1 （復(fù)位默認(rèn)值），達(dá)到HARDLIM時導(dǎo)致DPLL失鎖

　　DPLLCR2.HOMODE=10，MINIHO=10，指定使用5.8min保持平均

　　DS314xx_1Hz.mfg初始化腳本對DS314xx IC的DPLL1進(jìn)行配置，滿足上述必要設(shè)置和推薦配置。

　　鎖定至1Hz輸入時鐘時重新定義寄存器字段

　　PHASE字段

　　DPLL鎖定至1Hz輸入時鐘時，PHASE字段被重新定義，單位為納秒，分辨率為1ns。DPLL鎖定至kHz或MHz量級的輸入時鐘時，PHASE寄存器說明請參考數(shù)據(jù)資料。

　　FINELIM和COARSELIM字段

　　DPLL鎖定至1Hz輸入時鐘時，F(xiàn)INELIM字段沒有任何意義，必須將其忽略。COARSELIM字段規(guī)定DPLL的相位限制。此外，COARSELIM被重新定義，所以DPLL的相位門限為2COARSELIM × 32ns。一旦PHASE字段的數(shù)值超過該相位門限，PLL1SR或PLL2SR中的PALARM狀態(tài)置位。DPLL狀態(tài)機(jī)則立即轉(zhuǎn)換至失鎖狀態(tài)。DPLL鎖定至kHz或MHz輸入時鐘時，F(xiàn)INELIM和COARSELIM字段說明請參考數(shù)據(jù)資料。

　　1Hz信號的外部監(jiān)測要求

　　外部監(jiān)測

　　DS314xx輸入時鐘監(jiān)測邏輯不能監(jiān)測1Hz輸入時鐘。此外，DS314xx DPLL不能因為缺少有效的1Hz輸入時鐘（即沒有時鐘沿）或頻偏而失效。如果需要監(jiān)測1Hz輸入時鐘的有效信號和/或頻率，則必須在DS314xx器件外部增加監(jiān)測功能。

　　對于來自系統(tǒng)或子系統(tǒng)（GPS接收機(jī)或IEEE 1588等從設(shè)備）的1Hz信號，系統(tǒng)可能已經(jīng)對1Hz信號源進(jìn)行了必要監(jiān)測。這種情況下，系統(tǒng)軟件可從信號源接收時鐘的狀態(tài)信息，并且利用相應(yīng)的VALCR位控制1Hz時鐘的有效工作或禁止。

　　如果系統(tǒng)沒有對1Hz信號源進(jìn)行必要監(jiān)測，則可在FPGA邏輯電路中構(gòu)建監(jiān)測電路。將來自DS314xx的高速時鐘信號（例如50MHz或100MHz）連接至FPGA。FPGA內(nèi)部邏輯電路可在每個1Hz時鐘周期內(nèi)對高速時鐘信號進(jìn)行計數(shù)。如果使用100MHz時鐘信號時，以這種方式測量頻率時，分辨率可以達(dá)到0.01ppm。如果發(fā)現(xiàn)測得的頻率過高或過低，F(xiàn)PGA的監(jiān)測邏輯電路可以指示頻率超出技術(shù)指標(biāo)。隨后，系統(tǒng)軟件即可利用DS314xx器件中的VALCR位禁止1Hz時鐘操作。

　　工作在1Hz時鐘時，如果將VALCR位清零，DPLL將自動鎖定到下一優(yōu)先級的有效輸入時鐘；如果沒有其它時鐘，則可切換到保持狀態(tài)。其它輸入可以是1Hz或更高頻率的任意時鐘。

　　1Hz輸入時鐘無效時，DS314xx DPLL的工作狀況

　　DPLL鎖定到一個停止翻轉(zhuǎn)（例如電纜斷開）的1Hz輸入時鐘時，DPLL不能快速識別時鐘沒有翻轉(zhuǎn)。這是因為信號出現(xiàn)時，DPLL每秒只能接收到一個相位更新。DPLL在數(shù)秒內(nèi)才能退出鎖存狀態(tài)，并且可能在Prelocked/Prelocked2、鎖存、失鎖狀態(tài)之間切換狀態(tài)，不會進(jìn)入保持狀態(tài)。

　　當(dāng)DPLL退出鎖存狀態(tài)（如果使能，會在DS314xx INTREQ引腳產(chǎn)生中斷請求），系統(tǒng)軟件應(yīng)該有所反應(yīng)，判斷1Hz信號故障，然后清除VALCR位。此時，允許DPLL切換到下一個有效輸入，或在沒有其它輸入時鐘的情況下進(jìn)入保持狀態(tài)。

　　如果系統(tǒng)軟件沒有禁止失效的1Hz時鐘，DPLL在1Hz信號恢復(fù)時仍然嘗試鎖存到1Hz信號，DPLL鎖存將非常緩慢。特別是，DPLL頻率可能在最終鎖定到1Hz輸入時鐘之前，一直移動在HRDLIM字段設(shè)定的正、負(fù)門限。該鎖定過程可能花費數(shù)十或數(shù)百秒。如果系統(tǒng)軟件檢測到DPLL頻率偏離標(biāo)稱值過多，可通過清零然后再置位輸入時鐘的VALCR位進(jìn)行干預(yù)。從而允許DPLL使用其相位擴(kuò)充程序在數(shù)秒內(nèi)鎖定。

　　進(jìn)入、退出保持狀態(tài)所需要的額外步驟

　　配置工作在1Hz時，DS314xx DPLL只有從DS314xx輸入時鐘模塊接收到“新選定的參考時鐘”信號時，才能退出保持狀態(tài)。為確保從1Hz時鐘產(chǎn)生該信號，系統(tǒng)軟件必須能夠執(zhí)行以下操作：

　　無效的1Hz輸入時鐘必須標(biāo)記為無效。通過清除相應(yīng)的VALCR位或?qū)⑤斎霑r鐘的優(yōu)先級設(shè)置為0實現(xiàn)。

　　有效的1Hz輸入時鐘必須標(biāo)記為有效。通過置位相應(yīng)的VALCR位或?qū)⑤斎霑r鐘的優(yōu)先級設(shè)置為非零值實現(xiàn)。

　　如果將DPLL強(qiáng)制為保持狀態(tài)，系統(tǒng)軟件必須利用DPLLCR2.STATE字段執(zhí)行額外的幾個步驟。當(dāng)STATE字段返回到自動狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，如果輸入時鐘保持有效，則不產(chǎn)生“新選定的參考時鐘”信號，DPLL不會退出保持狀態(tài)。為了避免這種現(xiàn)象，系統(tǒng)軟件應(yīng)將DPLL STATE字段切回到自動狀態(tài)，然后執(zhí)行以下步驟：

　　如果DPLLCR1.REVERT=0，則將其置1。

　　清除然后再置位最高優(yōu)先級、有效輸入時鐘對應(yīng)的VALCR位。

　　將REVERT位恢復(fù)到其原始值。

　　以上步驟使輸入時鐘模塊產(chǎn)生“新選定的參考時鐘”信號，它允許DPLL退出保持狀態(tài)并鎖定至最高優(yōu)先級的有效輸入時鐘。

　　增大ppm調(diào)整以滿足Stratum 3標(biāo)準(zhǔn)所需的軟件支持

　　對于頻率≤ 0.06Hz，每秒鐘只有一次相位更新時，鎖定在1Hz輸入時鐘的DS314xx DPLL的頻率變化非常緩慢。例如，在鎖存狀態(tài)下，改變9.2ppm的頻率可能需要10分鐘以上的時間。為了滿足stratum 3標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)需要在100s內(nèi)鎖定至新的輸入時鐘。如果輸入時鐘的頻率與DPLL的當(dāng)前頻率相差高達(dá)9.2ppm，如果DPLL采用常規(guī)的鎖存機(jī)制，顯然不能滿足100s的要求。

　　幸運的是，系統(tǒng)軟件可利用以下步驟大大加速這一過程：

　　從DS31400外部的時鐘監(jiān)測器獲得新的1Hz輸入時鐘的頻率。

　　（如果信號發(fā)生頻率躍變，這也可能是當(dāng)前1Hz時鐘信號的新頻率。）

　　計算新頻率與FREQ寄存器字段讀取的當(dāng)前DPLL頻率之差。

　　將DPLL當(dāng)前頻率寫入手動保持頻率字段HOFREQ。

　　將DPLLCR2.HOMODE和MINHO設(shè)置為01，將DPLL配置為手動保持。

　　通過設(shè)置DPLLCR2.STATE=010，強(qiáng)制DPLL進(jìn)入保持狀態(tài)。

　　調(diào)整HOFREQ字段的手動保持頻率，將其更改到新的頻率。為達(dá)到GR-1244 stratum 3標(biāo)準(zhǔn)要求，變化率應(yīng)小于2.9ppm/s。

　　通過設(shè)置DPLLCR2.STATE=000，允許DPLL進(jìn)行自動狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

　　清除然后置位相應(yīng)的VALCR位，允許DPLL退出保持狀態(tài)。

　　將DPLLCR2.HOMODE和MINHO設(shè)置為10。

　　DPLL將快速鎖定至1Hz輸入時鐘。

　　輸出、輸入之間的相位差不為零

　　DS314xx DPLL開始跟蹤1Hz輸入時鐘時，它將輸入時鐘的當(dāng)前相位設(shè)置為其相位目標(biāo)，該目標(biāo)相位通常為0°。DPLL鎖定時，DPLL的PHASE寄存器字段中的零值或接近于零的數(shù)值表示DPLL已經(jīng)鎖定到選定的目標(biāo)相位。該DPLL的輸出時鐘信號與DPLL的目標(biāo)相位對齊，因此與1Hz輸入時鐘之間存在一個固定的相位關(guān)系，通常是一個不為零的數(shù)值。

　　對于要求輸出必須與1Hz輸入同相的應(yīng)用，或者輸出與輸入相位必須存在受系統(tǒng)控制的相位關(guān)系時，Maxim提供的DS31408和DS31415兩款器件能夠滿足這一需求，這些器件包含另外一個稱為時間引擎的模塊。該時間引擎使得器件能夠鎖定至1Hz輸入時鐘，并產(chǎn)生相位精確的輸出時鐘。

　　總結(jié)

　　Maxim的DS314xx時鐘同步IC可以進(jìn)行現(xiàn)場升級，使其鎖定至1Hz （1PPS）輸入時鐘信號。利用外部1Hz信號監(jiān)測電路，并借助本文介紹的系統(tǒng)軟件提供少量支持，即可將DS314xx器件構(gòu)建成符合標(biāo)準(zhǔn)的時鐘同步系統(tǒng)，能夠工作在1Hz和更高頻率的任意輸入時鐘。