Adafruit Si5351時(shí)鐘發(fā)生器開發(fā)板：設(shè)計(jì)與使用指南

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，時(shí)鐘發(fā)生器是一個(gè)關(guān)鍵組件，它為各種電路提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號。今天，我們來深入了解一下Adafruit Si5351時(shí)鐘發(fā)生器開發(fā)板，看看它能為我們的設(shè)計(jì)帶來哪些便利。

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一、概述

Adafruit Si5351時(shí)鐘發(fā)生器開發(fā)板是一款非常實(shí)用的工具，它讓我們告別了四處尋找晶體的煩惱。這款芯片內(nèi)置一個(gè)精確的25MHz晶體參考源，以及內(nèi)部鎖相環(huán)（PLL）和分頻器，能夠生成從小于8KHz到150+MHz的任意頻率。

它是一款基于I2C控制的時(shí)鐘發(fā)生器，通過I2C指令利用板載精確時(shí)鐘驅(qū)動多個(gè)PLL和時(shí)鐘分頻器。通過設(shè)置PLL和分頻器，我們可以創(chuàng)建精確且任意的頻率。該開發(fā)板有三個(gè)獨(dú)立的輸出，每個(gè)輸出都可以有不同的頻率。輸出信號為3Vpp，可以通過適合面包板的引腳頭輸出，也可以通過可選的SMA連接器用于射頻工作。

開發(fā)板上集成了3.3V LDO穩(wěn)壓器，可使用3 - 5VDC電源供電。同時(shí)，I2C線路上還配備了電平轉(zhuǎn)換電路，確保該芯片可以安全地與3V或5V邏輯電路一起使用。此外，Adafruit還提供了詳細(xì)的教程和庫，方便我們快速上手。

二、引腳說明

（一）電源引腳

開發(fā)板上的時(shí)鐘發(fā)生器需要3V電源。考慮到很多用戶使用像Arduino這樣的5V微控制器，開發(fā)板上集成了一個(gè)3.3V穩(wěn)壓器，它具有超低壓降特性，因此可以使用3.3V - 5V電源供電。

• Vin：電源引腳。由于芯片使用3VDC，板上的穩(wěn)壓器會將3 - 5VDC安全地轉(zhuǎn)換為所需電壓。為開發(fā)板供電時(shí)，應(yīng)使用與微控制器邏輯電平相同的電源，例如對于像Arduino這樣的5V微控制器，使用5V電源。
• GND：電源和邏輯的公共接地引腳。

（二）I2C引腳

• SCL：I2C時(shí)鐘引腳，連接到微控制器的I2C時(shí)鐘線。該引腳進(jìn)行了電平轉(zhuǎn)換，可使用3 - 5V邏輯，并且有一個(gè)10K上拉電阻。
• SDA：I2C數(shù)據(jù)引腳，連接到微控制器的I2C數(shù)據(jù)線。同樣進(jìn)行了電平轉(zhuǎn)換，可使用3 - 5V邏輯，也有一個(gè)10K上拉電阻。

（三）時(shí)鐘輸出引腳

• 0、1和2：這是三個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘輸出引腳，輸出0 - 3V的方波信號。這些引腳也引出到PCB另一側(cè)的SMA邊緣發(fā)射連接器上。如果需要將信號傳輸?shù)缴漕l電纜，可以購買并焊接一些邊緣發(fā)射SMA連接器。

三、組裝步驟

如果你使用的是面包板版本的傳感器，需要焊接一些引腳頭，以便在面包板上使用。

1. 準(zhǔn)備引腳頭：如有必要，將引腳頭裁剪到合適的長度。將引腳頭插入面包板，長引腳朝下，這樣焊接會更容易。
2. 安裝開發(fā)板：將開發(fā)板放在引腳頭上，使短引腳穿過開發(fā)板的焊盤。
3. 焊接：確保焊接所有引腳，以實(shí)現(xiàn)可靠的電氣連接。先焊接較長的電源/數(shù)據(jù)線引腳。如果你需要焊接技巧方面的幫助，可以查看Adafruit的《優(yōu)秀焊接指南》。焊接完成后，檢查焊點(diǎn)，然后繼續(xù)下一步。

四、Arduino代碼使用

（一）接線

可以輕松地將開發(fā)板連接到任何微控制器，這里以Arduino為例。對于其他類型的微控制器，只要確保其具有I2C功能，然后移植代碼即可。

• Vin：連接到3 - 5V電源，使用與微控制器邏輯電平相同的電壓。對于大多數(shù)Arduino，使用5V。
• GND：連接到公共電源/數(shù)據(jù)接地。
• SCL：連接到Arduino的I2C時(shí)鐘SCL引腳。在基于UNO和'328的Arduino上，該引腳也稱為A5；在Mega上，稱為數(shù)字21；在Leonardo/Micro上，稱為數(shù)字3。
• SDA：連接到Arduino的I2C數(shù)據(jù)SDA引腳。在基于UNO和'328的Arduino上，該引腳也稱為A4；在Mega上，稱為數(shù)字20；在Leonardo/Micro上，稱為數(shù)字2。

（二）下載Adafruit_Si5351庫

要開始讀取傳感器數(shù)據(jù)，需要從Arduino庫管理器中下載Adafruit Si5351庫。打開Arduino庫管理器，搜索Adafruit Si5351庫并安裝。如果你需要關(guān)于Arduino庫安裝的詳細(xì)教程，可以訪問Adafruit的相關(guān)指南。

（三）加載示例草圖

打開File -> Examples -> Adafruit_Si5351 -> Si5351，將其上傳到連接了傳感器的Arduino。然后以9600波特率打開串口監(jiān)視器，檢查輸出。你可以使用示波器探測0、1和2輸出引腳，但根據(jù)示波器的型號，可能無法驗(yàn)證112.5MHz的輸出頻率。

（四）庫參考

Adafruit提供的庫簡單易用?？梢允褂靡韵麓a創(chuàng)建Adafruit_Si5351對象：

Adafruit_SI5351 clockgen = Adafruit_SI5351();

I2C引腳在硬件上是固定的。初始化芯片時(shí)，調(diào)用clockgen.begin()，該函數(shù)會檢查是否能找到芯片，并返回true或false。建議使用一個(gè)語句來檢查芯片是否被檢測到：

if (clockgen.begin() != ERROR_NONE) {
    Serial.print("Ooops, no Si5351 detected ... Check your wiring or I2C ADDR!");
    while(1);
}

（五）設(shè)置PLL

芯片使用兩個(gè)部分來生成時(shí)鐘輸出。首先，將25MHz參考時(shí)鐘乘以某個(gè)值（設(shè)置PLL），然后將新時(shí)鐘除以另一個(gè)值（設(shè)置時(shí)鐘分頻器）。通過調(diào)整乘數(shù)和分頻器，可以生成幾乎任何時(shí)鐘頻率。有兩個(gè)PLL乘數(shù)（A和B），如果需要三個(gè)輸出，其中兩個(gè)輸出必須共享一個(gè)PLL。

• 整數(shù)模式設(shè)置PLL：最簡潔的方法是進(jìn)行直接的整數(shù)乘法：

  clockgen.setupPLLInt(SI5351_PLL_A or SI5351_PLL_B, m);

  這將PLL_A或PLL_B設(shè)置為25MHz * m，m（整數(shù)乘數(shù)）的范圍為15到90。

• 分?jǐn)?shù)模式設(shè)置PLL：這種模式允許使用分?jǐn)?shù)乘數(shù)進(jìn)行更靈活的PLL設(shè)置，但輸出可能會有輕微的抖動。

  clockgen.setupPLLInt(SI5351_PLL_A or SI5351_PLL_B, m, n, d);

  這將PLL_A或PLL_B設(shè)置為25MHz * (m + n/d)，其中m的范圍為15到90，n的范圍為0到1,048,575，d的范圍為1到1,048,575。

（六）設(shè)置時(shí)鐘分頻器

設(shè)置好PLL后，可以將高頻時(shí)鐘分頻以獲得所需的輸出頻率。每個(gè)輸出都有自己的分頻器?？梢允褂酶啙嵉恼麛?shù)分頻器：

clockgen.setupMultisynthInt(output, SI5351_PLL_x, SI5351_MULTISYNTH_DIV_x);

其中，output使用0、1或2，PLL輸入使用SI5351_PLL_A或SI5351_PLL_B，分頻器可以選擇SI5351_MULTISYNTH_DIV_4、SI5351_MULTISYNTH_DIV_6或SI5351_MULTISYNTH_DIV_8。整數(shù)輸出將提供最干凈的時(shí)鐘。如果需要更多靈活性，可以使用分?jǐn)?shù)發(fā)生器/分頻器：

clockgen.setupMultisynth(output, SI5351_PLL_x, div, n, d);

其中，output使用0、1或2，PLL輸入使用SI5351_PLL_A或SI5351_PLL_B，最終頻率等于PLL / (div + n/d)，div的范圍為4到900，n的范圍為0到1,048,575，d的范圍為1到1,048,575。

（七）額外的R分頻器

如果需要進(jìn)一步分頻以獲得低于100KHz的頻率，可以使用額外的R分頻器，它會將輸出再除以一個(gè)固定的數(shù)字：

clockgen.setupRdiv(output, SI5351_R_DIV_x);

output是時(shí)鐘輸出編號，R分頻器可以是SI5351_R_DIV_1、SI5351_R_DIV_2、SI5351_R_DIV_4、SI5351_R_DIV_8、SI5351_R_DIV_16、SI5351_R_DIV_32、SI5351_R_DIV_64或SI5351_R_DIV_128。

（八）軟件輔助

確定PLL乘數(shù)和分頻器的最佳選擇可能比較麻煩。SiLabs有一個(gè)名為ClockBuilder的桌面應(yīng)用程序（https://adafru.it/dPj），可以幫助我們計(jì)算PLL分頻器/乘數(shù)。該應(yīng)用程序僅適用于Windows，但我們只需要使用它進(jìn)行一次計(jì)算。安裝并運(yùn)行該應(yīng)用程序，選擇具有3個(gè)輸出的Si5351A，不連接到EVB，啟用所需的輸出，并設(shè)置頻率為浮點(diǎn)數(shù)或分?jǐn)?shù)，將晶體設(shè)置為25MHz（默認(rèn)值為27MHz），然后點(diǎn)擊“Create Frequency Plan”查看PLL和分頻器設(shè)置。需要注意的是，早期版本的芯片只接受900或更小的分頻器，Adafruit的庫也不允許選擇大于900的整數(shù)分頻。如果從計(jì)算器中得到較高的值，可能需要進(jìn)行調(diào)整。

五、CircuitPython代碼使用

（一）接線

1. CircuitPython微控制器接線

將Si5351連接到電路板，使用I2C連接，具體接線方式與Arduino相同。例如，將Feather M0與傳感器通過I2C連接時(shí)：

• Board 3V：連接到傳感器的VIN。
• Board GND：連接到傳感器的GND。
• Board SCL：連接到傳感器的SCL。
• Board SDA：連接到傳感器的SDA。

2. Python計(jì)算機(jī)接線

以Raspberry Pi為例，其I2C接線方式如下：

• Pi 3V3：連接到傳感器的VIN。
• Pi GND：連接到傳感器的GND。
• Pi SCL：連接到傳感器的SCL。
• Pi SDA：連接到傳感器的SDA。對于其他平臺，可以訪問CircuitPython on Linux指南，查看是否支持。

（二）安裝庫

1. CircuitPython安裝SI5351庫

首先，確保運(yùn)行的是適用于電路板的最新版本的Adafruit CircuitPython。然后，從Adafruit的CircuitPython庫捆綁包中安裝必要的庫。對于非Express板，需要手動從捆綁包中安裝adafruit_si5351.mpy和adafruit_bus_device。在繼續(xù)之前，確保電路板的lib文件夾或根文件系統(tǒng)中復(fù)制了這些文件和文件夾。最后，連接到電路板的串行REPL，進(jìn)入CircuitPython提示符。

2. Python安裝SI5351庫

需要安裝Adafruit_Blinka庫，該庫為Python提供CircuitPython支持。這可能還需要在平臺上啟用I2C，并驗(yàn)證運(yùn)行的是Python 3。由于每個(gè)平臺有所不同，且Linux經(jīng)常更新，請?jiān)L問CircuitPython on Linux指南，使計(jì)算機(jī)做好準(zhǔn)備。完成后，從命令行運(yùn)行以下命令：

sudo pip3 install adafruit-circuitpython-si5351

如果默認(rèn)Python是版本3，可能需要運(yùn)行pip。請確保不要在Python 2.x上使用CircuitPython，因?yàn)樗恢С帧?/p>

（三）使用示例

以下是一個(gè)簡單的示例，演示如何使用傳感器并控制時(shí)鐘輸出：

import board
import busio
import adafruit_si5351

i2c = busio.I2C(board.SCL, board.SDA)
si5351 = adafruit_si5351.SI5351(i2c)

# 配置PLL
si5351.pll_a.configure_integer(20)  # 設(shè)置PLL A為500 MHz
print('PLL A: {0} MHz'.format(si5351.pll_a.frequency/1000000))

si5351.pll_b.configure_fractional(20, 1, 2)  # 設(shè)置PLL B為512.5 MHz
print('PLL B: {0} MHz'.format(si5351.pll_b.frequency/1000000))

# 配置時(shí)鐘輸出
si5351.clock_0.configure_integer(si5351.pll_a, 4)  # 設(shè)置時(shí)鐘0為125 MHz
print('Clock 0: {0:0.3f} MHz'.format(si5351.clock_0.frequency/1000000))

si5351.clock_1.configure_fractional(si5351.pll_b, 4, 1, 2)  # 設(shè)置時(shí)鐘1為113.889 MHz
print('Clock 1: {0:0.3f} MHz'.format(si5351.clock_1.frequency/1000000))

# 啟用輸出
si5351.outputs_enabled = True

（四）完整示例代碼

# SPDX-FileCopyrightText: 2021 ladyada for Adafruit Industries
# SPDX-License-Identifier: MIT
import board
import busio
import adafruit_si5351

# 初始化I2C總線
i2c = busio.I2C(board.SCL, board.SDA)
si5351 = adafruit_si5351.SI5351(i2c)

# 配置PLLs
si5351.pll_a.configure_integer(36)  # 設(shè)置PLL A為900 MHz
print("PLL A frequency: {0}mhz".format(si5351.pll_a.frequency / 1000000))

si5351.pll_b.configure_fractional(24, 2, 3)  # 設(shè)置PLL B為616.6667 MHz
print("PLL B frequency: {0}mhz".format(si5351.pll_b.frequency / 1000000))

# 配置時(shí)鐘輸出
si5351.clock_0.configure_integer(si5351.pll_a, 8)  # 設(shè)置時(shí)鐘0為112.5 MHz
print("Clock 0: {0}mhz".format(si5351.clock_0.frequency / 1000000))

si5351.clock_1.configure_fractional(si5351.pll_b, 45, 1, 2)  # 設(shè)置時(shí)鐘1為13.5531 MHz
print("Clock 1: {0}mhz".format(si5351.clock_1.frequency / 1000000))

si5351.clock_2.configure_integer(si5351.pll_b, 900)  # 設(shè)置時(shí)鐘2的初步分頻
si5351.clock_2.r_divider = adafruit_si5351.R_DIV_64  # 設(shè)置時(shí)鐘2的R分頻器
print("Clock 2: {0}khz".format(si5351.clock_2.frequency / 1000))

# 啟用輸出
si5351.outputs_enabled = True

六、下載資源

• 軟件：SiLabs的ClockBuilder桌面應(yīng)用程序（https://adafru.it/dPj），可幫助計(jì)算PLL分頻器/乘數(shù)。
• 數(shù)據(jù)手冊：Si5351數(shù)據(jù)手冊（https://adafru.it/dPk）。
• Fritzing對象：Adafruit Fritzing庫中的Fritzing對象（https://adafru.it/aP3）。
• EagleCAD PCB文件：GitHub上的EagleCAD PCB文件（https://adafru.it/pBD）。

通過以上介紹，相信大家對Adafruit Si5351時(shí)鐘發(fā)生器開發(fā)板有了更深入的了解。在實(shí)際應(yīng)用中，你是否遇到過時(shí)鐘信號不穩(wěn)定的問題？你會嘗試使用這款開發(fā)板來解決這些問題嗎？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。