Xilinx FPGA收发器参考时钟设计应用

引言：晶振是数字电路设计中非常重要的器件，时钟的相位噪声、频率稳定性等特性对产品性能影响很大。本文基于可编程晶振SI570，就Xilinx FPGA收发器输入参考时钟的硬件设计及FPGA软件设计给出设计案例，供大家参考。通过本文，可以了解到：

Xilinx FPGA收发器参考时钟设计要点

可编程晶振SI570设计方法

1.Xilinx FPGA收发器参考时钟设计要求

1.1参考时钟接口要求

FPGA收发器GTX/GTH参考时钟接口提供两种连接方式：LVDS（如图1所示）和LVPECL（如图2所示）。我们在选择晶振时，至少要支持其中一种接口输出电平标准。图2所示的电阻值为一般推荐值，实际偏置电阻值需要参考晶振手册。图1和图2中交流AC耦合电容作用：1）阻断外部晶振和GTX/GTH收发器Quad专用时钟输入管脚之间的DC电流，降低功耗；2）AC耦合电容和参考时钟输入端接构成高通滤波器，衰减参考时钟偏移；3）保持耦合电容两侧共模电压独立，互不干扰。

图1、LVDS晶振和7系列FPGA收发器参考时钟输入接口

图2、LVPECL晶振和7系列FPGA收发器参考时钟输入接口

1.2参考时钟电气特性要求
FPGA收发器参考时钟开关特性和DC特性要求分别如图3和图4所示。

图3、FPGA收发器参考时钟开关特性要求

图4、FPGA收发器参考时钟DC特性要求

2.硬件电路设计

2.1晶振选型

按照章节1中FPGA收发器参考时钟要求，我们选择Silicon labs公司的si570系列可编程晶振，该晶振典型应用SONET/SDH、10G以太网通信、时钟恢复等场合。该晶振输出特性如图6所示。

图5、SI570晶振内部功能框图

图6、SI570晶振输出特性

2.2原理图设计

FPGA收发器参考时钟晶振SI570原理图设计如图7所示。

图7、SI570原理图设计

3.SI570 FPGA软件配置及结果测试

3.1 SI570晶振配置方法

从图5中，可看到SI570控制接口采用I2C接口。我们在配置该晶振时要按照以下操作步骤进行：

1.SI570根据家族类别，器件地址都不同，故首先需要去Silicon官网查找项目选型的晶振型号对应的器件地址。举例SI570晶振型号：570BAB000544DG，该型号参数如图8所示。在该图中，我们可以得到可编程晶振的重要参数，如器件的I2C地址（0x5D），出厂默认输出频率（156.25MHz），频率范围等等。

图8、SI570出厂参数信息

2.编写FPGA软件，读出晶振SI570内部出厂默认寄存器配置字。FPGA实例工程如图9所示。

图9、SI570测试例程工程

3.根据读出的SI570内部寄存器默认配置值，FPGA I2C总线读时序图如图10所示。

图10、FPGA I2C总线读时序图

4.利用Silicon官方Programmable Oscillator Calculator软件计算出要求出频率所需的配置寄存器值。如图11所示，本设计将SI570输出频率设置为50MHz。

图11、计算SI570配置寄存器流程步骤

5.写SI570寄存器配置值。FPGA I2C总线写时序图如图12所示。

图12、FPGA I2C总线写时序图

3.2 SI570配置结果测试

在图5SI570测试例程工程中，我们还加入了SI570输出频率测试代码，以通过FPGA在线逻辑分析仪测试SI570输出频率是否达到50MHz设计输出要求。测试结果如图13所示，可以看到晶振输出结果符合设计要求。

图13、SI570输出频率测试结果

参考原文：《Xilinx FPGA收发器参考时钟设计应用》