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DP83640 芯片1588 ptp 同步时钟输出简介.pdf

发布时间：2022-06-10 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.33M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    DP83640 IEEE 1588 PTP同 步时钟输出 美国国家半导体公司 应用注释 1729 Ben Buchanan 2008年5月1日 1.0 引言 许多工业、测试和测量、通信应用都要求高精度的时钟 信号以便同步控制信号和捕捉数据等。在标准以太网中应用 的IEEE 1588精密时间协议（PTP）为传播主时钟时序给系 统中的许多结点提供了一种方法。当前的实现方法单纯依靠 软件，或软件和FPGA或ASIC的混合。尽管用这些实现方法 的结点能基于主时钟来产生时钟输出信号，但这样的信号精 度不足以满足系统对极低的时钟抖动的要求。此外，系统上 的时钟相位对准也有严格要求。DP83640精密PHYTER®提 供了这两个问题的解决方案。 本应用注释适用于产品DP83640。 2.0 背景 DP83640包括一个高度可配置的时钟输出信号，其与 内置的IEEE 1588时钟谐振。注意到谐振意味着频率相同而 相位则不必相同。这个时钟的标称频率是250 MHz的整除结 果，例如250 MHz/N，其中N为从2到255的整数。因此标称 频率取980.4 kHz到125 MHz之间的离散值。 DP83640采用软件辅助的速率纠正来限制本地时钟和主 参考时钟之间的频率失调。最终输出频率结合的速率纠正参 数（例如ppm失调）与内置IEEE 1588时钟时序上的相同。 因为速率纠正的单位是亚毫微秒（1亚毫微秒＝2-32纳秒）， 对时钟输出频率进行精细调谐（达十亿分之一的数量级）。 除了固定速率纠正以外，对速率纠正编程使其工作在某 特定值，持续时间短达1/2秒（一个“临时速率”）。在临时 速率持续时间结束后，速率纠正返回至固定速率纠正值。通 过在短时时间隔内纠正额外的频率失调，时钟输出信号不会 在频率或者相位上表现出离散阶跃。DP83640也提供了一种 使时钟输出信号相位对准主时钟相位的方法。与采用8 ns离 散精度产生的器件触发输出不同，时钟输出由可调谐的模拟 源，即频率控制振荡器（FCO）或相位产生模块（PGM）来 产生。默认情况为，在上电时激活时钟输出，工作频率为25 MHz，但是1588逻辑，包括1588时钟，必须在工作前作初始 化。因此时钟输出和1588主时钟之间的初始相位关系是未知 的。然而，明智地使用DP83640的特性可使时钟输出相位对 准1588时钟的相位。 3.0 理论 3.1 速率纠正 IEEE 1588时钟输出速率纠正功能利用了与内置1588时 钟相同的逻辑。DP83640包括26位速率纠正参数，以每个参 考时钟周期内的亚毫微秒数为单位。在软件控制下，当本地 参考时钟比主时钟运行较慢时，速率纠正为正值，当本地参 考时钟比主时钟运行更快时，速率纠正表现为负值。以每8纳 秒时钟周期1亚毫微秒的速率纠正间隔，时钟输出是可调的， 增量为2-32亚毫微秒 / 8纳秒 = 十亿分之0.029（ppb）。 采 用 P T P 速 率 控 制 寄 存 器 （ P T P _ R A T E H 和 PTP_RATEL）和PTP临时速率控制寄存器（PTP_TRDH和 PTP_TRDL）来控制PTP速率。 固定速率纠正可以如下方式编程： 1. 将速率方向（0x8000表示更高，0x0000表示更低） 和该值的上10位写入PTP_RATEH寄存器中。 2. 将该值的低16位写入PTP_RATEL寄存器。在速率写 到PTP_RATEL时即生效。 举例：设定固定速率纠正至相对于主时钟的-100 ppm 1. 因为标称参考时钟周期为8 ns，100 ppm为0.0008 ns， 即0.0008 * 232 亚毫微秒，大约等于3435974亚毫微秒 （0x346DC6）。 2. 将0x8034写入PTP_RATEH。 3. 将0x6DC6写入PTP_RATEL。 除了也必须设定PTP_RATEH的第14位（0x4000）以 外，一个临时的速率纠正以编程固定速率纠正类似的方法得 以编成。因为临时速率在写入PTP_RATEL寄存器时立即生 效，所以在设定临时速率前必须对PTP临时速率延时寄存器 进行编程。在临时速率持续时间结束后，将速率纠正数值切 换回到固定速率纠正数值。临时速率延时必须按以下方式配 置： 1. 临时速率持续时间为一个26位的数，单位是时钟周 期。在默认的8 ns参考时钟周期时，最大持续时间约 为537 ms。 2. 将临时速率持续时间的上10位写入PTP_TRDH。 3. 将临时速率持续时间的低16位写入PTP_TRDL。在写 该寄存器时临时速率持续时间立即生效，并且会保持 两种1588时钟源各有优点。FCO方法提供了更好的抖动 恒定，直到通过写寄存器操作进行修改。通常不需要 性能，但纠正范围较小，而且为了在链接丢失事件发生时保 留时钟相位，在使用上有所限制。PGM方法没有上述限制并 能提供较大的纠正范围，但其长时间抖动性能不如FCO方法 那么好。 PHYTER® is a registered trademark of National Semiconductor. 改变临时速率的持续时间。 © 2008 National Semiconductor Corporation 300396 www.national.com D P 8 3 6 4 0 I E E E 1 5 8 8 P T P 同 步 时 钟 输 出 A N - 1 7 2 9
    9 2 7 1 - N A 举例：在10 ms内设定临时速率纠正持续时间为+3 ns： 1. 若要在默认参考时钟周期下实现1 ms的临时速率持 续时间，我们需要10 ms / 8 ns = 1250000个时钟周 期(0x1312D0)。若要在1250000个时钟周期实现+3 ns的纠正，需要3 ns / 1250000 = 0.0000024 ns = 10308亚毫微秒/时钟周期（0x2844）。 2. 将0x0013写入PTP_TRDH。 3. 将0x12D0写入PTP_TRDL。 4. 将0xC000写入PTP_RATEH。 5. 将0x2844写入PTP_RATEL。 3.1.1 最大速率纠正 由于通常不需要较大的速率纠正（如大于100 ppm）， 为1588时钟输出而对源信号的选择决定了最大速率纠正。 当使用FCO时，最大有效速率纠正为0x1555555，即+/- 651 ppm。当使用PGM时，最大有效速率纠正为0x3FFFFFF，也 即 +/- 1953 ppm。 3.2 相位对准 时钟输出相位的对准要求执行下列步骤： 1. 确保已使能时钟输出引脚。 2. 在使能PTP同步协议之前，使能时钟输出和PTP时 钟。 3. 使能单个事件的事件监控器以捕捉时钟输出引脚的上 升沿。 4. 通过对准的期望时间确定时钟输出失调：时钟输出周 期，即事件时间标记模时钟输出周期。 5. 执行一个步长调整以对准时钟输出。 6. 在同步期间，所有的步长调节都应以时钟输出周期为 单位。 举例：一个10 MHz时钟输出的相位对准： 1. 确保时钟输出引脚是使能的。在上电之前将GPIO1引 脚拉到高电平，或清除PHYCR2寄存器（页面0，寄 存器0x1C）的CLK_OUT_DISABLE位（第2位）来实 7:6位加1，从而确定事件时间标记长度（1到4个16位 字）。 — 确保事件数目为7，既PTP_ESTS的4:2位的值等于 7。 — 确保事件为上升沿。通过PTP_ESTS第5位的数值等 于1来指示。 i. 事件纳秒位15:0 ii. 事件纳秒位29:16 iii. 事件秒位15:0 iv. 事件秒位31:16 — 读取PTP_EDATA寄存器。事件时间标记返回如下： — 从时间标记中减去三倍的参考时钟周期和11 ns；对 于通常为8 ns的参考时钟周期，这个值为35 ns。由 此对引脚输入延时和边沿检测进行了纠正。 — 计算相位误差为（100–（事件时间标记模100））。 若结果与时钟周期相等（在此为100 ns），则相位误 差为0。若相位误差在时钟周期的10 ns之内（在此为 91-99 ns），则设置”高值”标志。这等同与负相位 误差在-9到-1 ns内的情况。 4. 平均相位误差。如果有小的正和负相位误差的样值， 比如已设了高值（HighValue），并且相位误差的样 值小于10 ns，则必须将时钟周期加到样值上，以便 正确地做样值平均： — If（HighValue & error[sample]<10）error[sample] += clkout_period 5. 若平均相位误差大于时钟周期，则减去时钟周期以得 到最终的平均相位误差。 6. 计算纠正数值，其为平均相位误差加上两倍的参考时 钟周期： — Correction = 2 * ref_period + avg_phase_error 7. 做单步1588时钟时间调整： — 将纠正值写入PTP_TDR。 — 将PTP_STEP_CLK（0x8）写入PTP_CTL。 现该操作。 3.2.1 链接丢失时维持相位对准 2. 在 1 0 M H z 处 使 能 时 钟 输 出 ： 将 0 x 8 0 1 9 写 入 PTP_COC寄存器中。注意到0x19的十进制为25，用 25去除250MHz时钟。使能PTP时钟：将0x0004写入 PTP_CTL寄存器。 3. 取CLK_OUT相位错误的100个样值 — 使能事件监控并得到事件的时间标记： — 将0x1CE1写入PTP_EVNT寄存器。 — 将0x5CE1写入PTP_EVNT寄存器中。 第一个写操作为CLK_OUT/GPIO12（时钟输出引脚）与 事件7（尽管可使用任何事件）设置一个单独的事件捕捉。第 二个写操作执行相同的操作，并使能了捕捉。 — 读取PTP_ESTS寄存器检查0位是否被设置。如果没 有，请等待并重复这一步。 — 一旦TP_ESTS的0位被设定，通过对PTP_ESTS值的 在使用FCO来产生CLK_OUT信号时，链接的丢失会 使CLK_OUT信号在短时间内停止，造成相位对准丢失。 DP83640提供三种选择来维护CLK_OUT与1588时钟对准， 并在链接丢失时触发。 1. 在已知100 Mb/s的网络上使用自动协商建立链接。 在此情况下，将0x803F对页面0寄存器0x1E写两次。 这将使链接丢失后能保持CLK_OUT的相位对准。 此外，通过用一个2.2千欧姆电阻下拉LED_SPEED 引脚电平，或将0x0181写入自动协商广播寄存器 （ANAR，寄存器0x04），DP83640可被束缚在仅告 知100 Mb/s的方式。若链接速度允许是10 Mb/s，则 不用仅告知100 Mb/s的方式。 2. 网络速度为10 Mb/s或者不能保证是100 Mb/s，并且 应用能容忍从PGM到CLK_OUT的稍高的抖动。设置 www.national.com 2
    PTP时钟输出控制寄存器（PTP_COC，页面6，寄存 器0x14）中的14位（PTP_CLKOUT_SEL）。 3. 要求CLK_OUT上的时钟是低抖动，同时不采用选项 1。如果网络设置允许，强制物理层（PHY）进入已 知的100 Mb/s或10 Mb/s方式。在BMCR寄存器（寄 存器0x00）内，清除12位，禁止自动协商，设置13 位为100 Mb/s和8位为全双工。 4.0 抖动测试结果 4.1 测试设置 将器件与一个采用（版本1的）IEEE 1588精密时间协议 的主时钟同步，以1秒的同步间隔和10毫秒的临时速率持续 时间，执行了一系列的测试来测量时钟输出上的抖动。 使用Tektronix TDS784C示波器，以单个周期（100 ns） 和10 µs延迟时信号（10 MHz）来测量抖动的直方图。 将探针连接到器件的时钟输出信号，使用了Tektronix TDS784C内部的直方图功能在特定的延迟时间点捕捉时钟信 号的上升沿。在每个测试条件下大约能捕捉1000个数据点， 并记录了直方图的峰峰值和标准偏差值。 4.2 测试条件 下表总结了抖动测试设置的条件。 表1. 抖动测试的测试条件 工作电压 温度 参考频率源 时钟输出频率 IEEE 1588 PTP 同步间隔 临时速率持续时间 4.3 测试结果 3.3 V 25 °C 板载25 MHz晶振 10 MHz 1 s 10 ms 下表显示了对于FCO和PGM源的抖动测量。 表2. 抖动测试的结果 来源 周期到周期 10 µs延迟 峰峰值 （ps） 标准偏差 （ps） 峰峰值 （ps） 标准偏差 （ps） FCO PGM 320 340 53.1 53.2 340 58.5 1160 267.5 由此数据可显而易见，尽管FCO源和PGM源的（逐周 期）短期抖动可相比拟，但使用PGM源的长时间抖动性能较 差。 以下图例，即图1，图2，图3和图4表征了在DP83640与 主时钟同步的条件下，时钟输出信号的典型直方图。 A N - 1 7 2 9 图1. 采用FCO时钟源的逐周期的抖动直方图 30039610 图2. 采用FCO时钟源的10 µs延时抖动直方图 30039611 图3. 采用PGM时钟源的逐周期的抖动直方图 30039612 3 www.national.com
    9 2 7 1 - N A 源 FCO PGM 表5. 时钟相位误差 周期到周期 平均值（ns） 标准偏差（ns） 4.647 5.134 5.905 6.381 结果表明，时钟的相位误差与PCO或PGM的选择无关。 图5和图6表征了DP83640与主时钟同步的条件下，时钟 输出相位误差的典型直方图。 图4. 采用PGM时钟源的10 µs延时抖动直方图 30039613 5.0 时钟相位误差测试结果 5.1 测试设置 通过确定主时钟输出到从时钟输出引脚的时延可测得对 主时钟的同步误差。直接用1米的CAT5电缆连接器件。用了 IEEE 1588版本1，1秒的同步周期，100毫秒临时速率持续时 间，激活时间标记插入，以及激活单步操作。 5.2 测试条件 下表总结了时钟相位误差测试的设置。 表 3. 相位误差测试的测量条件 工作电压 温度 参考频率源 时钟输出频率 IEEE 1588 PTP同步间隔 临时速率持续时间 5.3 示波器设置 3.3 V 25 °C 板载25 MHz晶振 10 MHz 1s 100 ms Tektronix TDS784C示波器的配置如表4所示。 表4. 用于相位误差测试的示波器设置 水平刻度 垂直刻度（CH1） 垂直刻度（CH2） 触发电平 触发模式 扫描 5.4 测试结果 25 ns/div 1 V/div 500 mV/div 1.58 V 上升沿 主扫 下表说明了时钟相位误差测试结果的平均值和标准偏 差。 www.national.com 4 图 5. 采用FCO时钟源的时钟输出相位误差 30039614 图 6 采用PGM时钟源的时钟输出相位误差 30039615 6.0 结论 DP83640提供了一个高精度的低抖动时钟输出，对于 IEEE 1588主时钟而言是频率对准的，同时也是相位对准 的。经验测试显示非常低的抖动（使用FCO源时低于1 ns的 峰峰值和标准偏差）和精确的相位校准。尽管测试结果表明 使用FCO源能有极好的长时间抖动性能，但使用PGM时钟源 具有多模（10 Mb/s或100 Mb/s）运行的优点。
    注释 A N - 1 7 2 9 5 www.national.com
    出 输 钟 时 步 同 P T P 8 8 5 1 E E E I 0 4 6 3 8 P D 9 2 7 1 - N A 注释 For more National Semiconductor product information and proven design tools, visit the following Web sites at: Products Design Support WEBENCH Analog University App Notes Distributors Green Compliance Packaging Quality and Reliability Reference Designs Feedback www.national.com/webench www.national.com/AU www.national.com/appnotes www.national.com/contacts www.national.com/quality/green www.national.com/packaging www.national.com/quality www.national.com/refdesigns www.national.com/feedback Amplifi ers Audio Clock Conditioners Data Converters Displays Ethernet Interface LVDS Power Management Switching Regulators LDOs LED Lighting www.national.com/amplifi ers www.national.com/audio www.national.com/timing www.national.com/adc www.national.com/displays www.national.com/ethernet www.national.com/interface www.national.com/lvds www.national.com/power www.national.com/switchers www.national.com/ldo www.national.com/led www.national.com/powerwise PowerWise Serial Digital Interface (SDI) www.national.com/sdi Temperature Sensors Wireless (PLL/VCO) www.national.com/tempsensors www.national.com/wireless THE CONTENTS OF THIS DOCUMENT ARE PROVIDED IN CONNECTION WITH NATIONAL SEMICONDUCTOR CORPORATION (“NATIONAL”) PRODUCTS. NATIONAL MAKES NO REPRESENTATIONS OR WARRANTIES WITH RESPECT TO THE ACCURACY OR COMPLETENESS OF THE CONTENTS OF THIS PUBLICATION AND RESERVES THE RIGHT TO MAKE CHANGES TO SPECIFICATIONS AND PRODUCT DESCRIPTIONS AT ANY TIME WITHOUT NOTICE. NO LICENSE, WHETHER EXPRESS, IMPLIED, ARISING BY ESTOPPEL OR OTHERWISE, TO ANY INTELLECTUAL PROPERTY RIGHTS IS GRANTED BY THIS DOCUMENT. TESTING AND OTHER QUALITY CONTROLS ARE USED TO THE EXTENT NATIONAL DEEMS NECESSARY TO SUPPORT NATIONAL’S PRODUCT WARRANTY. EXCEPT WHERE MANDATED BY GOVERNMENT REQUIREMENTS, TESTING OF ALL PARAMETERS OF EACH PRODUCT IS NOT NECESSARILY PERFORMED. NATIONAL ASSUMES NO LIABILITY FOR APPLICATIONS ASSISTANCE OR BUYER PRODUCT DESIGN. BUYERS ARE RESPONSIBLE FOR THEIR PRODUCTS AND APPLICATIONS USING NATIONAL COMPONENTS. PRIOR TO USING OR DISTRIBUTING ANY PRODUCTS THAT INCLUDE NATIONAL COMPONENTS, BUYERS SHOULD PROVIDE ADEQUATE DESIGN, TESTING AND OPERATING SAFEGUARDS. EXCEPT AS PROVIDED IN NATIONAL’S TERMS AND CONDITIONS OF SALE FOR SUCH PRODUCTS, NATIONAL ASSUMES NO LIABILITY WHATSOEVER, AND NATIONAL DISCLAIMS ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTY RELATING TO THE SALE AND/OR USE OF NATIONAL PRODUCTS INCLUDING LIABILITY OR WARRANTIES RELATING TO FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE, MERCHANTABILITY, OR INFRINGEMENT OF ANY PATENT, COPYRIGHT OR OTHER INTELLECTUAL PROPERTY RIGHT. 对于上述任何电路的使用，美国国家半导体公司不承担任何责任且不默示任何电路专利许可。美国国家半导体公司保留随时更改上述电 路和规格的权利，恕不另行通知。 想了解最新的产品信息，请访问我们的网址：www.national.com。 生命支持策略 未经美国国家半导体公司的总裁和首席律师的明确书面审批，不得将美国国家半导体公司的产品作为生命支持设备或系统中的关键部件 使用。特此说明： 1. 生命支持设备/系统指：（ a ）打算通过外科手术移植到体内的 生命支持设备或系统；（ b ）支持或维持生命，依照使用说明 书正确使用时，有理由认为其失效会造成用户严重伤害。 2. 关键部件是在生命支持设备或系统中，有理由认为其失效会 造成生命支持设备/系统失效，或影响生命支持设备/系统的 安全性或效力的任何部件。 禁用物质合规 美国国家半导体公司制造的产品和使用的包装材料符合《消费产品管理规范（CSP-9-111C2）》以及《相关禁用物质和材料规范 （CSP-9-111S2）》的条款，不包含CSP-9-111S2限定的任何“禁用物质”。 无铅产品符合RoHS指令。 National Semiconductor Americas Customer Support Center Email: new.feedback@nsc.com Tel: 1-800-272-9959 National Semiconductor Europe Customer Support Center Fax: +49 (0) 180-530 85 86 Email: europe.support@nsc.com Deutsch Tel: +49 (0) 69 9508 6208 English Tel: +44 (0) 870 24 0 2171 Français Tel: +33 (0) 1 41 91 8790 National Semiconductor Asia Pacifi c Customer Support Center Email: ap.support@nsc.com National Semiconductor Japan Customer Support Center Fax: 81-3-5639-7507 Email: jpn.feedback@nsc.com Tel: 81-3-5639-7560 www.national.com
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