Si5351A I2Cクロックジェネレーターを使った周波数波形出力プログラム例
![Si5351Aクロックジェネレーター](https://team432.jpn.org/wpress/wp-content/uploads/2023/12/Si5351A.jpg)
![40kHz波形](https://team432.jpn.org/wpress/wp-content/uploads/2023/12/40KHZ波形-1024x793.jpg)
Silicon Laboratories社製Si5351Aを使用したクロックジェネレーターモジュール(ここではストロベリーリナックス社)を使い、Raspberry Piで電波時計用の40kHz/60kHzの周波数の長波を出すプログラム例を紹介する。
このモジュールは、I2C制御で個別設定できる3chの端子からそれぞれ2.5kHz~200MHzの任意の周波数を出力することができる。原発振は25MHzの水晶で、内部VCOとPLLをI2C制御することで逓倍かつ分周し任意の周波数を発生させる。
●使用したハードウェア
Si5351A I2Cクロックジェネレータモジュール
\990(ストロベリーリナックス社)※秋月電子通商製もあるが、在庫なしで入手できなかった
■主な仕様
・ジェネレータ: Si5351A(Silicon Laboratories)
・出力範囲:2.5kHz~200MHzまで
・出力波形:方形波のみ
・出力数:3ch
・原発振:25MHz水晶
・コア電圧:2.5V~3.6V
・ロジック電圧:1.8V~3.6V
・出力レベル:1.8V~3.6VのLVTTL
●Raspberry Pi とクロックジェネレーターモジュールの接続
![配線図](https://team432.jpn.org/wpress/wp-content/uploads/2023/12/配線図切取り.jpg)
●任意の周波数の発生方法
Si5351には3タイプあり、このモジュールに使用されているのはSi5351Aで、原発振は水晶発振だけとなっている。このデバイスは2つのPLL(PLLA/PLLB)から構成されていて、それぞれのPLLは600~900MHz範囲の中間VCO周波数を発生させるフィードバックMultisynthから構成されている。2つのVCO周波数はMultisynth dividerによって、500kHz~200MHzのMultisynth周波数を発生させる。更にR dividersで周波数を2.5kHzまで下げることができる。
![デバイス構成図](https://team432.jpn.org/wpress/wp-content/uploads/2023/12/デバイス構成図.jpg)
以降、簡単化するために、PLLAから中間周波数\(f_{vco}\)を出力、Multisynth0、R0を使い、CLK0から出力周波数\(f_{out}\)を出力するための計算式を示す。
(1)中間周波数\(f_{vco}\)を出力するレジスター・パラメーターの設定
\(f_{vco} = f_{XTAL} \times Fr\)
\(f_{XTAL} = 25MHz\) : このモジュールのクリスタル周波数
\(Fr\) : Fractional Ratio
\(Fr(Fractional Ratio)\)は次のように算出する。
\(Fr = \displaystyle (a + \frac{b}{c})\displaystyle\)
\(a : 15 ~ 90\)
\(b : 0 ~ 1,048,575\)
\(c : 1 ~ 1,048,575\)
ここで得られた\(a,b,c\)を用いて、レジスター26 ~ 33のパラメータMSNA_P1, MSNA_P2, MSNA_P3を算出する
MSNA_P1 [17:0]= \(\displaystyle 128 \times a + Floor(128 \times \frac{b}{c}) -512\displaystyle \)
MSNA_P2 [19:0]= \(\displaystyle 128 \times b – c \times Floor(128 \times \frac{b}{c})\displaystyle \)
MSNA_P3 [19:0]= \(c\)
(2) 出力周波数\(f_{out}\)を出力するレジスター・パラメーターの設定(\(f_{out} <= 150MHz\)の場合)
\( f_{out} = \displaystyle (\frac{f_{vco}}{Multisynth \times R})\displaystyle\)
\(f_{out}\) : 出力周波数、500kHz ~ 200MHz
\(R\)(Divide Ratio)を使うと、500kHz以下の周波数を発生させることができる。
\(f_{vco}\) : 中間のVCO周波数
\(Multisynth\) : Multisynth Divider Ratio
\(R\) : Divide Ratio = 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128(500kHz以下の時)
\(Multisynth\) (Multisynth Divider Ratio)は、次のように算出する。
\(Multisynth = A + \displaystyle\frac{B}{C}\displaystyle\)、この結果は 6 ~ 1800の範囲でなければならない。
\(A : 15 ~ 90\)
\(B : 0 ~ 1,048,575\)
\(C : 1 ~ 1,048,575\)
ここで得られた、\(A,B,C\)を用いて、レジスター42 ~ 49のパラメータMS0_P1, MS0_P2, MS0_P3と、レジスター44のR0_DIVを算出する。
MS0_P1 [17:0]= \(\displaystyle 128 \times A + Floor(128 \times \frac{B}{C}) -512\displaystyle \)
MS0_P2 [19:0]= \(\displaystyle 128 \times B – C \times Floor(128 \times \frac{B}{C})\displaystyle \)
MS0_P3 [19:0]= \(C\)
R0_DIV[2:0] = \(R\)
●具体的事例でのレジスター設定
電波時計の受信/送信周波数は、40kHz(東)と60kHz(西)なので、その2つの周波数を出力するレジスターパラメータを計算する。
<40kHz>
\(f_{vco} = 25,000kHz \times 16 = 400,000kHz\)
\(a = 15, b = 1, c = 1 → \displaystyle a + \frac{b}{c}\displaystyle = 16\)
MSNA_P1 [17:0]= \(\displaystyle128 \times 15 + Floor(128 \times \frac{1}{1}) – 512 \displaystyle\)= 1536(0x600)
MSNA_P2 [19:0]= \(\displaystyle128 \times 1 – 1 \times Floor(128 \times \frac{1}{1})\displaystyle\) = 0
MSNA_P3 [19:0]= 1
\(f_{out} =\displaystyle\frac{400,000kHz}{1250 \times 8}\displaystyle = 40kHz\)
\(A = 50, B = 1200, C = 1 → A + \displaystyle\frac{B}{C} = 16\displaystyle\)
\(R = 8\)
MS0_P1 [17:0]= \(\displaystyle128 \times 50 + Floor(128 \times \frac{1200}{1}) -512\displaystyle\) = 159,488(0x26F00)
MS0_P2 [19:0]= \(\displaystyle128 \times 1200 – 1 \times Floor(128 \times \frac{1200}{1})\displaystyle\) = 0
MS0_P3 [19:0]= 1
R0_DIV[2:0] = 011b(Divide by 8の場合、\(2^3\))
<60kHz>
\(f_{vco} = 25,000kHz \times 24 = 600,000kHz\)
\(a = 23, b = 1, c = 1 → \displaystyle a + \frac{b}{c}\displaystyle = 24\)
MSNA_P1 [17:0]= \(\displaystyle128 \times 23 + Floor(128 \times \frac{1}{1}) -512\displaystyle\) = 2560(0xA00)
MSNA_P2 [19:0]= \(\displaystyle128 \times 1 – 1 \times Floor(128 \times \frac{1}{1})\displaystyle\) = 0
MSNA_P3 [19:0]= 1
\(f_{out} =\displaystyle\frac{600,000kHz}{1250 \times 8}\displaystyle = 60kHz\)
\(A = 50, B = 1200, C = 1 → \displaystyle A + \frac{B}{C}\displaystyle = 16\)
\(R = 8\)
MS0_P1 [17:0]= \(\displaystyle128 \times 50 + Floor(128 \times \frac{1200}{1}) -512\displaystyle\) = 159,488(0x26F00)
MS0_P2 [19:0]= \(\displaystyle128 \times 1200 – 1 \times Floor(128 \times \frac{1200}{1})\displaystyle\) = 0
MS0_P3 [19:0]= 1
R0_DIV[2:0] = 011b(Divide by 8の場合、\(2^3\))
●その他のレジスター設定
Reg0 : デバイスのステータス。D7(SYS_INIT)=0の時、Device Ready
Reg3 : CLK出力の可否。D0(CLK0_EN)=0(CLK0出力可) / 1(不可)
Reg15 : PLL入力ソース。D4(PLLA_SRC)=0(Select XTAL)
Reg16 : CLK0 コントロール。
D7 : CLK0 Power Down/Up = 0(Powered Up) / 1(Powered Down)
D6 : MultiSynth0 Integer Mode = 1 (Integer)
D5 : MultiSynth Source Select = 0 (Select PLLA)
D4 : Output Clock 0 Invert = 0 (Not inverted)
D3-D2 : Output CLK0 Input Source = 11b(Select MultiSynth0)
D1-D0 : Drive Strength = 11b(8mA)
Reg 44 : Multisynth0 パラメータ
D6-D4 : 上述R0_DIV[2:0]
D3-D2 : MS0 Divide by 4 Enable = 00b(other than 4) 150MHz以下の時
Reg177 : PLL Reset。 D5(PLLA_RST) = 1(PLLA Reset)
Reg183 : Crystal Internal Load Capacitance。
D7-D6 = 10b(8pF)
D5-D0 = 010010b(Reserved)
●レジスター
![レジスター表](https://team432.jpn.org/wpress/wp-content/uploads/2023/12/レジスター表切取り.jpg)
●Si5351A周波数発生モジュールとプログラムサンプル
・Si5351A周波数発生モジュール(PLLgen5351.py)
パラメータ(a,b,c,A,B,C,R)を設定することで、その周波数を出力する。
# -*- coding: utf-8 -*- import smbus import time import math I2C = smbus.SMBus(1) ADR5351 = 0x60 # Si5351A クロックジェネレーター I2C アドレス DEV_STAT = 0 # Device status OUT_ENABLE = 3 # Output Enable Cnotrol PLL_SRC = 15 # PLL Input Source CLK0_CTL = 16 # Clock0 Control MULN_PARAM = 26 # Multisynth NA Parameters Start Reg MUL0_PARAM = 42 # Multisynth0 Parameters Start Reg XTAL_CL = 183 # Crystal Internal Load Capacitance (8pF) [D7:D6] PLL_RESET = 177 # PLL Reset class PLL: def __init__(self, freq): # freq[no] = [a, b, c, A, B, C, R] self.freqNo = len(freq) self.MSNA = [] self.MS0 = [] for no in range(self.freqNo): Fv = freq[no][0:3] # [a, b, c] Fo = freq[no][3:] # [A, B, C, R] self.MSNA.append(self.calcParam(0, Fv)) self.MS0.append(self.calcParam(1, Fo)) regData = I2C.read_byte_data(ADR5351, DEV_STAT) # Device Status if regData & 0x80: # D7 = 0 : Ready print("Device Status Error") exit(0) I2C.write_byte_data(ADR5351, PLL_RESET, 0b10100000) # PLL Reset time.sleep(0.1) I2C.write_byte_data(ADR5351, PLL_SRC, 0x00) # Input Sorce -> XTAL I2C.write_byte_data(ADR5351, OUT_ENABLE, 0xFF) # Disable all clock I2C.write_byte_data(ADR5351, XTAL_CL, 0x92) # Capacitance= 8pF def calcParam(self, s, p): ms = [] P1 = 128 * p[0] + math.floor(128 * p[1] / p[2]) - 512 P2 = 128 * p[1] - p[2] * math.floor(128 * p[1] / p[2]) P3 = p[2] ms.append((P3 >> 8) & 0xFF) # adr=26, 42 ms.append(P3 & 0xFF) # adr=27, 43 r28 = (P1 >> 16) & 0x03 # adr=28 if s: # MS0 for div in range(8): if (p[3] >> div) & 1: # R bit = div # 2^bit ms.append((bit << 4) | r28) # adr=44 else: # MSNA ms.append(r28) # adr=28 ms.append((P1 >> 8) & 0xFF) # adr=29, 45 ms.append(P1 & 0xFF) # adr=30, 46 pa, pb = (P3 >> 16) & 0x0F, (P2 >> 16) & 0x0F ms.append((pa << 4) | pb) # adr=31, 47 ms.append((P2 >> 8) & 0xFF) # adr=32, 48 ms.append(P2 & 0xFF) # adr=33, 49 return ms def freqGen(self, no): I2C.write_byte_data(ADR5351, 3, 0xFF) # Disable All Clock I2C.write_byte_data(ADR5351, CLK0_CTL, 0b01001111) # CLK0 Power Up for reg in range(CLK0_CTL+1, CLK0_CTL+8): I2C.write_byte_data(ADR5351, reg, 0x80) # Other Clock Power Down I2C.write_i2c_block_data (ADR5351, MULN_PARAM, self.MSNA[no]) # MSNA parameter I2C.write_i2c_block_data (ADR5351, MUL0_PARAM, self.MS0[no]) # MS0 parameter readData = I2C.read_i2c_block_data (ADR5351, 42, 8) I2C.write_byte_data(ADR5351, 3, 0xFE) # CLK0 Enable def stopGen(self): I2C.write_byte_data(ADR5351, 3, 0xFF) # Disable clk0 if __name__ == "__main__": # 40kHzと60kHzの周波数発生の事例 freq40 = [15, 1, 1, 50, 1200, 1, 8] # [a, b, c, A, B, C, R] freq60 = [23, 1, 1, 50, 1200, 1, 8] # [a, b, c, A, B, C, R] # F = [a, b, c, A, B, C, R], Fxtal = 25MHz # Fvco = Fxtal*(a+b/c) = 25,000kHz*(15+1/1) = 400,000kHz # Fvco = Fxtal*(a+b/c) = 25,000kHz*(23+1/1) = 600,000kHz # Fout = Fvco/(A+B/C)/R = 400,000/(50+1200/1)/8 = 40kHz # Fout = Fvco/(A+B/C)/R = 600,000/(50+1200/1)/8 = 60kHz # MSNA40kHz = [0x00, 0x01, 0x00, 0x06, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00] # 40kHz # MSNA60kHz = [0x00, 0x01, 0x00, 0x0A, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00] # 60kHz # MS040kHz, MS060kHz = [0x00, 0x01, 0x32, 0x6F, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00] pll = PLL([freq40, freq60]) pll.freqGen(0) # 40kHz time.sleep(10) pll.freqGen(1) # 60kHz time.sleep(10) pll.stopGen()
●出力波形(40kHz/60kHz)
![40kHz波形](https://team432.jpn.org/wpress/wp-content/uploads/2023/12/40KHZ波形-1024x793.jpg)
![60kHz波形](https://team432.jpn.org/wpress/wp-content/uploads/2023/12/60KHZ波形-1024x768.jpg)