在這篇文章中，我將會(huì)介紹一個(gè)有趣的時(shí)鐘芯片反饋裝置。它可能意外發(fā)生，或作為嘗試恢復(fù)或測(cè)試模式，但通常應(yīng)該如所解釋的那樣避免。此外，了解Ouroboros時(shí)鐘可能有助于在復(fù)雜的定時(shí)應(yīng)用中解釋一些奇怪的行為。在深入了解“Ouroboros”時(shí)鐘之前，我們來(lái)看一下基本的時(shí)鐘切換術(shù)語(yǔ)和標(biāo)準(zhǔn)輸入時(shí)鐘切換配置。歡迎點(diǎn)擊“閱讀原文”觀看全文！

一些基本時(shí)鐘切換術(shù)語(yǔ)

時(shí)鐘芯片通常支持基于某些限定條件（例如LOS（Loss of Signal））或OOF（Out of Frequency）的條件，從一個(gè)輸入時(shí)鐘切換到另一個(gè)輸入時(shí)鐘。以下是最常用的術(shù)語(yǔ)：

自由模式

基于附加晶體或其他諧振器的輸出時(shí)鐘，或替代外部參考時(shí)鐘。輸出時(shí)鐘的頻率穩(wěn)定性，漂移和抖動(dòng)特性由芯片的晶振決定，與輸入時(shí)鐘無(wú)關(guān)。

保持模式

輸出時(shí)鐘基于所選輸入時(shí)鐘的歷史頻率數(shù)據(jù)，并且在輸入時(shí)鐘丟失并且沒(méi)有有效的備用可用時(shí)使用。通常歷史數(shù)據(jù)必須在一些最短時(shí)間內(nèi)被收集，以被認(rèn)為是有效的。頻率精度與收集的數(shù)據(jù)一樣好。

鎖定模式

輸出時(shí)鐘頻率和相位鎖定到所選擇的輸入時(shí)鐘，即正常操作。

標(biāo)準(zhǔn)輸入時(shí)鐘切換配置

考慮下圖中的兩個(gè)抖動(dòng)衰減器時(shí)鐘IC級(jí)聯(lián)的圖示。這可能用于額外的抖動(dòng)衰減或優(yōu)化頻率的計(jì)劃和分配。為了說(shuō)明，這些設(shè)備被描繪為非常簡(jiǎn)化的Si5345框圖。在該圖中，IN0和IN3提供給設(shè)備＃1兩個(gè)輸入時(shí)鐘。

在典型的應(yīng)用中，一個(gè)時(shí)鐘可以被認(rèn)為是“主”時(shí)鐘，另一個(gè)被認(rèn)為是“輔助”時(shí)鐘。主時(shí)鐘可能會(huì)從網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)恢復(fù)，而輔助時(shí)鐘則依賴(lài)本地振蕩器。如果主時(shí)鐘故障或被LOS或OOF取消資格，則時(shí)鐘芯片切換到輔助時(shí)鐘。這通常旨在使“下游”設(shè)備保持運(yùn)行。如果主時(shí)鐘返回并且有效，那么根據(jù)所選擇的選項(xiàng)，時(shí)鐘IC可能會(huì)還原到它。

這里的推測(cè)是，只要這兩個(gè)時(shí)鐘中的任何一個(gè)存在，則在OUT0處產(chǎn)生有效的鎖定模式時(shí)鐘，從而向下游設(shè)備＃2提供輸入時(shí)鐘。實(shí)際上，如果設(shè)備＃1的兩個(gè)輸入時(shí)鐘都丟失，則設(shè)備可以進(jìn)入保持模式，如上所述，甚至是自由模式，并且仍然產(chǎn)生臨時(shí)合理的輸出時(shí)鐘。

時(shí)鐘配置

在標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用中，下行時(shí)鐘不反饋到上行時(shí)鐘輸入。相反，它們通常是上游獨(dú)立穩(wěn)定或數(shù)據(jù)導(dǎo)出時(shí)鐘的縮放或抖動(dòng)衰減版本。

但是如果我們嘗試了如下圖2所示的配置怎么辦？在這種情況下，下游設(shè)備＃2的輸出之一被反饋到上游設(shè)備＃1。這可能是作為臨時(shí)的備份時(shí)鐘。

現(xiàn)在如下圖3所示，當(dāng)我們失去主時(shí)鐘IN0時(shí)會(huì)發(fā)生什么？輔助或備用時(shí)鐘IN3至設(shè)備＃1依賴(lài)于設(shè)備＃2的輸出。請(qǐng)注意，這只是Device＃1輸出的鎖定版本。我們通常不會(huì)看到這種與一個(gè)設(shè)備的連接，但偶爾提出涉及2個(gè)設(shè)備的應(yīng)用程序。

這是Ouroboros時(shí)鐘配置。（是的，它聽(tīng)起來(lái)就像生活大爆炸的臺(tái)詞。）Ouroborus時(shí)鐘配置的命名，是應(yīng)為它的反饋類(lèi)似于蛇追逐（或咬）它的尾巴的神話符號(hào)。根據(jù)維基百科，這個(gè)詞來(lái)自希臘語(yǔ)“ourá”和“bóros”，用于描述“吞噬或吞咽”。見(jiàn)圖4中的圖示。它是古代的循環(huán)無(wú)窮符號(hào)，適用于此應(yīng)用。

Gedanken

我們考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的gedanken實(shí)驗(yàn)，由一個(gè)基本的PLL組成。然后假設(shè)它已經(jīng)成功地被放置在Ouroboros配置中，如下面的圖5所示。

現(xiàn)在我們可以考慮可能的后果。如果一切都是理想的，并且沒(méi)有PFD（相位檢波器）錯(cuò)誤輸出，則情況至少是稍微穩(wěn)定的。然而，即使忽略環(huán)路噪聲，很可能在實(shí)際的PLL中，在PFD（+）和PFD（ - ）之間呈現(xiàn)的時(shí)鐘之間存在固定的相位偏移。在正常的PLL操作中，可以調(diào)節(jié)VCO，以便將輸出時(shí)鐘頻率和相位鎖定到獨(dú)立的輸入時(shí)鐘。在Ouroboros配置中，VCO無(wú)法減少相位誤差。

假設(shè)輸出時(shí)鐘以相位快速測(cè)量，在PFD（+）對(duì)PFD（ - ）下。然后，環(huán)路將通過(guò)將VCO調(diào)諧到更高的頻率來(lái)嘗試跟蹤。但相對(duì)相位差仍然存在。因此，循環(huán)將繼續(xù)嘗試校正所測(cè)量的相位誤差，直到VCO以其最高頻率“固定”為止。注意，為了推廣，可以根據(jù)相位差的極性將VCO調(diào)諧到更高或更低的頻率。最重要的是，PFD可以看到導(dǎo)致失控狀態(tài)的相位差。

實(shí)驗(yàn)

那么真實(shí)情況下發(fā)生了什么呢？考慮具有以下屬性的項(xiàng)目計(jì)劃：

• 標(biāo)稱(chēng)帶寬：100.000 Hz

• 快速鎖定啟用關(guān)閉

• 從Holdover退出

• OOF IN0和IN1：

• 聲明閾值100 ppm

• 斷言閾值98 ppm

現(xiàn)在采取這樣一個(gè)計(jì)劃，并將其應(yīng)用到2個(gè)Si5345評(píng)估板，如上圖第二部分所示，除了使用IN1而不是IN3作為輔助或備用輸入時(shí)鐘。

將信號(hào)發(fā)生器應(yīng)用到設(shè)備＃1 IN0，并讓兩個(gè)電路板運(yùn)行，直到HOLD_HIST_VALID為真。在IN0中刪除100 MHz輸入時(shí)鐘時(shí)會(huì)發(fā)生什么？

最初只有LOS [0]由設(shè)備＃1報(bào)告。否則一切都很好。但是，來(lái)自Device＃2的輸出時(shí)鐘頻率開(kāi)始頻率上升（通?？赡軙?huì)上升或下降，但是在我的實(shí)驗(yàn)中卻正在上升）。

最后，設(shè)備＃2的輸出時(shí)鐘作為備用輸入時(shí)鐘，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了設(shè)備＃1的OOF標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)算條件如下：

• 設(shè)備＃1進(jìn)入保持模式

• 設(shè)備＃2在鎖定模式下運(yùn)行。

請(qǐng)注意，一般來(lái)說(shuō)，設(shè)備每個(gè)都在相反狀態(tài)的時(shí)候可能無(wú)理由的不穩(wěn)定。我們的經(jīng)驗(yàn)是，大多數(shù)時(shí)候都有一些優(yōu)先選擇的狀態(tài)，但是你會(huì)不時(shí)看到替代品，幾乎就好像結(jié)果中都有一個(gè)混亂的元素。

在這種情況下，Ouroboros配置沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)我們的任何東西，除了可能一點(diǎn)點(diǎn)。但是，請(qǐng)注意，輸出頻率在設(shè)備＃1的OOF [1]斷言并且設(shè)備＃2仍然依賴(lài)于設(shè)備1 HO時(shí)鐘的整個(gè)時(shí)間內(nèi)上升。這對(duì)于這種不切實(shí)際的配置只是一個(gè)潛在的問(wèn)題。但還有另一個(gè)可能更糟的效果。

Ouroboros振蕩

這種配置還可以產(chǎn)生正反饋系統(tǒng)，可以使振蕩，導(dǎo)致奇怪的行為。特別是，如果可以使其中一個(gè)設(shè)備進(jìn)入退出HO，則可能會(huì)發(fā)生這種情況。例如，如果項(xiàng)目計(jì)劃OOF規(guī)格如下收緊，則可以觀察到這種現(xiàn)象。

• OOF IN0和IN1：

• 聲明閾值000 ppm

• 斷言閾值9,375 ppm

現(xiàn)在這兩個(gè)設(shè)備將相互交互，可能永遠(yuǎn)不會(huì)解決。下面是Device＃2輸出時(shí)鐘數(shù)據(jù)的頻率圖。您可以看到Device＃2的輸出頻率在8或9秒的頻率范圍內(nèi)慢慢振蕩。

上面有關(guān)于設(shè)備＃1的狀態(tài)的三個(gè)功能，因?yàn)樵O(shè)備＃2的輸出頻率有所不同：

1.器件＃1處于保持或HO模式

2.裝置＃1從HO斜坡退出

3.設(shè)備＃1正在進(jìn)入HO

在此期間，設(shè)備＃2不會(huì)發(fā)出報(bào)警。這個(gè)狀態(tài)可以無(wú)限期地持續(xù)下去。我星期五下午開(kāi)始試用這個(gè)實(shí)驗(yàn)，星期一早上還在運(yùn)行。設(shè)備甚至可以根據(jù)哪個(gè)在HO狀態(tài)交換角色！設(shè)備不斷進(jìn)入和離開(kāi)HO甚至比直接進(jìn)入HO更糟糕。

結(jié)論

底線是，Ouroboros時(shí)鐘配置要么除了延遲進(jìn)入HO沒(méi)有任何用處，或者可以觸發(fā)在輸出時(shí)鐘中產(chǎn)生重復(fù)漫游的振蕩。下游時(shí)鐘一般應(yīng)保持下游。