LMK03002C评估板使用指南

在现代电子系统中，精确的时钟信号是确保系统稳定运行的关键。LMK03002C作为一款精密时钟调节器，其评估板能帮助工程师更方便地对该器件进行评估和开发。本文将详细介绍LMK03002C评估板的使用方法、技术特性及相关注意事项。

文件下载：LMK03002CEVAL.pdf

评估板概述

LMK03002C评估板旨在简化对集成VCO的LMK03002C精密时钟调节器的评估。该套件包括一块评估板和CodeLoader软件，其中CodeLoader软件可在Windows 2000或Windows XP的PC上运行，其主要作用是通过TM MICROWIRE接口对LMK03002C设备的内部寄存器进行编程。

需要注意的是，LMK0300xC PCB可适用于多种LMK0300xC设备，因此板上的丝印与数据手册和CodeLoader中的实际时钟输出有所不同，具体映射关系如下：	Datasheet / CodeLoader	LMK0300xC EVB PCB
CLKout0 / CLKout0*	CLKout4 / CLKout4*
CLKout1 / CLKout1*	CLKout5 / CLKout5*
CLKout2 / CLKout2*	CLKout6 / CLKout6*
CLKout3 / CLKout3*	CLKout7 / CLKout7*

基本操作步骤

准备工作

在进行硬件设置之前，需先阅读“Installing CodeLoader 4 & USB Driver”文档，按照其中的说明对计算机进行配置，以便与评估板配合使用。

硬件连接

1. 电源连接：将低噪声的3.3V电源连接到评估板左上角的Vcc连接器。
2. 通信电缆连接：将CodeLoader电缆连接到左下角的uWire接头。连接方式有两种：
   • 直接使用LPT to uWire电缆将PC与评估板相连，将电缆一端插入计算机的LPT端口，另一端的10针排线连接器连接到评估板。编程完成后可移除该电缆，以减少噪声和电磁干扰（EMI）。
   • 也可使用单独提供的USB <--> uWire板，通过USB电缆将其连接到PC，再用10针排线将USB <--> uWire板与评估板相连。

软件操作

1. 启动CodeLoader 4。
2. 选择通信模式：在“Port Setup”选项卡中，根据实际连接情况选择USB或LPT通信模式。
3. 选择默认模式：点击“Mode”，选择“16 MHz OSCin”。
4. 启用输出测量：在“Clock Outputs”或“Bits/Pins”选项卡中，启用任何CLKout(0 - 7)或EN_Fout输出，以便进行测量。
5. 编程器件：点击“Keyboard Controls”中的“Load Device”，或按下Ctrl + L对器件进行编程。
6. 进行测量：编程完成后，可拔下uWire电缆，以降低噪声和EMI影响。

板载信息详解

OSCin输入配置

评估板默认使用板载晶体振荡器，同时也支持在OSCin端口使用单端或差分参考源。以下是几种可能的配置：	配置类型	电阻电容值及状态
板载晶体振荡器（默认）	0 ohm：R8, R11, R20 [晶体振荡器供电], R109；39 ohm：R9 [也可为0 ohm，取决于振荡器输出功率，39 ohm用作分压器]；51 ohm：R15；0.1 uF：C35, C36 (C5是0.1 uF 0402电容，可移至C36处)；Open：C4, C5, R7, R10, R12, R13, R14, R16, R17, R79, R112
差分OSCin设置	0 ohm：R7, R8, R10, R13；100 ohm：R17；0.1 uF：C5, C35 (C36是0.1 uF 0402电容，可移至C5处)；Open：C4, C36；移除：R11, R12, R14, R15, R16, R79, R20 [为降低噪声，断开晶体振荡器电源]
单端OSCin设置	0 ohm：R7, R8；51 ohm：R15；0.1 uF：C35, C36 (C5是0.1 uF 0402电容，可移至C36处)；Open：C4, C5, R10, R11, R12, R13, R14, R16, R17, R79, R20 [为降低噪声，断开晶体振荡器电源]

Fout输出

Fout可直接访问时钟分配部分之前的内部VCO。要启用Fout，需选中EN_Fout位。R80、R81和R82上放置了一个3 dB的衰减器。

环路滤波器

R22和R5构成一个“电阻开关”，可选择两种不同的环路滤波器：	环路滤波器	电阻开关状态	环路滤波器组件	默认环路带宽
环路滤波器#1（默认）	R22短路	C1, C2, C2p, R2	105 kHz
环路滤波器#2	R5短路	C1_AUX, C2_AUX, C2p_AUX, R2_AUX	55 Hz

环路滤波器#1的相关参数如下：	参数	值
相位裕度	63º
Kφ	3200 uA
环路带宽	105 kHz
Fcomp	16 MHz
晶体频率	16 MHz
输出频率	1566 to 1724 MHz
电源电压	3.3 Volts
VCO增益	13 MHz/Volt

评估板特性

• 环路滤波器选择：通过短路R22或R5可选择不同的环路滤波器，更多详细信息可参考“General Description”和“Appendix A”。
• 测试点分布：uWire线路的测试点分布在评估板左下角，包括GOE_TP、DATAuWire、CLKuWire、LEuWire、SYNC_TP和LD_TP。
• 接地和电源位置：
  • 接地：位于板左侧未填充的10针接头、左上角的GND_tp2、Vcc SMA连接器右侧的GND_tp1以及未填充的10针接头GND_J2的每个焊盘底部。
  • 电源：位于板左上角未填充的10针接头、Vcc SMA右侧的VccPlane测试点以及未填充的10针接头VCC_J2的每个焊盘底部。

推荐设备

电源

建议使用低噪声电源，如在创建本评估板说明时使用的Agilent 6623A三路电源，并在输出端添加LC滤波器以降低噪声。

相位噪声/频谱分析仪

测量相位噪声时，推荐使用Agilent E5052A。Agilent E4445A PSA频谱分析仪带有相位噪声选项也可使用，但E5052A的架构在相位噪声测量方面更具优势。当频率低于100 MHz时，PSA的本地振荡器噪声过高，测量结果将反映本地振荡器的噪声，而非被测设备的噪声。

示波器

测量延迟时，可使用Agilent Infiniium DSO81204A示波器。

参考振荡器

板载晶体振荡器可在偏移大于1 kHz时为设备提供低噪声参考信号。由于默认环路滤波器的带宽约为105 kHz，在锁相环（PLL）的环路带宽内，参考振荡器（OSCin）上的任何噪声都会对输出产生较大影响。因此，不建议使用信号发生器的主输出驱动OSCin。

CodeLoader设置

端口设置

“Port Setup”选项卡用于告知CodeLoader哪些信号分配到哪些引脚。若设置错误，器件将无法编程。

模式选择

点击“Mode”中的“16 MHz OSCin”可将器件设置恢复到默认状态。本说明中默认使用的参考振荡器频率为16 MHz，恢复模式后期望输入16 MHz的OSCin信号。要使加载的模式生效，需按下Ctrl + L加载器件。

位/引脚设置

“Bits/Pins”选项卡显示了一些无法从其他可视化选项卡（如“PLL”和“Clock Outputs”）访问的内部寄存器。右键单击任何位可查看其描述。部分重要编程位如下：	编程位	功能
POWERDOWN	关闭器件电源
EN_Fout	开启Fout引脚，用于测量内部VCO
OSCin_FREQ	必须设置为OSCin的频率（MHz）
PLL_MUX	可编程为多种不同值，以支持锁定检测或辅助故障排除
DIV4	当OSCin频率大于20 MHz时，应选中该位
RESET	勾选并取消勾选RESET可将寄存器恢复到默认状态，但软件位不会反映此更改
VCO_R3_LF、VCO_R4_LF、VCO_C3_C4_LF	内部环路滤波器值，也可从“Clock Outputs”选项卡访问
EN_CLKout0..3	启用CLKout0到CLKout7的输出，也可从“Clock Outputs”选项卡访问
EN_CLKout_Global	启用所有时钟输出。若未选中，则EN_CLKouts将被覆盖，所有输出均被禁用
SYNC*	具体使用方法可参考“Board Information”部分，可将SYNC*引脚设置为高或低逻辑电平
TRIGGER	将辅助触发引脚设置为高或低逻辑电平

寄存器设置

“Registers”选项卡显示了在点击“Keyboard Controls”中的“Load Device”或按下Ctrl + L加载器件时将被编程的原始位。

时钟输出设置

“Clock Outputs”选项卡允许用户可视化器件的时钟分配部分。通过该选项卡，可对器件的分频器、延迟、时钟输出复用器、输出驱动器以及内部环路滤波器值进行编程。“PLL”块显示了R和N分频器的值，若要更改这些值，可点击“PLL”选项卡或蓝色的PLL框以访问“PLL”选项卡进行修改。

PLL设置

“PLL”选项卡显示了传统的PLL图以及VCO分频器。需要注意的是，总有效N值为PLL N计数器 VCO分频器，这意味着“通道间隔”为鉴相器频率 VCO分频器。根据具体情况，可能需要将R计数器乘以VCO分频器的值，以实现所需的VCO输出频率。

附录内容概述

附录A：VCO性能

通过使用窄带宽环路滤波器测量内部VCO性能。默认情况下，窄环路带宽滤波器作为环路滤波器#2安装在C1_AUX、C2_AUX、C2p_AUX和R2_AUX位置，环路带宽为55 Hz。相关参数如下：	参数	值
相位裕度	58º
Kφ	100 uA
环路带宽	55 Hz
Fcomp	500 kHz
晶体频率	16 MHz
输出频率	1566 to 1724 MHz
电源电压	3.3 Volts
VCO增益	13 MHz/Volt

该环路滤波器位于PCB的顶层，通过在R5焊盘上放置0 ohm电阻进行选择。其设计的环路带宽非常小，可最大程度减少PLL与VCO噪声的相互作用，从而实现VCO相位噪声的测量。在1632 MHz下，使用500 kHz鉴相器频率测量VCO的噪声，不同频率范围的积分RMS抖动如下：

• 10 Hz - 20 MHz：107.6 ps
• 100 Hz - 20 MHz：28.1 ps
• 1 kHz - 20 MHz：2.7 ps
• 12 kHz - 20 MHz：0.303 ps

附录B：参考对相位噪声的影响

在PLL的环路带宽内，相位噪声取决于所使用的参考振荡器的质量。因此，为应用选择合适的参考振荡器非常重要。测试设置中，使用与“General Description”中相同的环路滤波器，用超低抖动的100 MHz Wetzel晶体（50104517D）驱动OSCin频率，并设置R = 5以实现20 MHz的鉴相器频率。在10 Hz至20 MHz带宽内，测量得到的积分RMS抖动非常低，为201 fs，而使用16 MHz晶体时，在“Phase Noise”部分测量得到的抖动为474 fs。不同频率范围的积分RMS抖动如下：

• 1 kHz - 20 MHz：196 fs
• 12 kHz - 20 MHz：188 fs

结论表明，环路带宽内的相位噪声由参考振荡器的质量决定，而环路带宽外的相位噪声由VCO噪声水平决定。

附录C：原理图

提供了评估板的详细原理图，可帮助工程师深入了解电路结构。

附录D：物料清单

列出了评估板所使用的所有元器件，包括电容、电阻、芯片等的制造商、型号、数量和标识符。

附录E：构建图

展示了评估板的构建结构，有助于工程师进行组装和调试。

注意事项

• 更改OSCin频率时，需相应更改OSCin频率寄存器的值。
• 在分频模式下，可切换SYNC*引脚以同步时钟输出。
• 对于两种环路滤波器，板上有辅助丝印，可根据国家半导体传统的环路滤波器参考标识符帮助识别组件。

通过本文的介绍，相信各位工程师对LMK03002C评估板的使用有了更全面的了解。在实际应用中，可根据具体需求进行灵活配置和调试，以实现最佳的时钟性能。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。