Αρχές Σχεδιασμού και Θέματα Επιλογής για κλασματικές συχνότητες σε κρυσταλλικούς ταλαντωτές
Στο σχεδιασμό συστημάτων ρολογιού υλικού, οι μηχανικοί συχνά συναντούν μια κατηγορία φαινομενικά «ακανόνιστες» συχνότητες κρυσταλλικών ταλαντωτών, όπως 11,0592 MHz, 3,579545 MHz και 19,6608 MHz. Αυτές οι συχνότητες με δεκαδικά στοιχεία δεν επιλέγονται αυθαίρετα, αλλά είναι το αναπόφευκτο αποτέλεσμα μελετών σχεδιασμού που βασίζονται σε πρωτόκολλα επικοινωνίας, περιορισμούς διαίρεσης συχνότητας-και αντίστροφων απαιτήσεων σε επίπεδο συστήματος-. Ξεκινώντας από τις θεμελιώδεις αρχές, αυτό το άρθρο αναλύει τη λογική πίσω από τη δημιουργία κλασματικών συχνοτήτων και παρέχει πρακτικές μεθόδους διαλογής για την επιλογή εξαρτημάτων.
- Λογική σχεδίασης πυρήνα σημείων κλασματικής συχνότητας
Ως πηγή ρολογιού του συστήματος, η επιλογή συχνότητας του κρυσταλλικού ταλαντωτή είναι πάντα προσαρμοσμένη ώστε να ανταποκρίνεται στις ακριβείς απαιτήσεις χρονισμού των κατάντη ψηφιακών κυκλωμάτων (όπως PLL, διαχωριστές και σειριακή επικοινωνία). Η εμφάνιση σημείων κλασματικής συχνότητας πηγάζει κυρίως από τους ακόλουθους τέσσερις τύπους περιορισμών σχεδιασμού:
1.Προσαρμογή στο UART Integer Division για διασφάλιση σφαλμάτων-Δωρεάν σειριακά ποσοστά Baud
Ο σειριακός ρυθμός baud προέρχεται από το ρολόι του συστήματος μέσω διαίρεσης ακεραίων, σύμφωνα με τον ακόλουθο τύπο: Ρυθμός Baud=Συχνότητα ρολογιού / Συντελεστής διαίρεσης
Για να δημιουργήσετε με ακρίβεια τυπικούς ρυθμούς baud (όπως 9600, 19200 ή 115200 bps), η συχνότητα ρολογιού πρέπει να διαιρείται με τον διαιρέτη χωρίς υπόλοιπο. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα τα 1,8432 MHz, μετά από 16-πλάσια διαίρεση υπερδειγματοληψίας:
1,8432 MHz ÷ 16=115.2 kHz, που ισούται με 115200 bps.
Ομοίως, τα 11,0592 MHz και τα 19,6608 MHz είναι 6 φορές και 10,666… επί 1,8432 MHz, αντίστοιχα (στην πραγματικότητα, 11.0592=1.8432 × 6, 19.6608=1.8432 × 10,666… απαιτεί μια τέτοια συχνότητα για να τα χρησιμοποιήσει κανείς άμεσα για το CU5) μικρο{10}}ελεγκτής, που επιτρέπει στον εσωτερικό διαιρέτη UART να δημιουργεί όλους τους τυπικούς ρυθμούς baud μέσω διαίρεσης. Εάν επιλεγεί μια ακέραια συχνότητα 20 MHz, δεν μπορεί να διαιρεθεί ομοιόμορφα με το 115.200, με αποτέλεσμα σωρευτικό σφάλμα και πρόκληση σφαλμάτων πλαισίου ή απώλεια πακέτων.
2.Η υποστήριξη για μια αρχιτεκτονική διαίρεσης δυαδικών συχνοτήτων- απλοποιεί τον σχεδιασμό του δέντρου ρολογιού
Συχνότητες όπως 20,48 MHz, 10,24 MHz και 5,12 MHz μπορούν όλες να εκφραστούν ως 2ⁿ × 10 kHz (π.χ. 20,48 MHz=2048 × 10 kHz). Μετά τον καταρράκτη αυτών των συχνοτήτων μέσω της διαίρεσης δυαδικής συχνότητας, μπορούν να δημιουργηθούν υπό{11}}τομείς ρολογιού όπως 10,24 MHz, 5,12 MHz, 2,56 MHz, 1,28 MHz κ.λπ. Αυτή η προσέγγιση είναι κατάλληλη-για την εφαρμογή διαίρεσης συχνότητας χρησιμοποιώντας δυαδικούς μετρητές ή καταχωρητές μετατόπισης, με αποτέλεσμα μια απλή δομή κυκλώματος με{18}}καλά καθορισμένες σχέσεις φάσης και σταθερά περιθώρια χρονισμού μεταξύ των διαφόρων διαιρεμένων ρολογιών συχνότητας-. Αυτές οι συχνότητες χρησιμοποιούνται συνήθως ως βασικές συχνότητες σε βιομηχανικούς DSP, PLC και σερβομηχανισμούς.
3.Σύνθεση μέσω PLL για να πληροί-πρότυπα υψηλής ταχύτητας επικοινωνίας και δειγματοληψίας ήχου/εικόνας
Τα σύγχρονα SoC, οι οπτικές μονάδες και οι επεξεργαστές βίντεο ενσωματώνουν PLL, τα οποία συνήθως χρησιμοποιούν τυπικές ακέραιες συχνότητες (όπως 25 MHz ή 24 MHz) ως αναφορά και στη συνέχεια δημιουργούν συγκεκριμένες μη-τυπικές συχνότητες μέσω διαίρεσης ή πολλαπλασιασμού ή κλασματικής διαίρεσης. Τυπικά παραδείγματα περιλαμβάνουν:
74,25 MHz: Το ρολόι δειγματοληψίας βίντεο υψηλής-ευκρίνειας που ορίζεται από το πρότυπο SMPTE, που χρησιμοποιείται για μορφές όπως 1080i και 720p.
33,1776 MHz: Βρίσκεται συνήθως σε κωδικοποιητές ήχου και ευρυζωνικές μπροστινές άκρες RF-. Όταν χρησιμοποιείται με PLL, μπορεί να δημιουργήσει με ακρίβεια τις οικογένειες ρυθμών δειγματοληψίας ήχου 44,1 kHz ή 48 kHz.
25.000625 MHz: Ορισμένα PHY Ethernet χρησιμοποιούν ένα ρολόι 25 MHz με κλασματικό PLL για να δημιουργήσουν έναν ακριβή ρυθμό σειριακών δεδομένων 125 MHz για να υποστηρίξουν έναν ρυθμό γραμμής 1 Gbps (σημειώστε ότι ακέραια πολλαπλάσια των 25 MHz χρησιμοποιούνται συνήθως στην πράξη. Αυτό παρέχεται εδώ μόνο για τον σκοπό).
Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η διαίρεση κλασματικής συχνότητας εισάγει ντετερμινιστικά jitter και ψευδή σήματα. Για εφαρμογές ευαίσθητες στο θόρυβο φάσης, θα πρέπει να δοθεί προτεραιότητα σε συχνότητες στόχου που μπορούν να ληφθούν απευθείας μέσω διαίρεσης ακέραιων συχνοτήτων ή στη χρήση PLL χαμηλού{1}}θορύβου με κατάλληλα διαμορφωμένα εύρη ζώνης βρόχου.
4. Τήρηση των Ιστορικών Πρωτοκόλλων Βιομηχανίας και των Θεμάτων EMC
Ιστορικά πρωτόκολλα: Το USB 2.0 καθορίζει ένα ρολόι υψηλής ταχύτητας 48 MHz-. Τα MAC Ethernet χρησιμοποιούν 25 MHz ή 125 MHz. και τα ρολόγια πραγματικού χρόνου (RTC) λειτουργούν στα 32,768 kHz (215 Hz). Αυτές οι συχνότητες καθορίστηκαν κατά τη θέσπιση των προτύπων και έκτοτε υιοθετήθηκαν σε ολόκληρη την αλυσίδα του κλάδου, και έγιναν de facto πρότυπα.
Ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα (EMC): Αρμονικές υψηλότερης τάξης-ακέραιων συχνοτήτων ενδέχεται να επικαλύπτονται με ζώνες τροφοδοσίας, ραδιοσυχνοτήτων ή ασύρματης επικοινωνίας, εισάγοντας παρεμβολές. Η επιλογή μιας συχνότητας ταλαντωτή με μια κλασματική συνιστώσα μπορεί να διασκορπίσει ή να μετατοπίσει την αρμονική ενέργεια, μειώνοντας έτσι τους κινδύνους EMI και μειώνοντας το κόστος του φιλτραρίσματος και της θωράκισης.
- Άλλοι Βασικοί Παράγοντες στην Επιλογή Ταλαντωτών Κρυστάλλων
Εκτός από την τιμή της συχνότητας, οι ακόλουθοι μηχανικοί παράγοντες είναι εξίσου σημαντικοί για την επιλογή:
Phase Noise and Jitter
Αν και τα PLL μπορούν να συνθέσουν οποιαδήποτε συχνότητα, η κλασματική διαίρεση συχνότητας υποβαθμίζει σημαντικά τον θόρυβο-τελικής φάσης και το τυχαίο jitter. Για εφαρμογές όπως οπτικές μονάδες υψηλής ταχύτητας-, ραντάρ κυμάτων χιλιοστών{{3} ή fronthaul 5G, συνιστάται η απευθείας επιλογή κρυσταλλικών ταλαντωτών με εγγενείς συχνότητες που πληρούν τις προδιαγραφές θορύβου φάσης για να αποφευχθούν αργότερα ανεπαρκή περιθώρια ακεραιότητας σήματος.
Χρόνος παράδοσης και κόστος
Οι μη-μη τυπικές ή προσαρμοσμένες συχνότητες απαιτούν συνήθως μεγάλους χρόνους παράδοσης και συνεπάγονται υψηλό κόστος μηχανικής. Εντός των αποδεκτών ορίων απόδοσης, θα πρέπει να δίνεται προτεραιότητα στις τυπικές συχνότητες του κλάδου- (όπως κοινές ακέραιες συχνότητες όπως 25 MHz, 27 MHz, 40 MHz και 50 MHz, καθώς και στις τυπικές κλασματικές συχνότητες που αναφέρονται σε αυτό το άρθρο) για να μειωθεί και να ελεγχθεί το κόστος R&D.
Συμβατότητα με εγχώρια υποκατάστατα
Επί του παρόντος, οι εγχώριοι κατασκευαστές ταλαντωτών κρυστάλλων χαλαζία καλύπτουν τη συντριπτική πλειοψηφία των κοινώς χρησιμοποιούμενων ακέραιων και κλασματικών τυπικών συχνοτήτων. Όταν επιλέγετε μια συσκευή, εστιάστε στη σταθερότητα τροφοδοσίας, στα χαρακτηριστικά θερμοκρασίας (όπως ±10 ppm και ±20 ppm) και στις παραμέτρους χωρητικότητας φορτίου για να διασφαλίσετε τη συμβατότητα με τις απαιτήσεις εισόδου ρολογιού του κεντρικού τσιπ ελεγκτή.
- Πρακτικές συστάσεις επιλογής
Πρώτα,προσδιορίζει τους περιορισμούς του ρολογιού του συστήματος: Αναφέρετε τις ακριβείς συχνότητες ρολογιού που απαιτούνται από όλα τα περιφερειακά (UART, I2S, SPI, Ethernet, USB, Βίντεο) και τα επιτρεπόμενα περιθώρια σφάλματος.
Εξάγετε αντίστροφα τη θεμελιώδη συχνότητα του ταλαντωτή κρυστάλλου:Εάν ο μικροελεγκτής έχει ενσωματωμένο-PLL, επιλέξτε έναν ταλαντωτή κρυστάλλου αναφοράς ικανό να παράγει τις στοχευόμενες συχνότητες μέσω ακέραιων ή χαμηλών-αναλογιών κλασματικής διαίρεσης. Δώστε προτεραιότητα σε συχνότητες με λόγο διαίρεσης μικρότερο από 100 και παρονομαστή ισχύ 2.
Επαληθεύστε το σφάλμα διαίρεσης: Υπολογίστε εάν το σφάλμα διαίρεσης είναι μικρότερο από τη μέγιστη απόκλιση ρυθμού baud/ρυθμού δειγματοληψίας που επιτρέπεται από τα περιφερειακά (συνήθως < ±2%).
Αξιολογήστε τον κίνδυνο EMI:Εκτελέστε μια φασματική ανάλυση αρμονικών υψηλής-συχνότητας. εάν είναι απαραίτητο, επιλέξτε ένα σημείο συχνότητας που αποκλίνει από τις αρμονικές ακέραιων-τάξεων.
Λάβετε υπόψη τη διαθεσιμότητα και το κόστος: Ενώ πληροίτε τις απαιτήσεις απόδοσης, επιλέξτε ένα μοντέλο με άφθονη διαθεσιμότητα στην αγορά και έναν τύπο συσκευασίας (π.χ. HC-49S, SMD 3,2 × 2,5 mm) που πληροί τις απαιτήσεις παραγωγής.