Принципи проектування та міркування щодо вибору для дробових частот у кристалічних осциляторах
При розробці систем апаратного годинника інженери часто стикаються з класом, здавалося б, «нерегулярних» частот кристалічного генератора, таких як 11,0592 МГц, 3,579545 МГц і 19,6608 МГц. Ці частоти з десятковими компонентами не вибираються довільно, а є неминучим результатом проектних міркувань на основі протоколів зв’язку, обмежень-поділу частот і-вимог до зворотного-системного рівня. Починаючи з фундаментальних принципів, у цій статті аналізується логіка генерації дробових частот і надаються практичні методи перевірки для вибору компонентів.
- Основна логіка проектування точок дробової частоти
Вибір частоти кварцевого генератора як джерела системного тактового сигналу завжди налаштований таким чином, щоб відповідати точним вимогам синхронізації низхідних цифрових схем (таких як PLL, дільники та послідовний зв’язок). Поява точок дробової частоти в основному пов’язана з наступними чотирма типами проектних обмежень:
1. Адаптація до цілочисельного ділення UART для забезпечення-безкоштовних послідовних швидкостей передачі даних
Швидкість послідовної передачі даних виходить із системного годинника шляхом цілочисельного ділення за такою формулою: Швидкість передачі=Тактова частота / Коефіцієнт ділення
Щоб точно генерувати стандартні швидкості передачі (наприклад, 9600, 19200 або 115200 біт/с), тактова частота має ділитися на дільник без залишку. Візьмемо для прикладу 1,8432 МГц після 16-кратного передискретизації:
1,8432 МГц ÷ 16=115.2 кГц, що дорівнює 115200 біт/с.
Подібним чином, 11,0592 МГц і 19,6608 МГц у 6 разів і 10,666… помножені на 1,8432 МГц, відповідно (насправді 11.0592=1.8432 × 6, 19.6608=1.8432 × 10,666… вимагає PLL), але більш поширеним є використання їх безпосередньо як тактової частоти для мікроконтролерів, таких як 51 мікро-контролер, що дозволяє внутрішньому дільнику UART генерувати всі стандартні швидкості передачі через ділення. Якщо вибрано цілу частоту 20 МГц, її неможливо рівномірно розділити на 115 200, що призведе до сукупної помилки та помилок кадрів або втрати пакетів.
2.Підтримка двійкової частотної-архітектури поділу спрощує структуру тактового дерева
Такі частоти, як 20,48 МГц, 10,24 МГц і 5,12 МГц, можна виразити як 2ⁿ × 10 кГц (наприклад, 20,48 МГц=2048 × 10 кГц). Після каскадування цих частот за допомогою двійкового частотного поділу можуть бути згенеровані суб{11}}області синхронізації, такі як 10,24 МГц, 5,12 МГц, 2,56 МГц, 1,28 МГц тощо. Цей підхід добре-підходить для впровадження частотного поділу за допомогою двійкових лічильників або регістрів зсуву, що призводить до простої структури схеми з чітко-визначеними фазовими співвідношеннями та узгодженими часовими запасами між різними-тактовими частотами. Ці частоти зазвичай використовуються як базові частоти в промислових DSP, ПЛК і сервоприводах.
3. Синтезується за допомогою PLL для відповідності високо{1}}стандартам зв’язку та дискретизації аудіо/відео
Сучасні SoC, оптичні модулі та відеопроцесори включають PLL, які зазвичай використовують стандартні цілі частоти (наприклад, 25 МГц або 24 МГц) як еталонні, а потім генерують певні не-стандартні частоти шляхом цілочисельного ділення, множення або дробового ділення. Типові приклади:
74,25 МГц: частота дискретизації відео високої{1}} роздільної здатності, визначена стандартом SMPTE, що використовується для таких форматів, як 1080i та 720p;
33,1776 МГц: зазвичай зустрічається в аудіокодеках і широкосмугових радіочастотних інтерфейсах-; при використанні з PLL він може точно генерувати сімейства частот дискретизації звуку 44,1 кГц або 48 кГц;
25,000625 МГц: деякі Ethernet PHY використовують тактовий сигнал 25 МГц із дробовою системою PLL для генерації точної послідовної швидкості передачі даних 125 МГц для підтримки швидкості лінії зв’язку 1 Гбіт/с (зверніть увагу, що на практиці зазвичай використовуються цілі числа, кратні 25 МГц; це надається тут лише для ілюстрації).
Слід зазначити, що дробовий поділ частоти вводить детермінований джиттер і паразитні сигнали. Для додатків, чутливих до фазового шуму, пріоритет слід надавати цільовим частотам, які можна отримати безпосередньо шляхом цілочисельного ділення частоти, або використанню низько-шумових ФАПЧ із відповідно налаштованою смугою пропускання петлі.
4. Дотримання історичних галузевих протоколів і міркувань EMC
Історичні протоколи: USB 2.0 визначає високу-тактову частоту 48 МГц; Ethernet MAC використовує 25 МГц або 125 МГц; і -годинники реального часу (RTC) працюють на частоті 32,768 кГц (2¹⁵ Гц). Ці частоти були зафіксовані під час створення стандартів і з тих пір були прийняті в усьому ланцюжку промисловості, ставши стандартами де-факто.
Електромагнітна сумісність (EMC): гармоніки вищого -порядку цілих частот можуть накладатися на частоти джерела живлення, радіочастот або бездротового зв’язку, створюючи перешкоди. Вибір частоти осцилятора з дробовою складовою може розсіювати або зміщувати гармонічну енергію, тим самим зменшуючи ризики електромагнітних перешкод і знижуючи витрати на фільтрацію та екранування.
- Інші ключові фактори при виборі кварцевого генератора
Крім значення частоти, для вибору не менш важливі такі інженерні фактори:
Фазовий шум і джиттер
Незважаючи на те, що ФАПЧ може синтезувати будь-яку частоту, дробовий поділ частоти значно погіршує -кінцевий фазовий шум і випадкове тремтіння. Для таких додатків, як високошвидкісні-оптичні модулі, радари міліметрового-хвиль або фронтальна мережа 5G, рекомендується безпосередньо вибирати кристалічні генератори з власними частотами, які відповідають специфікаціям фазового шуму, щоб уникнути недостатніх запасів цілісності сигналу пізніше.
Час і вартість
Не-стандартні або користувальницькі частоти зазвичай вимагають тривалого часу виконання та спричиняють високі витрати на техніку. У прийнятних межах продуктивності пріоритет слід надавати-стандартним галузевим частотам (таким як загальні цілі частоти, як-от 25 МГц, 27 МГц, 40 МГц і 50 МГц, а також стандартні часткові частоти, згадані в цій статті), щоб скоротити цикл дослідження та розробки та контролювати витрати на BOM.
Сумісність з вітчизняними замінниками
В даний час вітчизняні виробники кварцових генераторів охоплюють переважну більшість широко використовуваних цілих і дробових стандартних частот. Вибираючи пристрій, зосередьтеся на стабільності живлення, температурних характеристиках (наприклад, ±10 ppm і ±20 ppm) і параметрах ємності навантаження, щоб забезпечити сумісність із вимогами до тактового входу мікросхеми головного контролера.
- Практичні рекомендації щодо вибору
по-перше,визначити обмеження системного годинника: Перелічіть точні тактові частоти, необхідні для всіх периферійних пристроїв (UART, I2S, SPI, Ethernet, USB, Video), і їх допустимі межі похибок.
Отримайте основну частоту кристалічного генератора у зворотному порядку:Якщо мікроконтролер має вбудовану-ФАПЧ, виберіть еталонний кристалічний генератор, здатний генерувати цільові частоти за допомогою цілого або низького-дробового коефіцієнта ділення. Надавайте перевагу частотам із коефіцієнтом ділення менше ніж 100 і знаменником, який є ступенем 2.
Перевірте помилку ділення: обчисліть, чи є помилка розподілу меншою за максимальну швидкість передачі/частоти дискретизації, дозволену периферійними пристроями (зазвичай < ±2%).
Оцініть ризик EMI:Виконайте спектральний аналіз високочастотних-гармонік; якщо необхідно, виберіть точку частоти, яка відхиляється від гармонік цілого-порядку.
Враховуйте доступність і вартість: дотримуючись вимог щодо продуктивності, виберіть модель із достатньою доступністю на ринку та тип упаковки (наприклад, HC-49S, SMD 3,2 × 2,5 мм), який відповідає виробничим вимогам.