¿Qué importancia tiene la fuente de reloj del microcontrolador?

Los microcontroladores están condicionados por su fuente de reloj. El procesador, el bus y los periféricos utilizan el reloj para sincronizar sus operaciones. El reloj determina la rapidez con la que se ejecutan las instrucciones del procesador, por lo que es fundamental para el rendimiento. Pero ¿hasta qué punto es importante la fuente de reloj de un microcontrolador? ¿Qué es la frecuencia de reloj en un microcontrolador? ¿Importa su precisión? La respuesta corta es que depende de la actividad del microcontrolador y de sus interfaces.

Hay que tener en cuenta dos aspectos: la velocidad del reloj, que determina lo rápido que suceden las cosas, y su precisión, que determina la regularidad del periodo entre cada tic del reloj y cómo la velocidad del reloj puede cambiar con el tiempo.

Por qué es importante la fuente de reloj en un microcontrolador

El procesador central del microcontrolador se puede considerar como una cadena sincronizada de bloques lógicos que realizan una función determinada. Si el reloj del microcontrolador del sistema funciona demasiado lento, el procesamiento necesitará más tiempo. Si el reloj va demasiado rápido, puede que no haya tiempo suficiente para completar las operaciones necesarias antes de que comience la siguiente serie, ya que el procesador interactúa con una serie de bloques de componentes diferentes, desde la memoria dinámica hasta los pines de la interfaz. Cualquier error relevante en la velocidad del reloj tendrá consecuencias impredecibles para las operaciones internas del microcontrolador.

Muestreo de datos

La señal del reloj del microcontrolador regirá la tasa de conversión de cualquier operación de analógico a digital. La velocidad del reloj determinará la velocidad máxima a la que se puede muestrear la señal analógica. La precisión del reloj determinará la precisión del valor de muestreo. Supón que registras una muestra dos veces por segundo con una marca de tiempo. En ese caso, no pasará mucho tiempo antes de que un error del 1% en la frecuencia del reloj (nada infrecuente con los osciladores internos) elimine cualquier correlación entre la marca de tiempo de la muestra y el tiempo real. Con una desviación constante del 1% con respecto a la fuente del reloj, la marca de tiempo de la muestra quedará desfasada más de 14 minutos al día.

Generación de formas de onda

En cuanto al muestreo de datos, la señal del reloj del microcontrolador regirá la tasa de conversión de cualquier operación que vaya de digital a analógica. La velocidad del reloj determinará las frecuencias máximas que se pueden generar para la señal analógica. La precisión del reloj determinará la precisión de la forma de onda generada.

Comunicaciones en serie asíncronas

Una aplicación fundamental de la señal de reloj del microcontrolador será gestionar las comunicaciones asíncronas, en las que la señal de reloj determina cuándo se muestrea el flujo de datos entrante, una vez recibido el bit de inicio, y la forma de onda del flujo de datos saliente en términos de cuándo se producen las transiciones entre cada bit de datos.

Con las comunicaciones asíncronas, el transmisor y el receptor dependen de tener la misma velocidad de reloj para codificar y decodificar los flujos de datos. Sin embargo, estos relojes no necesitan estar sincronizados, solo necesitan tener frecuencias de reloj suficientemente similares. Esto se debe a que el receptor comienza a procesar el flujo de datos entrantes al detectar el primer flanco en la línea de señal. A partir de ahí, se debe mantener la velocidad de reloj correcta durante todo el flujo de datos para muestrear los bits de datos en el momento adecuado. La precisión requerida dependerá del intervalo en el que se deban muestrear los datos. Cada bit de datos tendrá potencialmente un flanco ascendente y un flanco descendente en su señal, en los que el valor de los datos es indeterminado, dejando el intervalo entre flancos en el que los datos son válidos y se pueden muestrear.

Este periodo de muestreo dependerá del tipo y la duración del enlace de comunicaciones. Las longitudes de transmisión largas y los cables con una alta capacitancia aumentarán los tiempos de subida y bajada. La presencia de ruido también puede aumentar el tiempo necesario para que la señal se estabilice.

También dependerá de la velocidad del reloj y del formato del mensaje. Para flujos de datos cortos, los requisitos de precisión pueden ser bastante relajados, ya que el reloj de muestreo se reinicia cada vez que se recibe un nuevo flujo de datos. Sin embargo, para comunicaciones en serie de alta velocidad con flujos de datos largos, la precisión requerida puede ser más alta. Por ejemplo, el protocolo de bus CAN hace que sea muy sensible al sesgo del reloj del sistema, de manera que el uso de cualquier fuente de señal de reloj no basada en cristales puede resultar problemático.

Tomando el ejemplo de los dispositivos UART, podemos ver que la frecuencia de reloj absoluta no es relevante porque el receptor UART se sincroniza al comienzo de cada cuadro. Esta cuestión simplifica qué diferencias entre los relojes UART de transmisión y recepción se pueden tolerar.

Opciones de fuente de reloj

Por lo general, hay algunas opciones entre las que elegir al seleccionar una fuente de reloj para cualquier microcontrolador. Las opciones concretas dependerán de la marca y el modelo del reloj del microcontrolador que vayas a utilizar, de modo que trataremos todas las opciones estándar.

Las distintas opciones se diferencian principalmente por su precisión, coste y número de componentes. Usar la fuente de reloj interna, que todos los buenos microcontroladores incluyen, será la opción más económica y menos complicada, pero normalmente será la menos precisa. El uso de una fuente de reloj externa mejorará la precisión, pero a costa de requerir que se añadan componentes adicionales a la placa, aumentando así la complejidad del diseño.

La opción que selecciones vendrá determinada por el rendimiento que necesites y las restricciones que tengas en términos de espacio en la placa y presupuesto. Ya que siempre hay varias alternativas para generar una señal de reloj para cualquier microcontrolador, vale la pena estudiar bien la hoja de datos de tu dispositivo. De ese modo, podrás recabar información muy útil sobre los tipos de fuentes de reloj que puedes utilizar en un microcontrolador y la mejor forma de aplicarlas.

Osciladores internos

Los microcontroladores generalmente vienen con un oscilador de resistencia-condensador interno para generar una señal de reloj básica y un bucle de enganche de fase a fin de proporcionar una función multiplicadora de frecuencia. El problema del uso de un oscilador interno es que son significativamente menos precisos que los osciladores externos con poca estabilidad de frecuencia. El interior de un chip microcontrolador es, por definición, un lugar poco adecuado para ubicar cualquier circuito RC. Esto se debe a la dependencia a altas temperaturas de los circuitos RC y a las tolerancias intrínsecamente amplias de los componentes. Por lo general, un microcontrolador con una buena gestión térmica puede proporcionar una señal de reloj con una precisión de entre el 1% y el 5%. Esto puede ser suficiente para algunos de los buses de comunicaciones asíncronos más lentos y para gestionar el procesamiento de señales analógicas de baja frecuencia. Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones más comunes, será demasiado inexacto.

Vale la pena mencionar brevemente que el rendimiento del oscilador interno se puede mejorar utilizando un bucle de enganche de fase para permitir una señal del reloj externo más precisa con la idea de corregir la señal del reloj interno. Sin embargo, si hay disponible una señal de reloj externa, tiene sentido usarla en lugar del reloj interno, a menos que el microcontrolador tenga restricciones específicas que lo impidan.

Osciladores externos

Hay dos tipos principales de fuentes de reloj para microcontroladores: los dispositivos mecánicos resonantes, como cristales y resonadores cerámicos, y los osciladores RC pasivos.

La forma más básica del oscilador es el circuito RC, que emula el circuito oscilador interno, pero utiliza componentes con valores de mayor precisión y técnicas de gestión térmica para aislar a los componentes del calor generado por el reloj del microcontrolador, así como de cualquier otro elemento caliente del circuito. Aunque esto puede mejorar la precisión en al menos un orden de magnitud, es, con diferencia, la opción menos precisa para un oscilador externo y existen soluciones mejores por un coste y tamaño de footprint comparativamente similares. El reloj generado por el circuito RC también se verá afectado por las fluctuaciones a nivel de la fuente de alimentación y será susceptible a las interferencias eléctricas, lo que limita su utilidad en la mayoría de las aplicaciones más habituales.

Los osciladores de cristal son la forma más común de osciladores externos cuando se requiere una señal de reloj muy precisa. Un cristal de cuarzo y la circuitería asociada a este proporcionan una estabilidad y precisión excelentes. Un oscilador de cristal típico de bajo coste puede tener una precisión superior a una millonésima por ciento, más que suficiente para todas las aplicaciones, salvo las más sensibles al tiempo. Sin embargo, el cristal de cuarzo puede verse afectado por factores ambientales que pueden requerir protección adicional. La circuitería del cristal de cuarzo también puede dar como resultado una salida de alta impedancia que requiera un emparejamiento de impedancia adicional a fin de integrarse con el resto del circuito. El uso de un módulo oscilador de cristal estándar en lugar de componentes discretos puede reducir la susceptibilidad a los efectos ambientales y hacer que el diseño de la placa sea más sencillo, siempre y cuando el presupuesto lo permita. Generalmente, proporcionan una salida de onda cuadrada de baja impedancia que simplifica la integración con el resto del diseño del circuito con una precisión muy similar al uso de un cristal discreto.

Una opción alternativa es un oscilador de silicio basado en un circuito resonador de CI, que es fácil de instalar y tiene una precisión aproximada del 0,05%. Es ligeramente mejor que un circuito RC externo, pero no tan bueno como un oscilador de cristal. Sin embargo, los osciladores de silicio son más resistentes y fiables que los de cristal y son ideales para entornos operativos en los que el dispositivo podría estar sujeto a vibraciones mecánicas importantes.

Finalmente, existen resonadores cerámicos, que son menos precisos que un oscilador de cristal, pero más que uno de silicio. Sobre la base de un material cerámico piezoeléctrico, utilizan vibraciones mecánicas resonantes para generar una señal de reloj. Su principal ventaja es que vienen en un paquete integrado simple con una footprint menor que la de un oscilador de cristal junto con sus componentes. Sin embargo, del mismo modo que ocurre con los osciladores de cristal, son sensibles a los factores ambientales, como la temperatura, la humedad, las vibraciones o las interferencias eléctricas.

Con un oscilador externo, dependiendo de cada opción, el consumo de energía puede ser un factor determinante. El consumo de energía de los circuitos osciladores discretos viene determinado principalmente por la corriente de alimentación del amplificador de retroalimentación y sus valores de capacitancia. Un circuito oscilador de cristal típico tendrá un consumo del orden de las decenas de mA. Los circuitos de resonadores cerámicos suelen requerir de mayores valores de capacitancia de carga que los que se necesitan para los osciladores de cristal, por lo que requerirán más potencia. El consumo de energía de los osciladores de silicio es, en gran medida, proporcional a la frecuencia de funcionamiento. Aún así, existen diversas opciones, desde dispositivos de bajo consumo, que solo necesitan de unos pocos mA para funcionar, hasta dispositivos estándar que consumen decenas de mA.

Conclusión

En resumen, el tipo de señal de reloj que necesitarás en tu microcontrolador dependerá principalmente de la naturaleza del dispositivo en el que esté integrado y de su entorno operativo. Las interfaces con buses de comunicaciones asíncronos de alta velocidad y señales analógicas de alta frecuencia exigirán una señal de reloj de gran precisión. Supongamos que el dispositivo debe funcionar en un entorno hostil, ya sea a un intervalo de temperaturas muy amplio, a altos niveles de interferencia electromagnética o en presencia de vibraciones mecánicas. En una situación así, las opciones disponibles pueden quedar limitadas. Puedes utilizar una solución de reloj de microcontrolador más económica en aquellos casos en los que la precisión o las condiciones del entorno de funcionamiento no sean tan exigentes.

Si quieres obtener más información, dirígete a nuestra página de productos para obtener una descripción más detallada de las características o ponte en contacto con un experto de Altium.