Disainipõhimõtted ja valikukaalutlused fraktsionaalsageduste jaoks kristallostsillaatorites
Riistvaraliste kellasüsteemide projekteerimisel puutuvad insenerid sageli kokku näiliselt "ebaregulaarsete" kristallostsillaatorite sagedustega, nagu 11,0592 MHz, 3,579545 MHz ja 19,6608 MHz. Neid kümnendkomponentidega sagedusi ei valita suvaliselt, vaid need on sideprotokollidel, sagedusjaotuse piirangutel ja süsteemi{5}}taseme pöördnõuetel põhinevate disainikaalutluste vältimatu tulemus. Põhiprintsiipidest lähtudes analüüsib see artikkel murdsageduste genereerimise loogikat ja pakub praktilisi sõelumismeetodeid komponentide valimiseks.
- Murdsageduspunktide projekteerimisloogika
Süsteemi kella allikana on kristallostsillaatori sageduse valik alati kohandatud nii, et see vastaks allavoolu digitaalahelate (nt PLL-id, jagajad ja jadaside) täpsetele ajastusnõuetele. Murdsageduspunktide tekkimine tuleneb peamiselt järgmistest nelja tüüpi disainipiirangutest:
1. Kohanemine UART täisarvude jaotusega, et tagada vea-tasuta jadaedastuskiirus
Jadaedastuskiirus tuletatakse süsteemi kellast täisarvude jagamise teel järgmise valemi järgi: Baadisagedus=Kellasagedus / jaotustegur
Standardsete andmeedastuskiiruste (nt 9600, 19200 või 115200 bps) täpseks genereerimiseks peab taktsagedus olema jagajaga jagatav ilma jäägita. Võttes näiteks 1,8432 MHz, pärast 16-kordset ülediskreetimist:
1,8432 MHz ÷ 16=115.2 kHz, mis võrdub 115 200 bps.
Sarnaselt on 11,0592 MHz ja 19,6608 MHz vastavalt 6 korda ja 10,666… korda 1,8432 MHz (tegelikult 11.0592=1.8432 × 6, 19.6608=1.8432 × 10,666… nõuab PLL-i), kuid sagedamini kasutatakse neid otse M5,1} CU-de taktisageduse mikrokontrollerina. sisemine UART-jagur, et genereerida jagamise kaudu kõik standardsed andmeedastuskiirused. Kui valitud on täisarv sagedus 20 MHz, ei saa seda võrdselt jagada 115 200-ga, mille tulemuseks on kumulatiivne viga ja kaadri vead või paketikadu.
2. Binaarse sagedus{1}}jaotuse arhitektuuri tugi lihtsustab kellapuu kujundamist
Selliseid sagedusi nagu 20,48 MHz, 10,24 MHz ja 5,12 MHz saab kõiki väljendada kui 2ⁿ × 10 kHz (nt 20,48 MHz=2048 × 10 kHz). Pärast nende sageduste kaskaadmist binaarse sagedusjaotuse kaudu saab luua alam{11}}kella domeenid, nagu 10,24 MHz, 5,12 MHz, 2,56 MHz, 1,28 MHz jne. See lähenemine{17}}sobib hästi sagedusjaotuse rakendamiseks kahendloendurite või nihkeregistrite abil, mille tulemuseks on lihtne vooluahela struktuur, millel on hästi-defineeritud faasisuhted ja järjepidevad ajastusvarud erinevate sagedusjaotatud kellade vahel. Neid sagedusi kasutatakse tavaliselt tööstuslikes DSP-des, PLC-des ja servoajamites baassagedustena.
3. Sünteesitud PLL-i kaudu, et vastata kiirele-side ja heli/video sämplimise standarditele
Kaasaegsed SoC-d, optilised moodulid ja videoprotsessorid sisaldavad PLL-e, mis tavaliselt kasutavad standardseid täisarvude sagedusi (nt 25 MHz või 24 MHz) võrdlusena ja genereerivad seejärel konkreetseid mittestandardseid sagedusi täisarvude jagamise, korrutamise või murdosaga. Tüüpilised näited hõlmavad järgmist:
74,25 MHz: SMPTE standardiga määratletud kõrglahutusega video diskreetimiskell, mida kasutatakse selliste vormingute jaoks nagu 1080i ja 720p;
33,1776 MHz: tavaliselt leidub helikoodekites ja lairiba RF esiotstes; kui seda kasutatakse koos PLL-iga, suudab see täpselt genereerida 44,1 kHz või 48 kHz heli diskreetimissageduse perekondi;
25,000625 MHz: teatud Etherneti PHY-d kasutavad 25 MHz kella koos murdosalise PLL-iga, et luua täpne 125 MHz jadaandmeedastuskiirus, et toetada 1 Gbps liinikiirust (pange tähele, et praktikas kasutatakse tavaliselt 25 MHz täisarvu kordajaid; see on siin toodud ainult illustratiivsel eesmärgil).
Tuleb märkida, et murdosaline sagedusjaotus toob kaasa deterministliku värina ja valesignaalid. Faasimüra suhtes tundlike rakenduste puhul tuleks eelistada sihtsagedusi, mida on võimalik saada otse täisarvuliste sageduste jagamise kaudu, või madala-müratasemega PLL-ide kasutamisele sobivalt konfigureeritud ahela ribalaiusega.
4. Ajalooliste tööstuse protokollide ja elektromagnetilise ühilduvuse kaalutluste järgimine
Ajaloolised protokollid: USB 2.0 määrab 48 MHz kiire{2}}kella; Etherneti MAC-id kasutavad 25 MHz või 125 MHz; ja reaalajakellad (RTC-d) töötavad sagedusel 32,768 kHz (2¹⁵ Hz). Need sagedused määrati kindlaks siis, kui standardid kehtestati ja on sellest ajast alates kasutusele võetud kogu tööstusahelas, muutudes de facto standarditeks.
Elektromagnetiline ühilduvus (EMC): täisarvude sageduste{0}}kõrgemat järku harmoonilised võivad kattuda toiteallika, raadiosagedusliku või traadita side ribadega, tekitades häireid. Ostsillaatori sageduse valimine fraktsionaalse komponendiga võib hajutada või nihutada harmoonilist energiat, vähendades seeläbi EMI riske ja alandades filtreerimise ja varjestuse kulusid.
- Muud olulised tegurid kristallostsillaatori valimisel
Lisaks sageduse väärtusele on valikul võrdselt olulised järgmised tehnilised tegurid:
Faasimüra ja värin
Kuigi PLL-id suudavad sünteesida mis tahes sagedust, halvendab sageduse murdjaotus märkimisväärselt lõppfaasi{0}}müra ja juhuslikku värinat. Selliste rakenduste jaoks nagu kiired -optilised moodulid, millimeeter-laineradar või 5G esiühendus, on soovitatav valida otse faasimüra spetsifikatsioonidele vastava natiivse sagedusega kristallostsillaatorid, et vältida hiljem ebapiisavaid signaali terviklikkuse piire.
Tarneaeg ja kulu
Mittestandardsed või kohandatud sagedused{0}} nõuavad tavaliselt pikki teostusaega ja suuri insenerikulusid. Vastuvõetavate jõudluse piires tuleks uurimis- ja arendustegevuse tsükli lühendamiseks ja materjalimaterjalide kulude kontrollimiseks eelistada tööstusharu-standardseid sagedusi (nagu tavalised täisarvulised sagedused, nagu 25 MHz, 27 MHz, 40 MHz ja 50 MHz, samuti käesolevas artiklis mainitud standardsed murdsagedused).
Ühilduvus kodumaiste asendusainetega
Praegu katavad kodumaised kvartskristallostsillaatorite tootjad valdava enamuse tavaliselt kasutatavatest täis- ja murdosa standardsagedustest. Seadme valimisel keskenduge toite stabiilsusele, temperatuuriomadustele (nt ±10 ppm ja ±20 ppm) ja koormusmahtuvuse parameetritele, et tagada ühilduvus hostkontrolleri kiibi kellasisendi nõuetega.
- Praktilised valikusoovitused
Esiteksmäärata süsteemi kella piirangud: loetlege kõigi välisseadmete (UART, I2S, SPI, Ethernet, USB, Video) nõutavad täpsed kellasagedused ja nende lubatud veamarginaalid.
Tuletage kristallostsillaatori põhisagedus vastupidiselt:Kui mikrokontrolleril on sisseehitatud -PLL, valige võrdluskristallostsillaator, mis on võimeline genereerima sihtsagedusi täisarvude või madala -murdjaotussuhte kaudu. Eelistage sagedusi, mille jagamissuhe on väiksem kui 100 ja nimetaja, mille aste on 2.
Kontrollige jagamise viga: Arvutage, kas jagamisviga on väiksem kui välisseadmete lubatud maksimaalne andmeedastuskiiruse / diskreetimissageduse kõrvalekalle (tavaliselt < ±2%).
Hinnake EMI riski:Tehke kõrgsageduslike{0}}harmooniliste spektraalanalüüs; vajadusel valige sageduspunkt, mis erineb täisarvude järjekorra harmoonilistest-.
Arvestage saadavust ja kulusid: täites jõudlusnõudeid, valige mudel, millel on palju turuvõimalusi, ja pakenditüüp (nt HC-49S, SMD 3,2 × 2,5 mm), mis vastab tootmisnõuetele.