Насколько важен источник тактовых импульсов микроконтроллера?

Работа микроконтроллеров зависит от их источников тактовых импульсов. Процессор, шина и периферийные устройства используют тактовый генератор для синхронизации операций. Тактовый генератор имеет огромное значение: он определяет, насколько быстро процессор выполняет инструкции. Но насколько важен источник тактовых импульсов? Что такое тактовая частота в микроконтроллере? Имеет ли значение ее точность? Краткий ответ: это зависит от того, какие операции выполняет микроконтроллер и какие интерфейсы использует.

Необходимо принять во внимание два фактора: тактовую частоту, которая определяет, насколько быстро выполняются операции, точность тактового генератора, которая определяет точность периода до каждого следующего тактового импульса, и изменение тактовой частоты со временем.

Почему источник тактовых импульсов имеет большое значение

Центральный процессор микроконтроллера можно представить в виде синхронизированной цепочки логических блоков, которые выполняют определенную функцию. Если тактовый генератор системного микроконтроллера работает слишком медленно, процесс обработки сигналов занимает много времени. Если тактовый генератор работает слишком быстро, может не хватить времени для завершения необходимых операций до начала следующего набора операций — процессор взаимодействует с различными блоками компонентов: от динамической памяти до контактов интерфейса. Любой значимый сбой тактовой частоты будет иметь непредсказуемые последствия для внутренних операций микроконтроллера.

Выборка данных

Тактовый сигнал микроконтроллера регулирует скорость преобразования любых аналого-цифровых операций. Тактовая частота определяет максимальную частоту выборки аналогового сигнала; точность тактового генератора определяет точность частоты дискретизации. Предположим, выборка записывается два раза в секунду с меткой времени. В этом случае очень скоро из-за сбоя частоты тактового генератора на один процент (что не редкость для внутренних осцилляторов) исчезнет корреляция между меткой времени вашей выборки и временем на ваших настенных часах. При постоянном смещении источника тактовых импульсов на 1 % метка времени вашей выборки будет отклоняться более чем на 14 минут каждый день.

Генерация сигналов

Что касается выборки данных, то тактовый сигнал микроконтроллера будет определять скорость преобразования любых цифровых операций в аналоговые. Частота тактового генератора определяет максимальные частоты, которые могут генерироваться для аналогового сигнала. Точность тактового генератора будет определять точность генерируемого сигнала.

Асинхронная последовательная связь

Критически важной задачей для тактового сигнала микроконтроллера будет управление асинхронной связью, в ходе которой тактовый сигнал определяет момент выборки входящего потока данных после получения начального бита и формы сигнала исходящего потока данных, а именно когда происходит переход к каждому следующему биту данных.

При асинхронной связи передатчик и приемник используют одинаковую тактовую частоту для кодирования и декодирования потоков данных. Однако эти тактовые генераторы синхронизировать не нужно; у них просто должна быть примерно одинаковая тактовая частота. Это связано с тем, что приемник начинает обрабатывать входящий поток данных при обнаружении первого фронта сигнала на линии передачи. Затем ему необходимо поддерживать корректную тактовую частоту на протяжении всего потока данных, чтобы обеспечивать выборку битов данных в нужное время. Требуемая точность будет зависеть от окна времени, в течение которого должна выполняться выборка данных. Каждый бит данных потенциально будет иметь передний и задний фронт сигнала, где значение данных остается неопределенным, оставляя промежуток времени между фронтами, когда данные являются достоверными и может быть выполнена выборка.

Данный период выборки зависит от типа и протяженности канала связи. Большое расстояние передачи и протяженные кабели с высокой пропускной способностью приводят к увеличению времени нарастания и спада сигнала. Наличие шума также может увеличить время, необходимое для стабилизации сигнала.

Приемник также зависит от тактовой частоты и формата сообщений. Для коротких потоков данных требования к точности могут быть довольно мягкими, так как тактовый импульс выборки сбрасывается каждый раз при получении нового потока данных. Однако для высокоскоростной последовательной связи с длинными потоками данных требуемый уровень точности может стать более высоким. Например, протокол шины CAN делает его очень чувствительным к расфазировке системных тактовых импульсов, причем настолько, что использование любого источника тактовых импульсов, не основанного на кристалле кварца, может оказаться крайне проблематичным.

На примере устройств UART мы видим, что абсолютная тактовая частота не важна, так как приемник UART синхронизируется самостоятельно в начале каждого кадра. Благодаря этому тактовые частоты передачи и приема в UART могут отличаться друг от друга.

Варианты источников тактовых импульсов

Обычно существует несколько вариантов выбора источника тактовых импульсов для любого микроконтроллера. Конкретные варианты зависят от того, какую марку и модель тактового генератора микроконтроллера вы будете использовать. Поэтому здесь мы рассмотрим все стандартные варианты.

Возможные варианты в основном различаются по точности, стоимости и количеству компонентов. Использование внутреннего источника тактовых импульсов, который содержат все качественные микроконтроллеры, будет самым дешевым и простым вариантом, но в то же время, как правило, и наименее точным. Использование внешнего источника тактовых импульсов позволит повысить точность, но при этом потребует добавления дополнительных компонентов на печатной плате и увеличения уровня сложности вашего проекта.

Выбор варианта будет зависеть от требуемого уровня производительности и ограничений с точки зрения места на плате и бюджета. Так как для любого микроконтроллера всегда существует несколько альтернативных вариантов генерации тактовых импульсов, изучите технические характеристики вашего устройства. Как правило, в них содержится полезная информация о том, источники тактовых импульсов какого типа можно использовать и как их лучше всего применить на практике.

Внутренние осцилляторы

Микроконтроллеры обычно поставляются с внутренним резистивно-емкостным осциллятором для генерации базового тактового сигнала и схемой фазовой синхронизации для выполнения функции умножения частоты. Проблема с использованием внутреннего осциллятора заключается в том, что он обеспечивает гораздо меньший уровень точности, чем внешние осцилляторы, и имеет малую стабильность частоты. Он находится внутри микросхемы микроконтроллера. Это по определению не является идеальным местом для размещения любой резистивно-емкостной цепи. Это связано с высокой температурной зависимостью таких цепей и широкими допусками для внутренних компонентов. Как правило, микроконтроллер с качественным терморегулированием может передавать тактовый сигнал с точностью в диапазоне от 1 до 5 %. Такого уровня точности может быть достаточно для некоторых медленных шин асинхронной связи и для управления обработкой низкочастотных аналоговых сигналов. Тем не менее в большинстве типичных случаев на практике уровень точности будет слишком низким.

Вероятно, стоит кратко напомнить, что производительность внутреннего осциллятора может быть улучшена за счет использования схемы фазовой синхронизации, чтобы обеспечить более точный внешний тактовый сигнал для коррекции внутреннего. Однако, если имеется внешний тактовый сигнал, то имеет смысл использовать его, а не внутренний тактовый сигнал, если только микроконтроллер не имеет специальных ограничений, не позволяющих его применять.

Внешние осцилляторы

Источники тактовых импульсов для микроконтроллеров могут быть двух основных типов: механические резонансные устройства, включая кварцевые кристаллы и керамические резонаторы, а также пассивные резистивно-емкостные осцилляторы.

Наиболее простой формой осциллятора является резистивно-емкостная цепь, эмулирующая схему внутреннего осциллятора, но использующая компоненты с более высоким уровнем точности, а также методы терморегулирования для изоляции компонентов от тепла, выделяемого тактовым генератором микроконтроллера и любыми другими горячими элементами схемы. Хотя это может повысить уровень точности, по крайней мере на порядок, такой вариант, безусловно, будет наименее точным для внешнего осциллятора. В качестве вариантов с приблизительно аналогичными стоимостью и размером занимаемой площади доступны более качественные решения. Тактовые импульсы, генерируемые резистивно-емкостной цепью, также будут подвержены колебаниям уровня напряжения питания и восприимчивы к электрическим помехам, что ограничивает возможность их применения в большинстве ситуаций на практике.

Кварцевые осцилляторы являются наиболее распространенным типом внешних осцилляторов, где требуется прецизионный тактовый сигнал. Кристалл кварца и поддерживающая схема обеспечивают отличный уровень стабильности и точности. Типичный недорогой кварцевый осциллятор может иметь точность свыше одной миллионной доли процента. Этого более чем достаточно для всех вариантов применения, кроме задач, связанных с предельной временной точностью. Однако на кристалл кварца могут влиять факторы окружающей среды, которые могут потребовать реализации дополнительной защиты. Поддерживающая схема для кварцевого кристалла также может приводить к появлению высокого выходного импеданса, из-за которого будет необходимо обеспечивать дополнительное согласование импеданса для интеграции с остальной частью схемы. Использование готового модуля кварцевого осциллятора вместо дискретных компонентов может снизить подверженность воздействию окружающей среды и упростить конструкцию платы, если это позволяет бюджет. Обычно такие модули обеспечивают генерацию прямоугольных импульсов с низким импедансом, что упрощает интеграцию с остальной частью схемы с уровнем точности, сопоставимым с использованием отдельного кристалла кварца.

Альтернативным вариантом является кремниевый осциллятор на основе ИС резонатора, который прост в реализации и обеспечивает уровень точности около 0,05 %. Он немного лучше, чем внешняя резистивно-емкостная цепь, но далеко не так хорош, как кварцевый осциллятор. Однако кремниевые осцилляторы более прочны и надежны, чем кварцевые, и идеально подходят для условий эксплуатации, в которых устройство может подвергаться сильным механическим вибрациям.

Наконец, существуют керамические резонаторы, которые не настолько точны, как кварцевые осцилляторы, но имеют более высокую точность, чем кремниевые осцилляторы. Реализованные на пьезоэлектрическом керамическом материале, они используют резонансные механические колебания для генерации тактового сигнала. Их главное преимущество заключается в том, что они поставляются в виде простого интегрированного корпуса и занимают меньше места, чем кварцевый осциллятор и его дополнительные компоненты. Однако, как и кристаллические осцилляторы, они чувствительны к воздействию факторов окружающей среды, к которым относятся температура, влажность, вибрации и электрические помехи.

При выборе внешнего осциллятора одним из важных факторов может оказаться энергопотребление того или иного варианта. Потребляемая мощность отдельных схем осциллятора, в первую очередь, определяется током питания усилителя обратной связи и значениями его емкости. Типичная схема кварцевого осциллятора потребляет несколько десятков мА. Для керамических резонаторов обычно требуются более высокие значения емкости нагрузки, чем для кварцевых осцилляторов, что требует большей мощности. Энергопотребление кремниевых осцилляторов в основном пропорционально рабочей частоте. Тем не менее существуют разные варианты: от устройств с низким энергопотреблением (несколько мА) до стандартных устройств, потребляющих несколько десятков мА.

Заключение

Подводя итог, можно сказать, что тип тактового сигнала, который необходимо использовать для микроконтроллера, будет зависеть в основном от характера устройства, в которое он встроен, и его рабочей среды. Для интерфейсов с высокоскоростными шинами асинхронной связи и высокочастотными аналоговыми сигналами требуется высокоточный тактовый сигнал. Предположим, что устройство должно работать в суровых климатических условиях, например с широким диапазоном температур, высоким уровнем электромагнитных помех или подвергаться механическим вибрациям. В этом случае доступные варианты для него будут ограничены. Для тактового генератора микроконтроллера, на который не распространяются такие ограничения, связанные с временем или рабочей средой, может подойти более дешевое решение.

Если вы хотите получить более подробную информацию, посетите страницу продукта, где представлено подробное функциональное описание, или позвоните эксперту компании Altium.