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可编程时钟振荡器用作FPGA系统的时序参考有何优势?

2013年08月15日 11:12 次阅读

  当今复杂的 FPGA 含有众多用于实现各种电路与系统的功能块,诸如逻辑阵列、存储器、DSP 模块、处理器、用于时序生成的锁相环 (PLL) 和延迟锁定环 (DLL)、标准 I/O、高速数字收发器以及并行接口(PCI、DDR 等)。这些不同的功能块通常由多个时钟驱动,FPGA 一般会综合采用外部振荡器以及内部 PLL 与 DLL来生成时钟。系统设计人员必须决定如何综合使用外部与内部资源来实现最佳的时钟树设计。而可编程时钟振荡器用作 FPGA 系统的时序参考,可提供一系列优势。其中首要优势是为了实现时钟树优化而进行高分辨率频率选择时所带来的设计灵活性。另一个巨大优势是具有可以减少电磁干扰 (EMI) 的扩频调制功能。

  内在可编程的硅 MEMS 时钟振荡器架构能够帮助采用 FPGA 的系统设计人员解决许多难题。这种微型机电系统架构能够轻松整合一些其它功能,如:用于消减 EMI 的扩频时钟、用于消除抖动的数控振荡器以及高速应用中的失效保护功能。

  频率选择

  一般系统需要一系列时钟频率。其中一些是标准频率,这种标准化可能是出于对行业规范强制要求的考虑(如:PCI Express要求的 100MHz 频率),也可能是由于得到了广泛的应用(如:用于 SATA 的 75 MHz 或用于 PCITM 的 33.333 MHz)。上述频率与 I/O 接口关联在一起,以确保实现互操作性,因为接口两侧可能不属于同一系统。与此相对,用户可选择用于驱动处理器、DSP和状态机引擎的时钟频率,以优化速度、功率或资源占用。

  在进行速度优化时, 应以最高时钟频率来驱动处理引擎,以使每秒运算次数达到最高。但是,时钟周期抖动必须足够低,以确保最小时钟周期大于设计的临界时序路径,否则有可能出现逻辑错误。频率选择的常用方法是采用内部 FPGA PLL 对来自标准外部参考振荡器的高频时钟进行综合。此方法只有在内部 PLL 具有高频分辨率和低抖动时才有效。

  某些 FPGA 集成了内部低噪声分数PLL,可满足所有这些要求。在这种情况下,可以采用简单的外部振荡器参考。不过,许多情况下 FPGA 会采用带有环形 VCO 和整数反馈分频器的 PLL 来综合不同频率。这种 PLL 小巧灵活,比较容易设计和控制,而且功耗极低。不过,使用此类内部 PLL 时很难同时实现高分辨率与低抖动。

  图 1 为整数 PLL 的一般架构。对PLL 输出频率的编程需综合采用预分频器 (P)、反馈分频器 (M) 和后分频器 (N)来完成,如下式所示:

  图 1 为整数 PLL 的一般架构

  PLL 反馈环路形成一个限带控制系统。输出周期抖动主要取决于参考时钟相位噪声 (PNin ) 和内部 VCO 相位噪声(PNVCO),如下式所示:

  

  输入参考时钟相位噪声和 VCO 相位噪声与输出相位噪声息息相关,分别通过低通滤波器和高通滤波器响应来体现,如表达式中的 Hin 和 HVCO。HVCO 与 Hin 的截止频率直接相关。图 2 说明了典型二阶 PLL 中 Hin 与 HVCO 的相互关系。最高 PLL 带宽取决于相位检测器的更新速率。大部分实际 PLL 的最高实际带宽极限如下式所示:

  图 2 说明了典型二阶 PLL 中 Hin 与 HVCO 的相互关系。

  例如,如果 PLL 输入频率是 40MHz并且 P=40,则最高实际 PLL 带宽是100kHz。

  周期抖动通过正弦滤波器响应与相位噪声关联在一起,如图 4 所示。[1] 可以看出,周期抖动在靠近 fout /2 的频率偏移位置对整体 PLL 输出相位噪声更敏感。由于 PLL 带宽远低于 fout /2,因此参考时钟一般对周期抖动产生的影响较小,而内部 VCO 相位噪声影响更大。

  期抖动通过正弦滤波器响应与相位噪声关联在一起,如图 4 所示

  更高的 PLL 带宽可以减少内部 VCO 对输出周期抖动的影响,而且能够降低整体周期抖动。大多数情况下,可以通过设定更高的带宽来降低内部 VCO 噪声和改善抖动。另一方面,要实现高频率分辨率需要更大的分频器 P 值,这会限制最高 PLL 带宽。这种矛盾要求必须在高分辨率和低抖动之间做出权衡。而采用外部高分辨率振荡器可以缓解这一问题,原因是高分辨率可以通过外部参考来实现。

  高性能可编程振荡器(如 SiTIme提供的振荡器)可以作为外部高分辨率振荡器来使用。在采用此类振荡器时,内部 PLL 只需支持非常有限的频率综合功能,从而可以提高带宽并降低抖动。

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基于MEMS传感器的行人航位推算(PDR)解决方...

前言定位是感知应用的一个重要属性。在室内环境中,如果位置信息可用并非常可靠,有更多的应用场景可以实现...

发表于 2018-03-16 09:02 1980次阅读
基于MEMS传感器的行人航位推算(PDR)解决方...

基于MEMS传感器的行人航位推算解决方案

MEMS传感器和高性能的行人航位推算算法。本文主要讨论各种行人航位推算算法上需要用到的传感器组件的数...

发表于 2018-03-15 16:02 519次阅读
基于MEMS传感器的行人航位推算解决方案

苏州钽氪大发快三线路检测_有在大发快三害死人推出MEMS氢气传感器面向未来氢能源...

苏州钽氪大发快三线路检测_有在大发快三害死人近日宣布推出了一款MEMS氢气传感器,这款氢气传感器支持催化燃烧和热导两种工作模式,可实...

发表于 2018-03-15 15:55 3095次阅读
苏州钽氪大发快三线路检测_有在大发快三害死人推出MEMS氢气传感器面向未来氢能源...

FPGA是什么,中国FPGA市场及人才需求

从市场规模来看,全球FPGA近几年基本维持在50亿美元左右。当前,在国家大力支持集成电路产业发展的环...

发表于 2018-03-15 14:23 825次阅读
FPGA是什么,中国FPGA市场及人才需求

不再头疼EMI问题,有效降低传导辐射干扰技巧集锦

一直以来,设计中的电磁干扰(EMI)问题十分令人头疼,尤其是在汽车领域。为了尽可能的减小电磁干扰,设...

发表于 2018-03-15 11:52 535次阅读
不再头疼EMI问题,有效降低传导辐射干扰技巧集锦

在FPGA上跑二值图像膨胀算法程序代码

基于FPGA的二值图像的膨胀算法的实现 Xilinx 突破性技术与产品亮相 OFC 2018,大展光...

发表于 2018-03-14 18:29 362次阅读
在FPGA上跑二值图像膨胀算法程序代码

深度学习框架只为GPU? 答案在这里

目前大多数的机器学习是在处理器上完成的,大多数机器学习软件会针对GPU进行更多的优化,甚至有人认为学...

发表于 2018-03-14 18:29 2397次阅读
深度学习框架只为GPU? 答案在这里

低通EMI滤波器中的几点关键设计考虑

EMI骚扰通常难以精确描述,滤波器的设计通常是通过反复迭代,计算制作以求逐步逼近设计要求。本文从EM...

发表于 2018-03-14 08:44 1908次阅读
低通EMI滤波器中的几点关键设计考虑

CAN总线结构与CAN总线标准帧

CAN总线规范采用了ISO-OSI(Open System Interconnection Refe...

发表于 2018-03-13 14:09 650次阅读
CAN总线结构与CAN总线标准帧

传统FPGA调试方案与EXOSTIV Probe...

相信每一个大发快三线路检测_有在大发快三害死人工程师在项目开发的过程中都不可避免的要进行方案的调试,除了模拟调试我们还必须进行真机调...

发表于 2018-03-13 13:54 555次阅读
传统FPGA调试方案与EXOSTIV Probe...

时钟抖动(Jitter)的基本概念

在理想情况下,一个频率固定的完美的脉冲信号(以1MHz为例)的持续时间应该恰好是1us,每500ns...

发表于 2018-03-13 10:21 461次阅读
时钟抖动(Jitter)的基本概念

PWM蜂鸣器驱动之引脚分配

在Pin Planner界面最下面出现的“Node Name”一列中,有我们的3个信号接口,这里“L...

发表于 2018-03-13 10:09 489次阅读
PWM蜂鸣器驱动之引脚分配

人眼仿生学原理设计一种嵌入式的微型3D图像传感器

3D图像传感器系统结构包含两只CMOS型图像传感器及缓存图像数据的SDRAM,为了对两只图像传感器...

发表于 2018-03-13 09:55 570次阅读
人眼仿生学原理设计一种嵌入式的微型3D图像传感器

AS配置方式由FPGA器件引导配置操作过程

JTAG模式在线下载FPGA的原理如图7.15所示,PC端的Quartus II软件通过下载线缆将b...

发表于 2018-03-13 09:46 491次阅读
AS配置方式由FPGA器件引导配置操作过程

献给那些刚刚踏上硬件之路的同学们:硬件开发经验

在进行FPGA学习的时候,我遇到过问题停滞不前,试验没有进展,心情沮丧的时候。那时对底层硬件一无所知...

发表于 2018-03-12 14:18 846次阅读
献给那些刚刚踏上硬件之路的同学们:硬件开发经验

FPGA设计的经验技巧,FPGA开发设计经验总结

FPGA(Field-Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列,它是在P...

发表于 2018-03-12 10:35 562次阅读
FPGA设计的经验技巧,FPGA开发设计经验总结

FPGA控制的无人机电源管理系统

工业大发快三线路检测_有在大发快三害死人产品的发展趋势是更小的电路板尺寸、更时尚的外形和更具成本效益。由于这些趋势,大发快三线路检测_有在大发快三害死人系统设计人员...

发表于 2018-03-12 09:48 2943次阅读
FPGA控制的无人机电源管理系统

一个大发快三线路检测_有在大发快三害死人工程师的硬件初学之路分享

抱着热情,自己后来一点一点地深入的学习fpga,一些常规逻辑电路的设计,包括逻辑门电路、数据选择器、...

发表于 2018-03-09 16:45 656次阅读
一个大发快三线路检测_有在大发快三害死人工程师的硬件初学之路分享

初学者爱问这个问题,FPGA到底能做什么?

各种方案虽然只是初步的了解一些,但是发现这方面虽然有类似SOPC概念的海思和TI双核解决方案,而且是...

发表于 2018-03-09 14:19 651次阅读
初学者爱问这个问题,FPGA到底能做什么?

RF MEMS国内外现状及发展趋势

基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微机电系统)技术的各类...

发表于 2018-03-07 11:22 5141次阅读
RF MEMS国内外现状及发展趋势