Выбор правильного осциллятора для вашего микроконтроллера
Внутренний или внешний? Кварцевые или керамические? Кристальный осциллятор или кремниевый генератор? Так много вариантов синхронизации.,, какой из них подходит для вашего дизайна?
Вспомогательная информация
Микропроцессоры
Осциллирующие параметры
Каждому микроконтроллеру нужен источник синхронизации. ЦП, шина памяти, сигналы сигналов периферийных устройств повсюду внутри микроконтроллера. Они определяют скорость, с которой процессор выполняет инструкции, скорость передачи сигналов последовательной связи, количество времени, необходимое для преобразования аналого-цифрового преобразования, и многое другое.
Все это действие синхронизации возвращается к источнику тактового сигнала, а именно к осциллятору. Поэтому вам необходимо убедиться, что ваш осциллятор может поддерживать любую производительность, которую вы ожидаете от своего микроконтроллера. В то же время некоторые опции осциллятора являются более сложными или дорогостоящими, чем другие, поэтому ваш выбор осциллятора должен также отражать важность снижения стоимости и сложности, когда это возможно.
Существует несколько способов генерации тактового сигнала для микроконтроллера. Техническое описание для вашего конкретного устройства должно содержать много информации о том, какие типы осцилляторов вы можете использовать и как их реализовать таким образом, который совместим с оборудованием устройства. В этой статье мы сосредоточим внимание на преимуществах и недостатках различных источников синхронизации, чтобы вы могли лучше выбирать среди опций осциллятора, обсуждаемых в таблице данных вашего микроконтроллера.
Итак, давайте начнем со списка, а затем обсудим каждый вариант:
- внутренний
- Обычно (насколько я знаю, всегда) цепь резистор-конденсатор
- Контур фазовой автоподстройки частоты для умножения частоты
- внешний
- Часы CMOS
- кристалл
- Керамический резонатор
- Резистор-конденсатор
- Только конденсатор
Внутренние осцилляторы: опция KIS
Я сторонник принципа Keep It Simple; следовательно, у меня есть особая оценка внутренних генераторов, и я рекомендую вам использовать внутренний генератор, когда это возможно. Никаких внешних компонентов не требуется: вы можете смело предположить, что частота выбрана хорошо, поскольку генератор был спроектирован теми же людьми, которые проектировали остальную часть микроконтроллера. Кроме того, основные характеристики производительности, например, начальная точность, рабочий цикл, зависимость от температуры - (надеюсь) прямо там, в техническом паспорте.
Основным недостатком внутренних генераторов является отсутствие точности и стабильности частоты. Базовая частота зависит от значений пассивных компонентов, составляющих схему генератора, а допуски для значений этих пассивных компонентов не являются особенно плотными. Кроме того, на емкость и сопротивление влияют температура окружающей среды, поэтому внутренние RC-генераторы испытывают «дрейф» температуры, изменения температуры приводят к изменениям частоты.
По моему опыту, многие приложения могут терпеть недостатки внутреннего генератора, особенно когда частота была откалибрована на заводе. С более старыми микроконтроллерами внутренний генератор может иметь допуск так же плохо, как ± 20%. Однако более новое устройство может дать вам ± 1, 5% (или лучше), что достаточно точно для связи по RS-232 и даже (в сочетании с схемой восстановления часов) для USB.
Другой способ расширить возможности внутреннего генератора - ручная «обрезка» - если ваш микроконтроллер включает в себя регистр обрезки / калибровки, вы можете отрегулировать частоту, изменив значение в этом регистре. Это совершенно практичный метод для конструкций с небольшим количеством: просто измерьте тактовую частоту с помощью осциллографа или счетчика частоты, а затем соответствующим образом обрезайте осциллятор.
Вариантом темы внутреннего генератора является цикл с фазовой автоподстройкой (PLL). PLL позволяет низкокачественному высокоскоростному внутреннему генератору извлекать выгоду из стабильности и точности внешнего генератора. В общем, PLL не поможет вам избежать внешних компонентов, потому что для этого требуется опорная тактовая частота, которая обычно выводится из кристалла. Исключением является, однако, то, когда у вас есть высококачественные часы где-то на печатной плате, но вы не хотите использовать его для микроконтроллера, потому что он слишком медленный, вы можете использовать PLL для умножения этих часов на приемлемую частоту.
Часы CMOS
Еще одна простая функция синхронизации - так называемые «часы CMOS», которые попадают в категорию «без должного качества». «CMOS clock» - это неопределенный (хотя и удобный) способ обращения к любому сигналу синхронизации, управляемому каким-либо другим компонентом на плате. Часы CMOS - отличный вариант, если в вашем дизайне уже есть тактовый сигнал с 1) рабочей частотой и 2) электрическими характеристиками, совместимыми с микросхемой CMOS-схемы ввода-вывода микроконтроллера. Часто, однако, это не так, поэтому давайте рассмотрим два варианта генерации часов CMOS.
Во-первых, это «кварцевый генератор». Пришло время указать, что кварцевый кристалл не является осциллятором; скорее, кварцевый кристалл является центральным компонентом кварцевого кварцевого генератора, который может выглядеть примерно так:
Кристаллические осцилляторы - это удобные устройства, которые состоят из кварцевого кристалла и дополнительных схем, необходимых для создания стандартного цифрового тактового сигнала. Таким образом, вы получаете стабильность и точность кристалла, не беспокоясь о емкости нагрузки и тщательной компоновке печатной платы, необходимой для обеспечения надежной работы с автономным кристаллом.
Второй вариант - «кремниевый осциллятор». Этот термин относится к осцилляторным ИС, которые не основаны на кристаллах кварца или керамических резонаторах. Эти устройства универсальны и просты в использовании, и они могут быть довольно точными. Например, для серии LTC6930 от Linear Tech требуется только один байпасный конденсатор, и подавляющая часть деталей находится в пределах 0, 5% от номинальной частоты:
Кремниевые генераторы более надежны, чем кристаллы и керамические резонаторы, особенно в суровых условиях, подверженных ударам или вибрации. Но они также дороже.
Кварц и керамика
Когда вам нужна серьезная высокая точность и стабильность без дополнительной стоимости кристалла на основе осциллятора IC, выбирайте подход с автономным кристаллом. Части с допусками ниже 20 частей на миллион (то есть 0, 002%) легко доступны. Схема генератора, показанная выше, частично интегрирована в микроконтроллеры, которые поддерживают конфигурацию с автономным кристаллом; вам необходимо будет обеспечить правильные нагрузки конденсаторов. Суммарная емкость нагрузки (C LTOTAL) указана в спецификации кристалла, а конденсаторы нагрузки выбраны следующим образом:
(C_ {LTOTAL} = \ frac {C_ {L1} times C_ {L2}} {C_ {L1} + C_ {L2}} + C_P )
где C P представляет любую паразитную емкость. Этот расчет довольно прост на практике: выберите разумное значение для C P (скажем, 5 pF), вычтите это из C LTOTAL, затем умножьте на два. Поэтому, если техническое описание дает емкость нагрузки 18 пФ, мы имеем
(C_ {L1} = C_ {L2} = \ left (18 \ pF-5 \ pF \ right) times2 = 26 \ pF )
Керамические резонаторы менее точны, чем кристаллы; общие допуски составляют от 1000 до 5000 частей на миллион. Они могут сэкономить вам несколько центов, если вам не нужна точность кварца, но, на мой взгляд, основное преимущество заключается в том, что вы можете получить керамические резонаторы со встроенными нагрузочными конденсаторами.
Последнее и наименее.,,
Существует не так много ситуаций, которые требуют внешнего резистора-конденсатора или только конденсаторного генератора. Если по какой-то причине вы выступаете против обсуждаемых до сих пор опций внешнего генератора, выберите микроконтроллер с внутренним генератором и используйте это. Если, однако, вы решите выкопать пассив или два из вашего ящика с запасными частями, обратитесь к руководству по микроконтроллеру, чтобы узнать, как подключить и спроектировать схему генератора. Ниже приведен пример подключения компонентов, взятых из таблицы данных для микроконтроллеров C8051F12x-13x (PDF) из Silicon Labs:
И вы можете обратиться к стр. 190 (PDF) этого же описания для примера информации о выборе значений компонентов.
Вывод
Надеюсь, вы сейчас знаете достаточно, чтобы сделать осознанное, уверенное решение в следующий раз, когда вам нужно выбрать осциллятор для вашего микроконтроллера. Вот мои рекомендации в двух словах:
- Внутренний генератор по возможности
- Силиконовый осциллятор, если точность адекватна, и стоимость приемлема, иначе кристалл кварца