本應用筆記介紹了如何對Maxim的DS314xx時鐘同步IC進行現場升級，以接受并鎖定至1Hz輸入時鐘信號。它還描述了在少數情況下需要1Hz時鐘監控功能和系統軟件支持。有了這些元件，使用DS314xx器件構建的系統就可以與1Hz和更高速輸入時鐘的任意組合實現符合標準的時鐘同步行為。

介紹

Maxim的DS314xx系列時鐘同步IC是功能強大、靈活的電信系統同步定時解決方案。這些器件最初設計用于鎖定2kHz至750MHz的輸入時鐘頻率，該頻率范圍可滿足大多數電信系統的需求。然而，有時電信系統必須與1Hz或1PPS（每秒一個脈沖）輸入時鐘信號同步。例如，這種定時信號可能來自GPS接收器或IEEE? 1588從功能。

Maxim為滿足這一需求，為DS314xx系列開發了一個1Hz初始化腳本。此腳本提供系統內軟件升級。使用此腳本進行配置后，DS314xx器件中的DPLL可以直接鎖定至1Hz信號，并可以在1Hz時鐘和更高頻率時鐘之間執行無中斷切換。Maxim在實驗室中驗證了使用該腳本升級的DS31400的系統可以滿足ITU-T G.813選項1和2、ITU-T G.8262選項1和2、Telcordia GR-1244-CORE層3中的時鐘同步要求，以及Telcordia GR-253-CORE的同步要求。合規性報告可應要求提供。

本應用筆記涵蓋以下主題：

采用1Hz輸入時鐘工作的DS314xx器件設置要求

鎖定至1Hz輸入時鐘時重新定義DS314xx寄存器字段

需要對 1Hz 輸入時鐘進行外部監控

系統軟件需要支持，以實現標準合規性

本應用筆記假設讀者了解電信系統中的時鐘同步以及Maxim的DS314xx時鐘同步IC中的至少一個。

設置要求

振蕩器

對 1Hz 輸入沒有特殊要求。使用與沒有 1Hz 輸入時鐘的應用相同的 TCXO 或 OCXO。Maxim的一致性測試是用TCXO完成的。

需要 1Hz 初始化腳本

必須修改 DPLL 行為才能使用 1Hz 輸入時鐘。必須執行初始化文件中列出的寫入序列，才能將 DPLL 配置為使用 1Hz 輸入時鐘。該腳本可從DS31400網頁（“軟件/型號”標題下的“技術文檔”選項卡）下載。該腳本可用于任何DS314xx器件。

輸入時鐘鎖定頻率

設置 ICCR1。LKFREQ=0xE 表示 1Hz 輸入。
1Hz 初始化腳本將以前未使用的0xE解碼分配為 1Hz。

禁用 1Hz 輸入的輸入時鐘監視器

DS314xx輸入時鐘監測邏輯不是為1Hz輸入時鐘設計的。因此，必須為每個 1Hz 輸入時鐘禁用以下內容：

頻率監測硬限值（ICCR2.硬化=0）

粗頻監測（ICCR2.FREN=0）

使用漏水桶累加器 （ICLBS=0） 進行活動監控。

具有kHz和MHz頻率的輸入時鐘可由DS314xx器件正常監測。

DPLL 設置

對于預計滿足 ITU-T G.813 SEC、ITU-T G.8262 EEC 或 Telcordia GR-1244 第 3 層時鐘同步要求的 DPLL，需要以下設置：

DPLLCR6.自動帶寬=0

DPLLCR6.LIMINT=1（重置默認值）

DPLLCR1.UFSW=1

DPLLCR4.LBW=00111（將帶寬設置為 0.06Hz 或更低）

DPLLCR6.PBOEN=1（重置默認值）

DPLLCR5.FLEN=0

此外，建議使用以下設置：

HRDLIM[15：0]=421Eh，DPLL 頻率限制為 ±9.5ppm

DPLLCR5.FLLOL=1（重置默認值），當達到 HARDLIM 時，會導致 DPLL 失去鎖定

DPLLCR2.HOMODE=10，MINIHO=10，指定使用5.8min保持平均值

DS314xx_1Hz.mfg初始化腳本將DS314xx IC中的DPLL1配置為上述必需和推薦設置。

鎖定至1Hz輸入時鐘時重新定義寄存器字段

相場

當DPLL鎖定到1Hz輸入時鐘時，PHASE場被重新定義為具有納秒單位和1ns分辨率。當DPLL被鎖定到kHz或MHz輸入時鐘時，相位寄存器的行為如數據手冊中所述。

FINELIM和COARSELIM油田

當 DPLL 鎖定到 1Hz 輸入時鐘時，FINELIM 字段沒有任何意義，必須忽略。COARSELIM 字段指定 DPLL 的相位限制。此外，重新定義了粗塞利姆，使DPLL的相位限制為2粗塞利姆× 32 秒。當相位字段中的值超過此相位限制時，PALARM 狀態位在 PLL1SR 或 PLL2SR 中設置。然后，DPLL 狀態機立即轉換到鎖定丟失狀態。當DPLL鎖定到kHz或MHz輸入時鐘時，FINELIM和COARSELIM場的行為與數據手冊中所述相同。

1Hz 信號需要外部監控

外部監控

DS314xx輸入時鐘監視邏輯不能監視1Hz輸入時鐘。此外，DS314xx DPLL不能因缺乏活動（即缺少時鐘邊沿）或頻率偏移而使1Hz輸入時鐘失效。如果1Hz輸入時鐘需要活動和/或頻率監測，則必須在DS314xx器件外部進行監測。

對于來自系統或子系統（如 GPS 接收器或 IEEE 1588 從站）的 1Hz 信號，1Hz 信號源可能已經執行了所需的監控。在這種情況下，系統軟件可以從源接收時鐘狀態信息，并可以使用適當的VALCR位驗證和失效1Hz時鐘。

如果1Hz信號源不執行所需的監視，則可以在FPGA邏輯中構建監視電路。來自DS314xx器件的高速時鐘信號（例如50MHz或100MHz）可以路由到FPGA。FPGA中的邏輯可以計算1Hz時鐘每個周期中的高速時鐘周期數。使用100MHz時鐘信號，可以以0.01ppm的分辨率以這種方式測量頻率。如果發現測量頻率過高或過低，FPGA的監控邏輯可以指示頻率超出規格。然后，系統軟件可以使用DS314xx器件中適當的VALCR位使1Hz時鐘失效。

當 1Hz 時鐘的 VALCR 位被清除時，DPLL 會自動鎖定到下一個最高優先級、有效輸入時鐘，如果沒有其他時鐘可用，則進入保持狀態。其他輸入可以是 1Hz 或更高速時鐘的任意組合。

當1Hz輸入時鐘有缺陷時，DS314xx DPLL能做什么和不能做什么

當 DPLL 鎖定到停止切換的 1Hz 輸入時鐘（例如電纜斷開）時，DPLL 無法快速識別信號未切換。這是因為當信號存在時，DPLL 每秒僅接收一次相位更新。DPLL 確實會在幾秒鐘內離開“鎖定”狀態，然后可能會在“預鎖定/預鎖定2”、“鎖定”和“丟失”之間更改狀態，而不會保留。

當DPLL離開鎖定狀態（如果使能，可能導致DS314xx INTREQ引腳出現中斷請求）時，系統軟件應做出反應，假設1Hz輸入錯誤，然后清除VALCR位。這允許 DPLL 切換到下一個有效輸入，或者在沒有其他輸入時鐘可用時進入保留狀態。

如果系統軟件沒有使錯誤的 1Hz 時鐘失效，并且 DPLL 在恢復時仍在嘗試鎖定 1Hz 信號，則 DPLL 拉入可能會非常慢。具體來說，DPLL頻率可能會一直移動到HRDLIM場設置的正或負限值，然后最終拉入并鎖定到1Hz輸入時鐘。這個拉入過程可能需要數十或數百秒。如果系統軟件檢測到DPLL頻率與標稱值相差太遠，則可以通過清除然后設置輸入時鐘的VALCR位來進行干預。這允許 DPLL 使用其相位構建例程在幾秒鐘內拉入和鎖定。

保留進入和退出所需的額外步驟

當配置為1Hz工作時，DS314xx DPLL在接收到來自DS314xx輸入時鐘模塊的“新選擇基準”信號之前無法離開保持狀態。為確保以 1Hz 時鐘生成此信號，系統軟件必須執行以下操作：

無效的 1Hz 輸入時鐘必須標記為無效。這是通過清除適當的VALCR位或將輸入時鐘的優先級設置為0來完成的。

有效的 1Hz 輸入時鐘必須標記為有效。這是通過設置適當的 VALCR 位并將輸入時鐘的優先級設置為非零值來完成的。

如果 DPLL 的狀態

被強制

保留，則系統軟件必須使用 DPLLCR2 執行一些額外的步驟。狀態字段。如果當 STATE 字段更改回自動狀態轉換時輸入時鐘的有效性沒有改變，則不會生成“新選擇的參考”信號，并且 DPLL 不會離開保持狀態。為避免這種情況，系統軟件應在將 DPLL 狀態字段更改回自動后執行以下過程：

如果DPLLCR1。還原=0，然后將其設置為 1。

清除并設置最高優先級有效輸入時鐘的VALCR位。

將還原位設置回其原始值。

上述過程使輸入時鐘塊生成“新選擇的參考”信號，這允許DPLL離開保持狀態并鎖定到最高優先級的有效輸入時鐘。

符合第 3 層要求的多 ppm 拉入所需的軟件支持

DS314xx DPLL帶寬≤0.06Hz，每秒僅提供一次相位更新，鎖定在1Hz輸入時鐘時，頻率變化非常慢。例如，在鎖定狀態下進行 9.2ppm 的頻率更改可能需要 10 分鐘以上。為了滿足第 3 層的要求，系統需要在 100 秒內鎖定到新的輸入時鐘。如果該輸入時鐘的頻率與DPLL的當前頻率相差高達9.2ppm，則顯然DPLL無法通過其正常的跟蹤機制滿足100s的要求。

幸運的是，系統軟件可以通過使用以下過程大大加快該過程：

從DS31400外部的時鐘監測器獲取新的1Hz輸入時鐘的頻率。
（如果當前1Hz時鐘信號的頻率階躍發生變化，這也可能是該信號的新頻率。

計算新頻率與從 FREQ 寄存器字段讀取的 DPLL 當前頻率之間的差異。

將 DPLL 的當前頻率寫入手動保持頻率字段 HOFREQ。

設置 DPLLCR2。HOMODE 和 MINHO 到 01 以將 DPLL 配置為手動保留。

通過設置 DPLLCR2 強制 DPLL 進入保留狀態。狀態 = 010。

手動將 HOFREQ 字段中的手動保持頻率斜坡上升到新頻率。對于GR-1244第3層合規性，變化率應<2.9ppm / s。

允許 DPLL 通過設置 DPLLCR2 執行自動狀態轉換。狀態 = 000。

清除并設置適當的 VALCR 位，以允許 DPLL 退出保持狀態。

設置 DPLLCR2。HOMODE和MINHO回到10。

DPLL 快速拉入并鎖定至 1Hz 輸入時鐘。

輸出和輸入之間的相位差不為零

當DS314xx DPLL開始拉入1Hz輸入時鐘時，將輸入時鐘的當前相位設置為相位目標。該相位目標通常不是 0°。當 DPLL 鎖定時，DPLL 的相位寄存器字段中的零或接近零值表示 DPLL 已鎖定到所選相位目標。來自該 DPLL 的輸出時鐘信號與 DPLL 的相位目標對齊，因此與 1Hz 輸入時鐘具有固定的、通常為非零的相位關系。

有些應用中，輸出必須與1Hz輸入同相，或者輸出必須具有系統控制的輸出與輸入相位關系。Maxim提供兩款滿足這些要求的產品，DS31408和DS31415，它們包括一個稱為時間引擎的附加模塊。該時間引擎使這些器件能夠鎖定至1Hz輸入時鐘，并創建具有精確指定相位的輸出時鐘。

結論

Maxim的DS314xx時鐘同步IC可現場升級，鎖定至1Hz （1PPS）輸入時鐘信號。當1Hz信號由外部監測，系統軟件提供本應用筆記所述的少量支持時，使用DS314xx器件構建的系統可以具有符合標準的時鐘同步行為，同時使用任意1Hz和更高速輸入時鐘組合工作。