Wie wichtig ist Ihre Mikrocontroller-Taktquelle?

Mikrocontroller sind von ihrem Taktgeber abhängig. Der Prozessor, der Bus und die Peripheriegeräte verwenden alle den Taktgeber, um ihre Operationen zu synchronisieren. Der Taktgeber bestimmt, wie schnell der Prozessor seine Anweisungen ausführt, und ist daher von grundlegender Bedeutung für die Leistung. Aber wie wichtig ist die Taktquelle? Wie hoch ist die Taktfrequenz in einem Mikrocontroller? Ist es wichtig, wie genau sie ist? Die kurze Antwort lautet, es kommt darauf an … es kommt darauf an, was der Mikrocontroller tut und welche Schnittstellen er hat.

Zwei Überlegungen müssen berücksichtigt werden: die Geschwindigkeit des Taktgebers, die bestimmt, wie schnell Dinge passieren, und die Genauigkeit des Taktgebers, die die Konsistenz des Zeitraums zwischen jedem Taktschlag bestimmt und wie sich die Taktgeschwindigkeit im Laufe der Zeit ändern kann.

Warum ist die Taktgeschwindigkeit so wichtig?

Den zentralen Prozessor des Mikrocontrollers kann man sich als synchronisierte Kette von Logikblöcken vorstellen, die eine bestimmte Funktion ausführen. Wenn der Taktgeber des Mikrocontrollers im System zu langsam läuft, dauert die Verarbeitung länger. Wenn der Taktgeber zu schnell läuft, reicht die Zeit möglicherweise nicht aus, um die erforderlichen Vorgänge abzuschließen, bevor der nächste Satz beginnt – der Prozessor ist mit einer Reihe verschiedener Komponentenblöcke verbunden, vom dynamischen Speicher bis hin zu Schnittstellenpins. Jeder signifikante Fehler in der Taktgeschwindigkeit hat unvorhersehbare Folgen für den internen Betrieb des Mikrocontrollers.

Datenauswahl

Das Mikrocontroller-Taktsignal bestimmt die Umwandlungsrate aller Analog-Digital-Operationen. Die Taktgeschwindigkeit bestimmt die maximale Rate, mit der das analoge Signal abgetastet werden kann. Die Genauigkeit des Taktgebers bestimmt die Genauigkeit der Abtastrate. Angenommen, Sie nehmen zweimal pro Sekunde eine Stichprobe mit einem Zeitstempel auf. In dem Fall dauert es nicht lange, bis ein Fehler von einem Prozent in der Taktfrequenz (nicht ungewöhnlich bei internen Oszillatoren) jede Korrelation zwischen dem Zeitstempel Ihrer Probe und der auf Ihrer Wanduhr angezeigten Zeit aufhebt. Bei einer konstanten Verschiebung der Taktquelle um 1 % weicht der Zeitstempel Ihrer Probe jeden Tag um mehr als 14 Minuten ab.

Erzeugung von Signalen

Was die Datenauswahl betrifft, so steuert das Mikrocontroller-Taktsignal die Umwandlungsrate aller Digital-Analog-Operationen. Die Taktgeschwindigkeit bestimmt die maximalen Frequenzen, die für das analoge Signal generiert werden können. Die Genauigkeit des Taktgebers bestimmt die Genauigkeit des generierten Signals.

Asynchrone serielle Kommunikation

Eine wichtige Anwendung für das Taktsignal des Mikrocontrollers ist die Verwaltung der asynchronen Kommunikation, bei der das Taktsignal bestimmt, wann der eingehende Datenstrom abgetastet wird - sobald das Startbit und das Signal des ausgehenden Datenstroms empfangen werden, d. h. wann Übergänge zwischen den einzelnen Datenbits stattfinden.

Bei asynchroner Kommunikation sind Sender und Empfänger darauf angewiesen, dass sie die gleiche Taktgeschwindigkeit für die Kodierung und Dekodierung der Datenströme haben. Diese Taktgeber müssen jedoch nicht synchronisiert werden; lediglich ihre Taktraten müssen ausreichend übereinstimmen. Dies liegt daran, dass der Empfänger mit der Verarbeitung des eingehenden Datenstroms beginnt, sobald er die erste Flanke auf der Signalleitung erkennt. Er muss dann die richtige Taktgeschwindigkeit für die Dauer des Datenstroms aufrechterhalten, um die Datenbits zum richtigen Zeitpunkt abzutasten. Die erforderliche Genauigkeit hängt vom Zeitfenster ab, in dem die Daten abgetastet werden müssen. Jedes Datenbit hat möglicherweise eine ansteigende Flanke und eine abfallende Flanke an seinem Signal, wo der Wert der Daten unbestimmt ist. So bleibt der Zeitraum zwischen den Flanken, in dem die Daten gültig sind und abgetastet werden können.

Dieser Abtastzeitraum hängt von der Art und Länge der Kommunikationsverbindung ab. Große Übertragungslängen und Kabel mit hoher Kapazität verlängern die Anstiegs- und Abfallzeiten. Das Vorhandensein von Rauschen kann auch die Zeit verlängern, die für die Stabilisierung des Signals erforderlich ist.

Auch die Taktgeschwindigkeit und das Nachrichtenformat spielen eine Rolle. Bei kurzen Datenströmen können die Anforderungen an die Genauigkeit recht locker sein, da der Abtasttakt bei jedem neuen Datenstrom zurückgesetzt wird. Bei der seriellen Hochgeschwindigkeitskommunikation mit langen Datenströmen kann die erforderliche Genauigkeit jedoch präziser werden. Zum Beispiel reagiert das CAN-Bus-Protokoll sehr empfindlich auf Systemtaktversatz, so dass die Verwendung einer nicht-quarzbasierten Taktsignalquelle problematisch sein kann.

Am Beispiel von UART-Geräten können wir sehen, dass die absolute Taktrate unwichtig ist, da sich der UART-Empfänger zu Beginn jedes Frames selbst synchronisiert. Dieser Umstand vereinfacht die Frage, welche Unterschiede zwischen der Übertragung und dem Empfang von UART-Taktgebern toleriert werden können.

Optionen für die Taktquelle

Bei der Auswahl einer Taktquelle für einen bestimmten Mikrocontroller stehen normalerweise verschiedene Optionen zur Auswahl. Die spezifischen Optionen hängen davon ab, welche Marke und welches Modell eines Mikrocontroller-Taktgebers Sie verwenden werden. Daher werden wir hier alle Standardoptionen besprechen.

Die verschiedenen Optionen unterscheiden sich hauptsächlich durch ihre Genauigkeit, ihre Kosten und die Anzahl der Komponenten. Die Verwendung einer internen Taktquelle, die in allen guten Mikrocontrollern enthalten ist, ist die billigste und am wenigsten komplizierte Option, ist aber in der Regel auch am ungenauesten. Die Verwendung einer externen Taktquelle verbessert zwar die Genauigkeit, erfordert aber zusätzliche Komponenten auf der Leiterplatte und erhöht die Komplexität Ihres Designs.

Welche Option Sie wählen, hängt davon ab, welche Leistung Sie benötigen und welche Einschränkungen Sie in Bezug auf den Platz auf der Leiterplatte und das Budget haben. Da es immer mehrere alternative Optionen gibt, um ein Taktsignal für einen bestimmten Mikrocontroller zu erzeugen, lesen Sie am besten das Datenblatt für Ihr spezielles Gerät. Dort finden Sie in der Regel gute Informationen darüber, welche Arten von Taktgebern Sie verwenden können und wie Sie diese am besten einsetzen.

Interne Oszillatoren

Mikrocontroller verfügen normalerweise über einen internen Widerstands-Kondensator-Oszillator zur Erzeugung eines grundlegenden Taktsignals und einen Phasenregelkreis, um eine Funktion zur Frequenzvervielfachung bereitzustellen. Das Problem bei der Verwendung eines internen Oszillators ist, dass er wesentlich ungenauer ist als ein externer Oszillator mit schlechter Frequenzstabilität. Das Innere eines Mikrocontroller-Chips ist per definitionem kein idealer Ort, um einen RC-Schaltkreis zu platzieren. Dies kommt von der Hochtemperaturabhängigkeit von RC-Schaltkreisen und inhärent breiten Bauteiltoleranzen. Typischerweise kann ein Mikrocontroller mit gutem Wärmemanagement ein Taktsignal mit einer Genauigkeit im Bereich von 1 % bis 5 % liefern. Dies mag für einige der langsameren asynchronen Kommunikationsbusse und für die Verwaltung der analogen Signalverarbeitung mit niedrigen Frequenzen ausreichen. In den meisten typischen Anwendungen wird dies jedoch zu ungenau sein.

Wahrscheinlich lohnt es sich, kurz zu erwähnen, dass die Leistung des internen Oszillators durch die Verwendung eines Phasenregelkreises verbessert werden kann, um ein genaueres externes Taktsignal zur Korrektur des internen Taktsignals zu ermöglichen. Wenn jedoch ein externes Taktsignal zur Verfügung steht, ist es sinnvoll, dieses anstelle des internen Takts zu verwenden; es sei denn, der Mikrocontroller unterliegt besonderen Beschränkungen, die dies verhindern würden.

Externe Oszillatoren

Taktquellen für Mikrocontroller sind in zwei Haupttypen erhältlich: mechanische Resonanzgeräte, einschließlich Quarze und Keramikresonatoren sowie passive RC-Oszillatoren.

Die einfachste Form eines Oszillators ist der RC-Schaltkreis, der den internen Oszillatorschaltkreis emuliert, aber Komponenten mit höheren Präzisionswerten verwendet und Wärmemanagementtechniken einsetzt, um die Komponenten von der durch den Mikrocontrollertakt erzeugten Wärme und anderen heißen Elementen des Schaltkreises zu isolieren. Während dies die Genauigkeit um mindestens eine Größenordnung verbessern kann, ist es bei weitem die am wenigsten genaue Option für einen externen Oszillator, und bessere Lösungen sind zu vergleichbaren Kosten und ähnlichem Platzbedarf verfügbar. Der vom RC-Schaltkreis erzeugte Takt wird auch durch Schwankungen in der Stromversorgung beeinflusst und ist anfällig für elektrische Störungen, was seine Nützlichkeit in den meisten typischen Anwendungen einschränkt.

Quarz-Oszillatoren sind die gebräuchlichste Form externer Oszillatoren, bei denen ein präzises Taktsignal erforderlich ist. Ein Quarzkristall und unterstützende Schaltungen sorgen für hervorragende Stabilität und Präzision. Ein typischer kostengünstiger Quarz-Oszillator kann eine Genauigkeit von mehr als einem Millionstel Prozent haben – mehr als genug für alle Anwendungen, die nicht zeitkritisch sind. Der Quarzkristall kann jedoch durch Umweltfaktoren beeinträchtigt werden, die möglicherweise zusätzlichen Schutz erforderlich machen. Der Stützschaltkreis für den Quarzkristall kann auch zu einem hochohmigen Ausgang führen, der eine zusätzliche Impedanzanpassung erfordert, um ihn in den Rest des Schaltkreises zu integrieren. Die Verwendung eines handelsüblichen Quarz-Oszillatormoduls anstelle diskreter Bauteile kann die Anfälligkeit für Umwelteinflüsse verringern und das Design der Leiterplatte vereinfachen, wenn Ihr Budget dies zulässt. Sie liefern in der Regel einen niederohmigen Rechteckausgang, der die Integration in die übrige Schaltung vereinfacht und eine ähnliche Genauigkeit wie ein diskreter Quarz bietet.

Eine alternative Option ist ein Silizium-Oszillator, der auf einem IC-Resonatorschaltkreis basiert und mit einer Genauigkeit von etwa 0,05 % einfach zu implementieren ist. Er ist etwas besser als ein externer RC-Schaltkreis, aber bei weitem nicht so gut wie ein Quarz-Oszillator. Silizium-Oszillatoren sind jedoch robuster und zuverlässiger als Quarz-Oszillatoren und daher ideal für Betriebsumgebungen geeignet, in denen das Gerät starken mechanischen Vibrationen ausgesetzt sein kann.

Schließlich gibt es noch Keramikresonatoren, die nicht ganz so genau sind wie ein Quarz-Oszillator, aber genauer als ein Silizium-Oszillator. Basierend auf einem piezoelektrischen Keramikmaterial verwenden sie resonante mechanische Vibrationen, um ein Taktsignal zu erzeugen. Ihr Hauptvorteil besteht darin, dass sie in einem einfachen integrierten Gehäuse mit geringerem Platzbedarf als ein Quarz-Oszillator und seine unterstützenden Komponenten geliefert werden. Wie Quarz-Oszillatoren sind sie jedoch empfindlich gegenüber Umweltfaktoren wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Vibrationen und elektrischen Störungen.

Bei der Auswahl eines externen Oszillators kann der Stromverbrauch der Optionen ein Faktor in Ihrer Entscheidung sein. Der Stromverbrauch von diskreten Oszillatorschaltungen wird hauptsächlich durch den Versorgungsstrom des Rückkopplungsverstärkers und dessen Kapazitätswerte bestimmt. Eine typische Quarz-Oszillatorschaltung verbraucht Dutzende mA. Keramische Resonatorschaltungen erfordern in der Regel größere Lastkapazitäten als Quarz-Oszillatoren, was einen höheren Stromverbrauch zur Folge hat. Der Stromverbrauch von Silizium-Oszillatoren ist hauptsächlich proportional zur Betriebsfrequenz. Dennoch gibt es eine Reihe von Optionen, von stromsparenden Geräten, die nur wenige mA verbrauchen, bis hin zu Standardgeräten, die Dutzende mA verbrauchen.

Zusammenfassung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Art des Taktsignals, das Sie für Ihren Mikrocontroller verwenden müssen, hauptsächlich von der Art des Geräts, in das er eingebettet ist, und seiner Betriebsumgebung abhängt. Schnittstellen mit asynchronen Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsbussen und analogen Hochfrequenzsignalen erhöhen die Notwendigkeit eines genauen Taktsignals. Angenommen, das Gerät muss in einer rauen Umgebung betrieben werden, sei es in einem großen Temperaturbereich, bei starken elektromagnetischen Störungen oder mechanischen Vibrationen. In diesem Fall sind die verfügbaren Auswahlmöglichkeiten eingeschränkt. Ein Mikrocontroller-Taktgeber, der keine derartigen zeit- oder umweltabhängigen Anforderungen stellt, kann mit einer billigeren Lösung davonkommen.

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