Načela oblikovanja in premisleki pri izbiri za frakcijske frekvence v kristalnih oscilatorjih
Pri oblikovanju sistemov strojne ure inženirji pogosto naletijo na razred navidezno "nepravilnih" frekvenc kristalnega oscilatorja, kot so 11,0592 MHz, 3,579545 MHz in 19,6608 MHz. Te frekvence z decimalnimi komponentami niso izbrane poljubno, ampak so neizogiben rezultat načrtovanja, ki temelji na komunikacijskih protokolih,-omejitev delitve frekvence in-zahtev za obratno-sistemsko raven. Izhajajoč iz temeljnih načel, ta članek analizira logiko za generiranje delnih frekvenc in ponuja praktične metode presejanja za izbiro komponent.
- Osnovna konstrukcijska logika delnih frekvenčnih točk
Kot vir sistemske ure je izbira frekvence kristalnega oscilatorja vedno prilagojena za izpolnjevanje natančnih časovnih zahtev spodnjih digitalnih vezij (kot so PLL, delilniki in serijska komunikacija). Pojav delnih frekvenčnih točk izhaja predvsem iz naslednjih štirih vrst konstrukcijskih omejitev:
1. Prilagoditev celoštevilskemu deljenju UART za zagotovitev-prostih serijskih baudnih hitrosti
Serijska hitrost prenosa je izpeljana iz sistemske ure s celoštevilskim deljenjem v skladu z naslednjo formulo: hitrost prenosa=frekvenca ure / faktor deljenja
Za natančno generiranje standardnih hitrosti prenosa (kot je 9600, 19200 ali 115200 bps) mora biti urna frekvenca deljiva z deliteljem brez ostanka. Če za primer vzamemo 1,8432 MHz po 16-kratnem nadvzorčenju:
1,8432 MHz ÷ 16=115.2 kHz, kar je enako 115200 bps.
Podobno sta 11,0592 MHz in 19,6608 MHz 6-krat oziroma 10,666 ... krat 1,8432 MHz (pravzaprav 11.0592=1.8432 × 6, 19.6608=1.8432 × 10,666 ... zahteva PLL), vendar jih je pogosteje uporabiti neposredno kot urno frekvenco za MCU-je, kot je 51 mikro{10}}krmilnik, ki notranjemu delilniku UART omogoča ustvarjanje vseh standardnih baudnih hitrosti z delitvijo. Če je izbrana celoštevilska frekvenca 20 MHz, je ni mogoče enakomerno deliti s 115.200, kar povzroči kumulativno napako in povzroči napake okvirja ali izgubo paketov.
2. Podpora za binarno frekvenčno-arhitekturo delitve poenostavlja zasnovo drevesa ure
Frekvence, kot so 20,48 MHz, 10,24 MHz in 5,12 MHz, se lahko izrazijo kot 2ⁿ × 10 kHz (npr. 20,48 MHz=2048 × 10 kHz). Po kaskadi teh frekvenc z binarno frekvenčno delitvijo je mogoče ustvariti pod-taktne domene, kot so 10,24 MHz, 5,12 MHz, 2,56 MHz, 1,28 MHz itd. Ta pristop je-primeren za izvajanje frekvenčne delitve z binarnimi števci ali premičnimi registri, kar ima za posledico preprosto strukturo vezja z dobro-definiranimi faznimi razmerji in doslednimi časovnimi rezervami med različnimi frekvenčno-deljenimi takti. Te frekvence se običajno uporabljajo kot osnovne frekvence v industrijskih DSP-jih, PLC-jih in servo pogonih.
3. Sintetizirano prek PLL za izpolnjevanje visoko{1}}komunikacijskih standardov in standardov vzorčenja zvoka/video
Sodobni SoC-ji, optični moduli in videoprocesorji vključujejo PLL-je, ki običajno uporabljajo standardne cele frekvence (kot je 25 MHz ali 24 MHz) kot referenco in nato generirajo posebne ne-standardne frekvence s celoštevilskim ali množenjem ali delnim deljenjem. Tipični primeri vključujejo:
74,25 MHz: takt vzorčenja video-visoke ločljivosti, ki ga določa standard SMPTE, ki se uporablja za formate, kot sta 1080i in 720p;
33,1776 MHz: pogosto najdemo v avdio kodekih in širokopasovnih RF vhodih-; če se uporablja s PLL, lahko natančno ustvari družine frekvence vzorčenja zvoka 44,1 kHz ali 48 kHz;
25,000625 MHz: nekateri Ethernet PHY uporabljajo takt 25 MHz z delnim PLL za generiranje natančne serijske podatkovne hitrosti 125 MHz za podporo linijske hitrosti 1 Gbps (upoštevajte, da se v praksi pogosto uporabljajo celi večkratniki 25 MHz; to je tukaj na voljo samo za ilustracijo).
Upoštevati je treba, da delna frekvenčna delitev uvaja deterministično tresenje in lažne signale. Pri aplikacijah, občutljivih na fazni šum, je treba dati prednost ciljnim frekvencam, ki jih je mogoče pridobiti neposredno s celoštevilskim frekvenčnim deljenjem, ali uporabi nizko-šumnih PLL z ustrezno konfiguriranimi pasovnimi širinami zanke.
4. Upoštevanje zgodovinskih industrijskih protokolov in premislekov o elektromagnetni združljivosti
Zgodovinski protokoli: USB 2.0 določa visoko-hitrost 48 MHz; Ethernet MAC uporablja 25 MHz ali 125 MHz; in-ure realnega časa (RTC) delujejo pri 32,768 kHz (2¹⁵ Hz). Te frekvence so bile določene ob vzpostavitvi standardov in so od takrat sprejete v celotni industrijski verigi ter postale de facto standardi.
Elektromagnetna združljivost (EMC): harmoniki višjega-reda celih frekvenc se lahko prekrivajo s pasovi napajanja, RF ali brezžične komunikacije, kar povzroča motnje. Izbira frekvence oscilatorja z delno komponento lahko razprši ali premakne harmonično energijo, s čimer se zmanjšajo tveganja EMI in znižajo stroški filtriranja in zaščite.
- Drugi ključni dejavniki pri izbiri kristalnega oscilatorja
Poleg vrednosti frekvence so za izbiro enako pomembni naslednji inženirski dejavniki:
Fazni šum in tresenje
Čeprav lahko PLL sintetizirajo katero koli frekvenco, delna frekvenčna delitev znatno zmanjša šum blizu-končne faze in naključno tresenje. Za aplikacije, kot so visoko{2}}hitri optični moduli, milimetrski-radarji ali 5G fronthaul, je priporočljivo neposredno izbrati kristalne oscilatorje z izvornimi frekvencami, ki ustrezajo specifikacijam faznega šuma, da se pozneje izognete nezadostnim mejam celovitosti signala.
Dobavni rok in stroški
Ne-nestandardne frekvence ali frekvence po meri običajno zahtevajo dolge dobavne roke in povzročajo visoke stroške inženiringa. Znotraj sprejemljivih meja zmogljivosti je treba dati prednost industrijskim-standardnim frekvencam (kot so običajne celoštevilske frekvence, kot so 25 MHz, 27 MHz, 40 MHz in 50 MHz, kot tudi standardne delne frekvence, omenjene v tem članku), da se skrajša cikel raziskav in razvoja ter nadzorujejo stroški BOM.
Združljivost z domačimi nadomestki
Trenutno domači proizvajalci kvarčnih kristalnih oscilatorjev pokrivajo veliko večino običajno uporabljenih celih in delnih standardnih frekvenc. Pri izbiri naprave se osredotočite na stabilnost napajanja, temperaturne značilnosti (kot so ±10 ppm in ±20 ppm) in parametre obremenitvene kapacitivnosti, da zagotovite združljivost z zahtevami za vhodne ure čipa gostiteljskega krmilnika.
- Praktična priporočila za izbiro
Prvič,določite omejitve sistemske ure: Navedite natančne taktne frekvence, ki jih zahtevajo vse zunanje naprave (UART, I2S, SPI, Ethernet, USB, Video) in njihove dovoljene meje napak.
Izvedite osnovno frekvenco kristalnega oscilatorja obratno:Če ima mikrokrmilnik vgrajen-napajalnik PLL, izberite referenčni kristalni oscilator, ki lahko generira ciljne frekvence s celoštevilčnim ali nizkim-delitvenim razmerjem. Dajte prednost frekvencam z delitvenim razmerjem, manjšim od 100, in imenovalcem, ki je na potenco 2.
Preverite napako pri delitvi: Izračunajte, ali je napaka delitve manjša od največjega odstopanja hitrosti prenosa/hitrosti vzorčenja, ki ga dovoljujejo periferne naprave (običajno < ±2 %).
Ocenite tveganje EMI:Izvedite spektralno analizo visoko-frekvenčnih harmonikov; po potrebi izberite frekvenčno točko, ki odstopa od harmonikov celega reda-.
Upoštevajte razpoložljivost in ceno: ob izpolnjevanju zahtev glede zmogljivosti izberite model z zadostno razpoložljivostjo na trgu in vrsto paketa (npr. HC-49S, SMD 3,2 × 2,5 mm), ki ustreza proizvodnim zahtevam.