探索Si531x/2x系列评估板：解锁高精度时钟的奥秘

在电子设计领域，时钟信号的精度和稳定性对系统性能起着至关重要的作用。今天，我们将深入探讨Silicon Laboratories的Si531x/2x系列评估板（Si5316-EVB、Si5319-EVB、Si5322/23-EVB、Si5324-EVB、Si5325/26-EVB和Si5327-EVB），这些评估板为评估该公司的Any-Frequency Precision Clock Timing ICs提供了强大的平台。

文件下载：SI5316-EVB.pdf

1. 评估板简介

这些评估板对应的芯片包括Si5316、Si5319、Si5322/Si5323、Si5324、Si5325/Si5326和Si5327。其中，Si5316、Si5322和Si5323可通过设备上的配置引脚直接控制，而Si5319、Si5324、Si5325、Si5326和Si5327则通过I2C或SPI接口由微处理器或MCU控制。

不同芯片具有不同的特性和功能：

• Si5316：是一款抖动衰减器，环路带宽范围为60 Hz至8.4 kHz，在12 kHz - 20 MHz和50 kHz - 80 MHz抖动滤波器带宽内支持0.3 ps RMS（典型值）的抖动产生。
• Si5322和Si5325：是低抖动时钟乘法器，环路带宽范围为30 kHz至1.3 MHz，在12 kHz - 20 MHz和50 kHz - 80 MHz抖动滤波器带宽内支持0.6 ps RMS（典型值）的抖动产生。
• Si5319、Si5323和Si5326：是抖动衰减时钟乘法器，环路带宽范围为60 Hz至8.4 kHz，在12 kHz - 20 MHz和50 kHz - 80 MHz抖动滤波器带宽内支持0.3 ps RMS（典型值）的抖动产生。
• Si5324和Si5327：与Si5326功能类似，但环路带宽低得多，范围为4至525 Hz，在12 kHz - 20 MHz和50 kHz - 80 MHz频段支持0.3 ps RMS（典型值）和0.5 ps RMS（典型值）的抖动衰减。

这些芯片基于Silicon Laboratories的第三代DSPLL®技术，具有出色的相位噪声和抖动性能，能够在高度集成的PLL解决方案中实现任意频率合成，无需外部VCXO和环路滤波器组件。

2. 应用场景

Si531x/2x系列时钟芯片具有丰富的特性，包括任意频率合成、多时钟输入输出、报警和状态输出、输入时钟之间的无缝切换、可编程输出时钟信号格式（LVPECL、LVDS、CML、CMOS）、输出时钟之间的相位调整以及所有输出时钟与所选参考输入时钟之间的相位调整等。这些特性使得它们非常适合在中高端和高性能定时应用中提供时钟乘法/除法、抖动衰减和时钟分配。

所有评估板都配备了MCU（C8051F340），支持与PC主机的USB通信。对于引脚控制的芯片（Si5316、Si5322和Si5323），其引脚设置由MCU和评估板附带的PC软件确定；对于MCU控制的芯片（Si5319、Si5324、Si5325、Si5326和Si5327），则通过串口（SPI或I2C）进行控制和监控。

此外，评估板还提供了多种接口和功能，如CPLD用于电压电平转换和存储引脚配置数据，跳线插头可让用户绕过MCU/CPLD手动控制引脚控制的设备，带状插头和SMA连接器方便用户访问外部时钟输入、输出和状态引脚，板载端接可用于评估单端或差分以及交流或直流耦合的时钟输入和输出，独立的DUT电源连接器可使时钟芯片在1.8、2.5或3.3 V下运行，而USB MCU保持在3.3 V，LED用于方便监控关键状态信号。

3. 评估板特性

每个评估板都包含以下内容：

• 带有文档和评估板软件（包括DSPLLsim配置软件工具）的CD。
• USB电缆。
• 包含相应芯片（如Si5316、Si5319等）的评估板电路。
• 用户指南。

4. 快速启动指南

使用评估板时，可按以下步骤操作：

1. 评估板附带的CD中包含名为“install_instructions.PDF”的文件，按照该文件的详细说明安装控制评估板的驱动程序和软件。
2. 将两个电源连接到评估板，一个为3.3 V，另一个为1.8、2.5或3.3 V，DUT由1.8/2.5/3.3 V电源供电。
3. 打开电源。
4. 使用USB电缆将评估板连接到安装了软件的PC。
5. 安装USB驱动程序。
6. 通过点击“开始”→“程序”→“Silicon Laboratories”→“Precision Clock EVB Software”并选择其中一个程序来启动软件。

5. 功能描述

5.1 窄带与宽带操作

不同评估板支持不同的操作模式。Si5316和Si5322/23评估板用于引脚控制的时钟芯片，而Si5319、Si5324、Si5325/26和Si5327评估板用于通过串口由MCU控制的时钟芯片。其中，Si5316-EVB、Si5319-EVB、Si5324-EVB和Si5327-EVB仅支持一个芯片，而Si5322/23-EVB和Si5325/26-EVB分别支持一个宽带芯片（Si5322和Si5325）和一个窄带芯片（Si5323和Si5326）。窄带芯片也能在宽带模式下工作，因此评估板仅安装窄带芯片。

Si5324-EVB和Si5327-EVB比较特殊，因为Si5324和Si5327的环路带宽较低，不支持宽带操作。由于环路带宽较低，锁定时间会增加，并且它们对XA - XB参考晶体的温度变化更敏感。因此，SI5324-EVB上使用了20 ppm的晶体，主要是为了其温度稳定性，而非绝对精度。如果晶体将经历显著的温度变化，建议用泡沫胶带或其他方式对其进行热绝缘。

要使用Si5322/23-EVB评估Si5322设备的操作，必须使用提供的跳线将RATE[1:0]引脚设置为LL；要使用Si5325/26-EVB评估Si5325设备的操作，应将Precision Clock EVB软件配置为宽带模式，具体细节可参考该软件的文档。

5.2 框图

评估板的框图显示，MCU通过USB连接与主机PC通信，通过CPLD控制和监控Si532x。CPLD将MCU的3.3 V电压信号转换为Si532x的电压（通常为3.3、2.5或1.8 V），用户可以通过各种跳线设置以及通过PC经MCU和CPLD访问Si532x的所有引脚。

5.3 输入和输出时钟

Si532x有两个差分输入，交流端接至50 Ω，然后交流耦合到芯片。单端操作可通过不连接差分对中的一个并用电容将未使用的输入接地来实现。当输入时钟频率为1 MHz或更低时，应将位于板底部的适当直流阻塞电容（C39、C41、C34和C36）替换为0 Ω电阻，因为在低频下交流耦合电容的容抗会变得很大。同时，即使输入频率较低，CKIN信号也必须满足11 ns的最小上升时间（CKNtrf）。

时钟输出（Si5316-EVB和Si5319-EVB各有一个，其他评估板有两个）均为差分、交流耦合，并配置为驱动50 Ω传输线。使用单端输出时，必须将未使用的输出端进行端接。

评估板还提供了两个跳线用于监控Si532x的电源：移除R27后，J20可用于测量设备电流；J12可随时用于监控设备的电源电压。

Si5316、Si5319、Si5323、Si5326和Si5327需要外部参考才能作为窄带抖动衰减器工作，环路带宽可低至60 Hz（Si5324和Si5327为4 Hz）。外部参考源可以是晶体、独立振荡器或其他时钟源，可接受的参考频率范围在Any-Frequency Precision Clocks Family Reference Manual（Si53xxRM.pdf）中有描述。评估板出厂时配备了一个114.285 MHz的三次泛音晶体（Si5327-EVB为40 MHz基模晶体），J1和J2用于将Si532x配置为使用外部参考振荡器的窄带模式。

RATE引脚也应使用J9处的跳线插头配置为所需模式，对于未使用的输入和输出，请参考相关手册。

5.4 两级和三级输入

两级和三级输入都可以通过在J9处安装跳线插头进行手动配置。两级输入为H或L，三级输入的M电平通过不在给定位置安装跳线插头来实现。J9还可用于连接控制这些引脚的外部电路，J17是一个十针带状插头，可让外部处理器通过SPI或I2C控制Si532x，J14是另一个十针带状插头，引出了Si532x的所有状态输出。需要注意的是，有些引脚根据设备配置既可以作为输入也可以作为输出。

5.5 CPLD和电源

CPLD是MCU控制Si532x所必需的，它主要有两个功能：将3.3 V（MCU电压）转换为Si532x的电压（1.8、2.5或3.3 V）；MCU通过SPI信号（SS_CPLD_B、MISO、MOSI和SCLK）与CPLD通信，可访问与控制Si532x引脚相关的CPLD寄存器。当MCU访问Si532x寄存器时，SPI信号通过CPLD进行电平转换后传输到Si532x。CPLD是一个EE设备，通过JTAG端口（J27）加载代码，其核心运行在1.8 V，由电压调节器U6提供。CPLD还将许多LED逻辑连接到相应的Si532x引脚。

评估板需要两个电源输入，MCU为+3.3 V，时钟芯片为1.8、2.5或3.3 V，电源连接器为J30，两个电源的地在评估板上连接在一起。评估板有八个LED，用于指示不同的状态。

评估板的串口连接器（J17）支持以下功能：

• 通过MCU/CPLD控制外部目标板上的Any-Frequency芯片。
• 通过外部SPI或I2C端口控制评估板上的Any-Frequency芯片。

在某些应用中，当三级引脚由外部逻辑驱动器驱动时，可能需要使用外部上拉和下拉电阻，特别是对于引脚控制的芯片（Si5316、Si5322和Si5323），具体细节可参考相关手册。

5.6 MCU

MCU负责将评估板连接到PC，以便使用PC上的软件控制和监控Si532x。USB连接器为J3，MCU的调试端口为J24，复位开关SW1可复位MCU，但不复位CPLD。MCU是一个独立的USB主机，运行控制和监控Si532x所需的所有代码，无论是在MCU模式还是引脚控制模式下。

U4包含每个评估板的唯一序列号，U3是一个EEPROM，用于存储评估板的配置信息。评估板上电后以自由运行模式启动，具体配置在“Appendix— Powerup and Factory Default Settings”中有详细说明。

对于引脚控制的芯片（Si5316-EVB和Si5322/23-EVB），U3的内容在上电时配置评估板，以便可以使用跳线插头。如果随后运行DSPLLsim，在下载配置到评估板之前应移除跳线插头，以避免跳线与CPLD输出冲突。对于微处理器控制的芯片，U3根据特定的频率计划配置评估板。

需要注意的是，LVPECL输出在1.8 V下无法正常工作。如果Si532x芯片要在1.8 V下运行，需要通过更改SFOUT引脚（Si5316/22/23）或SFOUT寄存器位（Si5319/ 25/26/27）来改变输出格式。

6. 连接器和LED

6.1 LED

评估板上有八个LED，可快速方便地确定评估板的状态：	LED	颜色	标签
D1	绿色	3.3 V
D2	绿色	DUT_PWR
D5	红色	LOL
D4	红色	C1B
D6	红色	C2B
D3	绿色	CA
D7	黄色	CPLD
D8	黄色	MCU

6.2 用户跳线和插头

• J20：用于测量Any-Frequency Precision Clock的电流消耗，使用时需移除R27。
• J14：一个十针带状插头，提供外部路径以监控状态引脚。
• J17：一个十针带状插头，提供外部路径以与Any-Frequency Precision Clock进行串行通信。
• J9：一个20x3的插头，用于通过跳线插头为引脚控制的两级和三级输入设置输入电平，也可用于外部驱动两级和三级输入信号。
• J12：用于监控Any-Frequency Precision Clock的电压。
• J1和J2：边缘安装SMA连接器，用于提供外部单端或差分参考振荡器。

7. 评估板软件安装

评估板软件的发布说明和安装程序可在评估板附带的CD中找到，也可从Silabs网站（www.silabs.com/timing）下载。安装时，可按照相关链接找到1-PLL Jitter attenuators，然后在Tools标签下查找。

7.1 精密时钟评估板软件描述

有几个程序可用于控制精密时钟设备，每个程序提供不同的访问方式：

• Register Viewer：以表格形式按寄存器地址排序显示当前寄存器映射数据，提供设备状态的概述，可保存和打印寄存器映射。
• Register Programmer：提供设备的低级别寄存器控制，支持单操作和批量操作，可读写设备，批量模式下可保存和打开寄存器映射文件。
• Setting Utility：允许快速访问精密时钟设备的每个控制（基于引脚或寄存器），也可保存和打开文本文件。
• DSPLL sim：提供精密时钟设备的高级控制，具有频率规划向导，并以有组织、直观的方式控制引脚和寄存器。

8. 原理图和物料清单

文档中还提供了评估板的原理图和物料清单，详细列出了各个组件的型号、数量和制造商等信息。

9. 布局

文档展示了评估板的各层布局，包括丝印层、接地层、电源层等，有助于工程师了解评估板的物理结构和布线情况。

10. 附录：上电和工厂默认设置

文档的附录部分详细说明了不同评估板的上电设置和工厂跳线设置，为工程师提供了初始配置的参考。

Si531x/2x系列评估板为工程师提供了一个全面的平台，用于评估和开发高精度时钟应用。通过深入了解这些评估板的特性、功能和使用方法，工程师可以更好地利用这些芯片的优势，设计出高性能的电子系统。大家在使用过程中是否遇到过一些有趣的问题或挑战呢？欢迎在评论区分享交流。