探索LMK5B33414EVM：网络时钟发生器与同步器评估模块

在电子设计领域，时钟发生器和同步器是确保系统稳定运行的关键组件。今天，我们将深入探讨德州仪器（Texas Instruments）的LMK5B33414EVM评估模块，它为LMK5B33414网络时钟发生器和同步器的评估、合规性测试及系统原型设计提供了强大的支持。

文件下载：LMK5B33414EVM.pdf

一、LMK5B33414EVM概述

1.1 功能特点

LMK5B33414EVM集成了三个模拟PLL（APLL）和三个数字PLL（DPLL），具有可编程的环路带宽。它配备了SMA连接器，用于时钟输入、可选的板外APLL参考输入以及时钟输出，方便与50Ω测试设备接口。板载的TCXO在使用低DPLL环路带宽（低于10Hz）以及评估保持、锁定或自由运行模式时，能显著提升性能。此外，该评估模块可以通过板载USB微控制器（MCU）接口，使用PC和TI的TICS Pro软件图形用户界面（GUI）进行配置，从而对LMK5B33414寄存器进行编程。

1.2 包含与所需物品

• 包含物品：LMK5B33414EVM和3英尺的迷你USB电缆（MPN 3021003 - 03）。
• 所需物品：装有TICS Pro软件GUI的Windows PC、DC电源（12V，1A）。
• 推荐测试设备：信号源分析仪、信号发生器/参考时钟、实时示波器和精密频率计数器。

二、EVM快速启动

2.1 硬件设置

1. 验证EVM默认跳线和DIP开关设置，如图1 - 1所示。
2. 将12V外部电源DC电源（1A限制）连接到J500的VIN4和GND端子（引脚4和5）。
3. 连接参考时钟：将25MHz参考时钟连接到IN0_P/N和/或IN1_P/N。
4. 将USB电缆连接到J41的USB端口。

2.2 软件设置

1. 若未安装，从TI网站安装TICS Pro软件。
2. 若未安装MATLAB R2015b（9.0）64位运行时，从MathWorks网站下载并安装。虽然在编程和评估默认配置文件设置时可选，但对于需要修改DPLL环路滤波器设置的应用，Matlab运行时是必需的。
3. 启动TICS Pro软件。
4. 从“Select Device” -> “Network Synchronizer Clock (Digital PLLs)” -> “LMK5B33414”中选择LMK5B33414配置文件。
5. 确认与板卡的通信：
   • 从菜单栏点击“USB communications”。
   • 点击“Interface”以启动“Communication Setup”弹出窗口。
   • 在“Communication Setup”弹出窗口中检查以下字段：
     • 确保选择“USB2ANY”作为接口。
     • 若有多个USB2ANY，选择所需的接口。若某个USB2ANY正在另一个TICS Pro实例中使用，必须将其接口设置更改为“DemoMode”以释放该接口。
     • 点击“Identify”触发LED闪烁。闪烁的LED确认已连接到预期的板卡。注意，连接到PC但未被TICS Pro实例使用的USB2ANY设备可能会以1秒开、1秒关的缓慢速率持续闪烁。点击“Identify”按钮后，LED将以约0.5秒开、0.5秒关的快速速率闪烁约5秒。

2.3 编程LMK5B33414

1. 切换开关S5（PDN/RESET）。
2. 编程所有寄存器：
   • 按下工具栏中的“Write All Regs”按钮。
   • 从菜单栏选择“USB Communications”，然后选择“Write All Registers”，或按下Ctrl + L。
3. 检查电流消耗。
4. 检查LMK5B33414状态：
   • 转到GUI的“Status”页面。
   • 点击“Read Status Bits”。
   • 确保清除锁存位：
     • 按下“Clear Latched Bits”按钮。
     • 选择“Read Status Bits”。
   • 等待确认状态变化。DPLL状态位可能需要一些时间才能反映锁定状态。

2.4 测量

完成上述步骤后，即可在时钟输出端进行测量。

三、EVM配置

3.1 电源供应

LMK5B33414的VDD和VDDO电源引脚工作在3.3V ± 5%的范围内。J500是连接外部电源的主要端子，SMA端口VIN1（J2）提供了通过同轴电缆供电的替代连接器方式，但默认情况下该SMA连接器未安装。EVM上有三种供电方法：

1. 默认电源配置：使用板载DC/DC电源（U500），从J500的VIN4输入12V外部电源，为所有VDD和VDDO引脚以及板载XO供电。
2. LDO电源配置：使用三个独立的LDO稳压器（U9、U10和U11），从J500（或J2）的VIN1输入5V外部电源，为VDD、VDDO和XO供电。
3. 直接电源配置：为VDD、VDDO和XO提供单独的电压源。在直接电源配置模式下，向VIN1提供3.3V外部电源以驱动VDD引脚，向VIN2提供3.3V外部电源以驱动VDDO引脚，向VIN3提供3.3V外部电源以驱动板载XO。

3.2 逻辑输入和输出

LMK5B33414的逻辑I/O引脚的功能取决于上电复位（POR）时GPIO1输入电平所选择的设备启动模式。默认逻辑输入引脚状态由板载上拉或下拉电阻确定，但一些输入引脚可以由MCU输出或DIP开关控制驱动为高或低状态。MCU可以通过运行TICS Pro软件的PC进行控制，通过I2C或SPI对设备寄存器进行编程，并驱动LMK5B33414的逻辑输入。要使MCU控制引脚输入，与受控GPIO对应的DIP开关的SW[2]必须设置为ON。

3.3 I2C和SPI模式切换

要在I2C和SPI模式之间切换EVM，需要按如下方式配置开关和跳线：

• I2C模式：S1设置为10kΩ上拉，S2设置为MSP430，S3设置为3.9kΩ下拉，S4设置为LED（亮表示高）。
• SPI模式：S1设置为10kΩ上拉，S2设置为MSP430，S3设置为3.9kΩ下拉，S4设置为LED（亮表示高）。在SPI模式下，基于EVM布局将GPIO2路由到SPI主机输入，GPIO2必须配置为STATUS或INT、SPI Readback Data（SDO）、Active High和CMOS，以支持SPI回读。同时，通信协议必须在TICS Pro中进行设置，从菜单栏选择“USB communications” -> “Interface”以获取“Communication Setup”窗口并更改协议。

3.4 生成SYSREF请求

可以使用标准SPI/I2C编程、GPIO0或GPIO1生成SYSREF请求。TICS Pro软件和EVM设计使用GPIO2进行SPI回读（SDO），因此GPIO2未列在引脚中，因为它专门用于SPI回读。在用户应用中，可以使用任何GPIO引脚。将所需的GPIO引脚连接到MCU，通过将开关块上的S2设置为ON，然后确保在GUI的GPIO选项卡中将该GPIO引脚配置为SYSREF_REQ。现在可以通过切换“User Controls”选项卡的“Pins”部分中的GPIO按钮来发出SYSREF请求。

3.5 XO输入

LMK5B33414的XO输入（XO引脚）用于接受分数N APLL的参考时钟。XO输入决定了自由运行或保持模式下的输出频率精度和稳定性。对于同步应用（如SyncE或IEEE 1588），XO输入通常由符合应用频率精度和保持稳定性要求的低频TCXO或OCXO驱动。为了使DPLL正常工作，XO频率与任何使用XO输入作为参考的APLL的VCO输出频率之间必须具有非整数频率关系，且该非整数关系应大于0.05且小于0.95。当将LMK5B33414配置为时钟发生器（不使用DPLL）时，XO频率可以与APLL输出频率具有整数关系。

3.5.1 48MHz TCXO（默认）

默认情况下，EVM配备了一个48MHz、3.3V LVCMOS、低抖动TCXO（指定为Y1，3.2mm × 2.5mm），它通过板载端接和交流耦合驱动LMK5B33414的XO输入。

3.5.2 外部时钟输入

另一种选择是将外部时钟馈送到XO SMA端口（J8）以驱动XO输入。使用外部XO输入路径时，应关闭Y1的电源。要关闭Y1并使用外部XO输入，必须移除JP4上的跳线。为了获得最佳设备性能，建议的XO频率为38.88MHz和48MHz。使用外部XO输入时，TI建议移除连接TCXO输出和LMK5B33414 XO输入的电容器（C71），以防止对板载TCXO进行反向驱动的风险。

3.5.3 额外的XO输入选项

为了提供灵活性，EVM提供了额外的XO输入选项（一次只能使用一个）。C70允许在SMA连接器XO（J8）处提供外部参考，C71允许使用板载XO/TCXO/OCXO占位符之一。默认情况下，Y1配备了一个48MHz TCXO，并通过安装的R43和R206进行选择。R43将Y1的输出时钟提供给LMK5B33414的XO引脚，R206为Y1供电。此外，还有额外的PCB占位符可用于安装替代组件，以评估特定振荡器的性能。

3.5.4 APLL参考选项

LMK5B33414的APLL可以接受任何其他APLL输出作为参考，而不是XO。APLL3上的BAW为高频级联APLL参考提供了一个很好的选择。

3.6 参考时钟输入

LMK5B33414有四对DPLL参考时钟输入（IN0_P/N、IN1_P/N、IN2_P/N和IN3_P/N），具有可配置的输入优先级和输入选择模式。这些输入具有可编程的输入类型、端接和偏置选项，以支持任何时钟接口类型。外部LVCMOS或差分参考时钟输入可以应用于标记为IN0_P/N、IN1_P/N、IN2_P/N和IN3_P/N的SMA端口。所有SMA输入都通过50Ω单端走线进行路由。为了适应不同输入类型的评估，EVM默认装配支持两个交流耦合差分输入（IN2_P/N和IN3_P/N）、一个直流耦合差分输入（IN1_P/N）和一个直流耦合单端输入（IN0_P）。当应用单端信号时，连接到非反相输入（IN0_P、IN1_P、IN2_P或IN3_P）。

3.7 时钟输出

LMK5B33414有14对时钟输出（OUT[0:13]_P/N）。OUT0配置为直流耦合，用于LVCMOS评估；OUT1、OUT2和OUT3连接50Ω到GND，然后通过交流耦合电容器，用于HCSL评估；OUT4到OUT13交流耦合到SMA端口，用于LVDS和HSDS评估。在编程软件中更改输出类型时，必须确保实施所需的电路板修改，以确保正常运行。需要注意的是，直流耦合时钟不应直接连接到不能接受大于0V直流电压的RF设备，如频谱分析仪和相位噪声分析仪。

3.8 状态输出和LED

状态输出信号可以在GPIO0、GPIO1和GPIO2引脚上进行配置。状态输出类型为3.3V LVCMOS或NMOS开漏。除了监控设备状态外，GPIO1和GPIO2还可用于SYSREF复制，从而从LMK5B33414提供两个额外的LVCMOS输出。TP33可用于测量GPIO1输出，TP38可用于测量GPIO2输出。

3.9 测量要求

在使用LMK5B33414EVM进行测量时，必须完成以下步骤：

1. 确保所有所需输出都安装了适当的端接组件，以匹配所需的输出类型。对于LVDS和HSDS输出，示波器必须设置为50Ω阻抗；对于HCSL输出，示波器必须设置为1MΩ阻抗。
2. 确保所有启用但未连接到任何测试设备的输出都具有50Ω SMA端接。

3.10 典型相位噪声特性

这些图表显示了从BAW（VCO3）输出的常见频率的典型相位噪声性能。获得这些测量值所使用的EVM配置如下：

1. XO频率 = 48MHz（板载TCXO）。
2. 输出按照第3.9节所述的方法配置为HSDS输出。

四、EVM原理图

文档中提供了多个原理图，包括电源供应原理图、替代电源供应原理图、电源分配原理图、LMK5B33414和输入参考输入IN0到IN1原理图、时钟输出OUT0到OUT3原理图、时钟输出OUT4到OUT9原理图、时钟输出OUT10到OUT13和时钟输入IN2和IN3原理图、XO原理图、逻辑I/O接口原理图以及USB2ANY原理图。这些原理图详细展示了EVM的电路结构和连接方式，为工程师进行设计和调试提供了重要的参考。

五、EVM物料清单

文档列出了EVM的物料清单，包括各种电容、电阻、二极管、LED、铁氧体磁珠、连接器、电感、MOSFET、开关、测试点和集成电路等。这些物料的详细信息，如数量、值、描述、零件编号和制造商等，为工程师进行物料采购和电路板组装提供了准确的依据。

5.1 环路滤波器和抗振动电容

EVM上使用的电容为X7R，由于铁电特性，它们对振动敏感，这是由压电效应引起的。TI建议在需要在振动环境中实现最佳性能的应用中使用非铁电电容，如NP0、C0G或钽电容。在47nF及以下，C0G/NP0电容可采用0805尺寸的封装；对于0.1µF及以上的值，可以考虑使用钽电容作为抗振动环路滤波器组件。

六、附录A - TICS Pro LMK5B33414软件

6.1 使用起始页面

起始页面可用于为特定VCO频率和DPLL操作配置PLL。具体步骤如下：

1. 设置XO_P输入频率和接口类型，通过指定每个PLL的参考和PLL鉴相器频率的相关设置来设置APLL的输入。
2. 设置时钟输入频率和接口类型，还可以从该页面使用PLL R分频器和鉴相器预览来分配级联APLL。
3. 设置DPLL的时钟输入选择模式、输入优先级和最大TDC频率。推荐的输入选择模式是自动恢复模式。
4. 设置ZDM的时钟输出，PLL将驱动为ZDM选择的输出集的PLL源多路复用器。
5. 输入每个输出的所需目标频率、所需输出格式、输出源、输出是否为SYSREF以及输出是否正在使用。按下“Calculate VCO Frequency Options”按钮以生成可能的VCO频率组合列表。从计算值列表中选择所需的VCO频率组合。如果特定的VCO频率不在此列表中，可以通过选择“Enable User Override”复选框并输入所需的VCO频率来进行手动覆盖。按下“Assign Selected VCO Settings to Device”按钮更新VCO频率，然后按下“Apply Output Clock Settings to Device”按钮。
6. 输入所需的DPLL环路带宽。
7. 为了计算DPLL分频器设置，选择所需的DPLL环路滤波器和分频器，然后按下“Run Script”按钮。软件将运行并计算所选DPLL环路滤波器的必要设置。

6.2 使用状态页面

状态页面显示与设备当前状态相关的字段。要更新这些字段，可以按下工具栏中的“Read Status Bits”按钮或“Read RO Regs”按钮。“Read RO Regs”按钮将读取所有只读寄存器，这将在其他页面（包括状态字段）中提供更多信息，但读取时间可能较长。“Read Status Bits”仅读取此页面的状态位。对于DPLL锁定，必须在窗口的“Active Reference/Holdover”和“Reference Validated”部分验证并选择参考。当DPLL锁定时，预计在获得相位锁定时，LOPL_DPLLx将是最后一个清除的位。当INT_EN = 1时，任何实时状态标志将锁存到INTR Latched位列中，这些位将保持置位状态，直到按下“Clear Latched Bits”按钮。按下工具栏中的“Soft - chip reset”按钮可以重置设备并重新启动锁定过程。

6.3 使用输入页面

输入页面提供了设备所有输入、APLL频率和DPLL频率的高级视图。当通过在起始页面的步骤