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

一些基本時鐘切換術(shù)語

時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，從一個輸入時鐘切換到另一個輸入時鐘。以下是最常用的術(shù)語：

自由模式

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

保持模式

輸出時鐘基于所選輸入時鐘的歷史頻率數(shù)據(jù)，并且在輸入時鐘丟失并且沒有有效的備用可用時使用。通常歷史數(shù)據(jù)必須在一些最短時間內(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

輸出時鐘頻率和相位鎖定到所選擇的輸入時鐘，即正常操作。

標(biāo)準(zhǔn)輸入時鐘切換配置

考慮下圖中的兩個抖動衰減器時鐘IC級聯(lián)的圖示。這可能用于額外的抖動衰減或優(yōu)化頻率的計劃和分配。為了說明，這些設(shè)備被描繪為非常簡化的Si5345框圖。在該圖中，IN0和IN3提供給設(shè)備＃1兩個輸入時鐘。

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

這里的推測是，只要這兩個時鐘中的任何一個存在，則在OUT0處產(chǎn)生有效的鎖定模式時鐘，從而向下游設(shè)備＃2提供輸入時鐘。實(shí)際上，如果設(shè)備＃1的兩個輸入時鐘都丟失，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)生臨時合理的輸出時鐘。

時鐘配置

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

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。這可能是作為臨時的備份時鐘。

現(xiàn)在如下圖3所示，當(dāng)我們失去主時鐘IN0時會發(fā)生什么？輔助或備用時鐘IN3至設(shè)備＃1依賴于設(shè)備＃2的輸出。請注意，這只是Device＃1輸出的鎖定版本。我們通常不會看到這種與一個設(shè)備的連接，但偶爾提出涉及2個設(shè)備的應(yīng)用程序。

這是Ouroboros時鐘配置。（是的，它聽起來就像生活大爆炸的臺詞。）Ouroborus時鐘配置的命名，是應(yīng)為它的反饋類似于蛇追逐（或咬）它的尾巴的神話符號。根據(jù)維基百科，這個詞來自希臘語“ourá”和“bóros”，用于描述“吞噬或吞咽”。見圖4中的圖示。它是古代的循環(huán)無窮符號，適用于此應(yīng)用。

Gedanken

我們考慮一個簡單的gedanken實(shí)驗(yàn)，由一個基本的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，并且沒有PFD（相位檢波器）錯誤輸出，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，以便將輸出時鐘頻率和相位鎖定到獨(dú)立的輸入時鐘。在Ouroboros配置中，VCO無法減少相位誤差。

假設(shè)輸出時鐘以相位快速測量，在PFD（+）對PFD（ - ）下。然后，環(huán)路將通過將VCO調(diào)諧到更高的頻率來嘗試跟蹤。但相對相位差仍然存在。因此，循環(huán)將繼續(xù)嘗試校正所測量的相位誤差，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)目計劃：

• 標(biāo)稱帶寬：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)在采取這樣一個計劃，并將其應(yīng)用到2個Si5345評估板，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鐘。

將信號發(fā)生器應(yīng)用到設(shè)備＃1 IN0，并讓兩個電路板運(yùn)行，直到HOLD_HIST_VALID為真。在IN0中刪除100 MHz輸入時鐘時會發(fā)生什么？

最初只有LOS [0]由設(shè)備＃1報告。否則一切都很好。但是，來自Device＃2的輸出時鐘頻率開始頻率上升（通常可能會上升或下降，但是在我的實(shí)驗(yàn)中卻正在上升）。

最后，設(shè)備＃2的輸出時鐘作為備用輸入時鐘，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。

請注意，一般來說，設(shè)備每個都在相反狀態(tài)的時候可能無理由的不穩(wěn)定。我們的經(jīng)驗(yàn)是，大多數(shù)時候都有一些優(yōu)先選擇的狀態(tài)，但是你會不時看到替代品，幾乎就好像結(jié)果中都有一個混亂的元素。

在這種情況下，Ouroboros配置沒有真正實(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仍然依賴于設(shè)備1 HO時鐘的整個時間內(nèi)上升。這對于這種不切實(shí)際的配置只是一個潛在的問題。但還有另一個可能更糟的效果。

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設(shè)備進(jìn)入退出HO，則可能會發(fā)生這種情況。例如，如果項(xiàng)目計劃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)在這兩個設(shè)備將相互交互，可能永遠(yuǎn)不會解決。下面是Device＃2輸出時鐘數(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不會發(fā)出報警。這個狀態(tài)可以無限期地持續(xù)下去。我星期五下午開始試用這個實(shí)驗(yàn)，星期一早上還在運(yùn)行。設(shè)備甚至可以根據(jù)哪個在HO狀態(tài)交換角色！設(shè)備不斷進(jìn)入和離開HO甚至比直接進(jìn)入HO更糟糕。

結(jié)論

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