Xilinx FPGA收發(fā)器參考時鐘設(shè)計(jì)要求與軟件配置及結(jié)果測試

引言：晶振是數(shù)字電路設(shè)計(jì)中非常重要的器件，時鐘的相位噪聲、頻率穩(wěn)定性等特性對產(chǎn)品性能影響很大。本文基于可編程晶振SI570，就Xilinx FPGA收發(fā)器輸入?yún)⒖紩r鐘的硬件設(shè)計(jì)及FPGA軟件設(shè)計(jì)給出設(shè)計(jì)案例，供大家參考。通過本文，可以了解到：

Xilinx FPGA收發(fā)器參考時鐘設(shè)計(jì)要點(diǎn)

可編程晶振SI570設(shè)計(jì)方法

1.Xilinx FPGA收發(fā)器參考時鐘設(shè)計(jì)要求

1.1參考時鐘接口要求

FPGA收發(fā)器GTX/GTH參考時鐘接口提供兩種連接方式：LVDS（如圖1所示）和LVPECL（如圖2所示）。我們在選擇晶振時，至少要支持其中一種接口輸出電平標(biāo)準(zhǔn)。圖2所示的電阻值為一般推薦值，實(shí)際偏置電阻值需要參考晶振手冊。圖1和圖2中交流AC耦合電容作用：1）阻斷外部晶振和GTX/GTH收發(fā)器Quad專用時鐘輸入管腳之間的DC電流，降低功耗；2）AC耦合電容和參考時鐘輸入端接構(gòu)成高通濾波器，衰減參考時鐘偏移；3）保持耦合電容兩側(cè)共模電壓獨(dú)立，互不干擾。

圖1、LVDS晶振和7系列FPGA收發(fā)器參考時鐘輸入接口

圖2、LVPECL晶振和7系列FPGA收發(fā)器參考時鐘輸入接口

1.2參考時鐘電氣特性要求

FPGA收發(fā)器參考時鐘開關(guān)特性和DC特性要求分別如圖3和圖4所示。

圖3、FPGA收發(fā)器參考時鐘開關(guān)特性要求

圖4、FPGA收發(fā)器參考時鐘DC特性要求

2.硬件電路設(shè)計(jì)

2.1晶振選型

按照章節(jié)1中FPGA收發(fā)器參考時鐘要求，我們選擇Silicon labs公司的si570系列可編程晶振，該晶振典型應(yīng)用SONET/SDH、10G以太網(wǎng)通信、時鐘恢復(fù)等場合。該晶振輸出特性如圖6所示。

圖5、SI570晶振內(nèi)部功能框圖

圖6、SI570晶振輸出特性

2.2原理圖設(shè)計(jì)

FPGA收發(fā)器參考時鐘晶振SI570原理圖設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7、SI570原理圖設(shè)計(jì)

3.SI570 FPGA軟件配置及結(jié)果測試

3.1 SI570晶振配置方法

從圖5中，可看到SI570控制接口采用I2C接口。我們在配置該晶振時要按照以下操作步驟進(jìn)行：

1.SI570根據(jù)家族類別，器件地址都不同，故首先需要去Silicon官網(wǎng)查找項(xiàng)目選型的晶振型號對應(yīng)的器件地址。舉例SI570晶振型號：570BAB000544DG，該型號參數(shù)如圖8所示。在該圖中，我們可以得到可編程晶振的重要參數(shù)，如器件的I2C地址（0x5D），出廠默認(rèn)輸出頻率（156.25MHz），頻率范圍等等。

圖8、SI570出廠參數(shù)信息

2.編寫FPGA軟件，讀出晶振SI570內(nèi)部出廠默認(rèn)寄存器配置字。FPGA實(shí)例工程如圖9所示。

圖9、SI570測試?yán)坦こ?/p>

3.根據(jù)讀出的SI570內(nèi)部寄存器默認(rèn)配置值，F(xiàn)PGA I2C總線讀時序圖如圖10所示。

圖10、FPGA I2C總線讀時序圖

4.利用Silicon官方Programmable Oscillator Calculator軟件計(jì)算出要求出頻率所需的配置寄存器值。如圖11所示，本設(shè)計(jì)將SI570輸出頻率設(shè)置為50MHz。

圖11、計(jì)算SI570配置寄存器流程步驟

5.寫SI570寄存器配置值。FPGA I2C總線寫時序圖如圖12所示。

圖12、FPGA I2C總線寫時序圖

3.2 SI570配置結(jié)果測試

在圖5SI570測試?yán)坦こ讨校覀冞€加入了SI570輸出頻率測試代碼，以通過FPGA在線邏輯分析儀測試SI570輸出頻率是否達(dá)到50MHz設(shè)計(jì)輸出要求。測試結(jié)果如圖13所示，可以看到晶振輸出結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

圖13、SI570輸出頻率測試結(jié)果
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