【技术】秒懂时钟－抖动衰减时钟设计与应用技巧

在这篇文章中，将会介绍一个有趣的时钟芯片反馈装置。它可能意外发生，或作为尝试恢复或测试模式，但通常应该如所解释的那样避免。此外，了解Ouroboros时钟可能有助于在复杂的定时应用中解释一些奇怪的行为。在深入了解"Ouroboros"时钟之前，我们来看一下基本的时钟切换术语和标准输入时钟切换配置。

一些基本时钟切换术语

时钟芯片通常支持基于某些限定条件（例如LOS（LossofSignal））或OOF（OutofFrequency）的条件，从一个输入时钟切换到另一个输入时钟。以下是最常用的术语：

自由模式

基于附加晶体或其他谐振器的输出时钟，或替代外部参考时钟。输出时钟的频率稳定性，漂移和抖动特性由芯片的晶振决定，与输入时钟无关。

保持模式

输出时钟基于所选输入时钟的历史频率数据，并且在输入时钟丢失并且没有有效的备用可用时使用。通常历史数据必须在一些最短时间内被收集，以被认为是有效的。频率精度与收集的数据一样好。

锁定模式

输出时钟频率和相位锁定到所选择的输入时钟，即正常操作。

标准输入时钟切换配置

考虑下图中的两个抖动衰减器时钟IC级联的图示。这可能用于额外的抖动衰减或优化频率的计划和分配。为了说明，这些设备被描绘为非常简化的时钟振荡器Si5345框图。在该图中，IN0和IN3提供给设备＃1两个输入时钟。

在典型的应用中，一个时钟可以被认为是"主"时钟，另一个被认为是"辅助"时钟。主时钟可能会从网络数据恢复，而辅助时钟则依赖本地振荡器。如果主时钟故障或被LOS或OOF取消资格，则时钟芯片切换到辅助时钟。这通常旨在使"下游"设备保持运行。如果主时钟返回并且有效，那么根据所选择的选项，时钟IC可能会还原到它。

这里的推测是，只要这两个时钟中的任何一个存在，则在OUT0处产生有效的锁定模式时钟，从而向下游设备＃2提供输入时钟。实际上，如果设备＃1的两个输入时钟都丢失，则设备可以进入保持模式，如上所述，甚至是自由模式，并且仍然产生临时合理的输出时钟。

时钟配置

在标准应用中，下行时钟不反馈到上行时钟输入。相反，它们通常是上游独立稳定或数据导出时钟的缩放或抖动衰减版本。

但是如果我们尝试了如下图2所示的配置怎么办？在这种情况下，下游设备＃2的输出之一被反馈到上游设备＃1。这可能是作为临时的备份时钟。

现在如下图3所示，当我们失去主时钟IN0时会发生什么？辅助或备用时钟IN3至设备＃1依赖于设备＃2的输出。请注意，这只是Device＃1输出的锁定版本。我们通常不会看到这种与一个设备的连接，但偶尔提出涉及2个设备的应用程序。

这是Ouroboros时钟配置。（是的，它听起来就像生活大爆炸的台词。）Ouroborus时钟配置的命名，是应为它的反馈类似于蛇追逐（或咬）它的尾巴的神话符号。根据维基百科，这个词来自希腊语"ourá"和"bóros"，用于描述"吞噬或吞咽"。见图4中的图示。它是古代的循环无穷符号，适用于此应用。

Gedanken

我们考虑一个简单的gedanken实验，由一个基本的PLL组成。然后假设它已经成功地被放置在Ouroboros配置中，如下面的图5所示。

现在我们可以考虑可能的后果。如果一切都是理想的，并且没有PFD（相位检波器）错误输出，则情况至少是稍微稳定的。然而，即使忽略环路噪声，很可能在实际的PLL中，在PFD（+）和PFD（-）之间呈现的时钟之间存在固定的相位偏移。在正常的PLL操作中，可以调节VCO，以便将输出时钟频率和相位锁定到独立的输入时钟。在Ouroboros配置中，VCO无法减少相位误差。

假设输出时钟以相位快速测量，在PFD（+）对PFD（-）下。然后，环路将通过将VCO调谐到更高的频率来尝试跟踪。但相对相位差仍然存在。因此，循环将继续尝试校正所测量的相位误差，直到VCO以其最高频率"固定"为止。注意，为了推广，可以根据相位差的极性将VCO调谐到更高或更低的频率。最重要的是，PFD可以看到导致失控状态的相位差。

实验

那么真实情况下发生了什么呢？考虑具有以下属性的项目计划：

标称带宽：100.000Hz

快速锁定启用关闭

从Holdover退出

OOFIN0和IN1：

声明阈值100ppm

断言阈值98ppm

现在采取这样一个计划，并将其应用到2个Si5345评估板，如上图第二部分所示，除了使用IN1而不是IN3作为辅助或备用输入时钟。

将信号发生器应用到设备＃1IN0，并让两个电路板运行，直到HOLD_HIST_VALID为真。在IN0中删除100MHz输入时钟时会发生什么？

最初只有LOS[0]由设备＃1报告。否则一切都很好。但是，来自Device＃2的输出时钟频率开始频率上升（通常可能会上升或下降，但是在我的实验中却正在上升）。

最后，设备＃2的输出时钟作为备用输入时钟，远远超出了设备＃1的OOF标准。结算条件如下：

设备＃1进入保持模式

设备＃2在锁定模式下运行。

请注意，一般来说，设备每个都在相反状态的时候可能无理由的不稳定。我们的经验是，大多数时候都有一些优先选择的状态，但是你会不时看到替代品，几乎就好像结果中都有一个混乱的元素。

在这种情况下，Ouroboros配置没有真正实现我们的任何东西，除了可能一点点。但是，请注意，输出频率在设备＃1的OOF[1]断言并且设备＃2仍然依赖于设备1HO时钟的整个时间内上升。这对于这种不切实际的配置只是一个潜在的问题。但还有另一个可能更糟的效果。

Ouroboros振荡

这种配置还可以产生正反馈系统，可以使振荡，导致奇怪的行为。特别是，如果可以使其中一个设备进入退出HO，则可能会发生这种情况。例如，如果项目计划OOF规格如下收紧，则可以观察到这种现象。

OOFIN0和IN1：

声明阈值000ppm

断言阈值9，375ppm

现在这两个设备将相互交互，可能永远不会解决。下面是Device＃2输出时钟数据的频率图。您可以看到Device＃2的输出频率在8或9秒的频率范围内慢慢振荡。

上面有关于设备＃1的状态的三个功能，因为设备＃2的输出频率有所不同：

1.器件＃1处于保持或HO模式

2.装置＃1从HO斜坡退出

3.设备＃1正在进入HO

在此期间，设备＃2不会发出报警。这个状态可以无限期地持续下去。我星期五下午开始试用这个实验，星期一早上还在运行。设备甚至可以根据哪个在HO状态交换角色！设备不断进入和离开HO甚至比直接进入HO更糟糕。

结论

底线是，Ouroboros时钟配置要么除了延迟进入HO没有任何用处，或者可以触发在输出时钟中产生重复漫游的振荡。下游时钟一般应保持下游。