منبع ساعت میکروکنترلر شما چقدر مهم است؟

میکروکنترلرها به منبع ساعت خود متکی هستند. پردازنده ، اتوبوس و لوازم جانبی همه از ساعت برای همگام سازی عملیات خود استفاده می کنند. ساعت تعیین می کند که پردازنده چقدر سریع دستورالعمل های خود را اجرا می کند ، بنابراین برای عملکرد اساسی است. اما منبع ساعت چقدر مهم است؟فرکانس ساعت در میکروکنترلر چیست؟ آیا مهم است که چقدر دقیق است؟پاسخ کوتاه این است که بستگی دارد ... بستگی به این دارد که میکروکنترلر چه کاری انجام می دهد و رابط های آن.

دو ملاحظات باید در نظر گرفته شود: سرعت ساعت ، که تعیین می کند که چقدر سریع اتفاقات رخ می دهد ، و دقت ساعت ، که ثبات دوره بین هر ساعت را تعیین می کند و چگونه سرعت ساعت می تواند با گذشت زمان تغییر کند.

چرا منبع ساعت اهمیت دارد

پردازنده مرکزی میکروکنترلر را می توان به عنوان یک زنجیره هماهنگ از بلوک های منطقی که یک عملکرد خاص را انجام می دهند ، تصور کرد. اگر ساعت میکروکنترلر Thesystem خیلی کند باشد ، پردازش بیشتر طول می کشد. اگر ساعت خیلی سریع اجرا شود ، ممکن است قبل از شروع مجموعه بعدی زمان کافی برای تکمیل عملیات مورد نیاز وجود نداشته باشد - رابط پردازنده با طیف وسیعی از بلوک های مؤلفه مختلف ، از حافظه پویا تا پین های رابط. هرگونه خطای قابل توجه در سرعت ساعت عواقب غیرقابل پیش بینی برای عملیات میکروکنترلر داخلی خواهد داشت.

نمونه گیری داده ها

سیگنال ساعت میکروکنترلر میزان تبدیل هر عملیات آنالوگ به دیجیتال را حاکم خواهد کرد. سرعت ساعت حداکثر میزان نمونه برداری از سیگنال آنالوگ را تعیین می کند. دقت ساعت دقت میزان نمونه گیری را تعیین می کند. فرض کنید شما یک نمونه را دو بار در ثانیه با یک جدول زمانی ضبط می کنید. در این حالت ، مدت زیادی طول نمی کشد تا خطای یک درصدی در فرکانس ساعت (با نوسان سازهای داخلی غیر معمول نباشد) هرگونه همبستگی بین زمان بندی نمونه شما و زمان نشان داده شده در ساعت دیواری خود را حذف می کند. با یک جبران ثابت 1 ٪ منبع ساعت ، زمان بندی نمونه شما هر روز بیش از 14 دقیقه خواهد بود.

تولید شکل

در مورد نمونه گیری از داده ها ، سیگنال ساعت میکروکنترلر میزان تبدیل هرگونه عملیات دیجیتال به آنالوگ را حاکم خواهد کرد. سرعت ساعت حداکثر فرکانس هایی را که می تواند برای سیگنال آنالوگ ایجاد شود ، تعیین می کند. دقت ساعت دقت شکل موج تولید شده را تعیین می کند.

ارتباطات سریال ناهمزمان

یک برنامه مهم برای سیگنال ساعت میکروکنترلر ، مدیریت ارتباطات ناهمزمان است که سیگنال ساعت تعیین می کند چه زمانی از جریان داده های ورودی نمونه برداری می شود. پس از دریافت بیت شروع و شکل موج جریان داده های خروجی از نظر هنگام انتقال بین هر بیت داده.

با ارتباطات ناهمزمان ، فرستنده و گیرنده به داشتن سرعت ساعت یکسان برای رمزگذاری و رمزگشایی جریان داده ها متکی هستند. با این حال ، این ساعت ها نیازی به هماهنگی ندارند. آنها فقط باید نرخ ساعت به اندازه کافی برابر داشته باشند. این امر به این دلیل است که گیرنده هنگام تشخیص لبه اول در خط سیگنال ، پردازش جریان داده های ورودی را شروع می کند. سپس باید سرعت صحیح ساعت را برای مدت زمان جریان داده حفظ کند تا از بیت های داده در زمان های صحیح نمونه برداری شود. دقت لازم به پنجره ای که باید از داده ها نمونه برداری شود بستگی دارد. هر بیت داده به طور بالقوه دارای لبه در حال افزایش و در حال سقوط به سیگنال خود خواهد بود که مقدار داده ها نامشخص است و در صورت اعتبار بودن داده ها ، دوره بین لبه ها را ترک می کند.

این دوره نمونه برداری به نوع و طول پیوند ارتباطات بستگی دارد. طول و کابل های انتقال طولانی با خازن بالا باعث افزایش و زمان سقوط می شود. وجود نویز همچنین می تواند زمان مورد نیاز برای تثبیت سیگنال را افزایش دهد.

همچنین به سرعت ساعت و قالب پیام بستگی دارد. برای جریان داده های کوتاه ، نیازهای دقت می تواند کاملاً سست باشد زیرا هر بار که یک جریان داده جدید دریافت می شود ، ساعت نمونه برداری تنظیم می شود. با این حال ، برای ارتباطات سریال با سرعت بالا با جریان داده های طولانی ، دقت لازم می تواند دقیق تر شود. به عنوان مثال ، پروتکل CAN BUS ، آن را نسبت به ساعت ساعت سیستم بسیار حساس می کند تا حدی که استفاده از هر منبع سیگنال ساعت مبتنی بر غیر کریستال ممکن است مشکل ساز باشد.

با در نظر گرفتن نمونه دستگاه های UART ، می بینیم که نرخ ساعت مطلق بی اهمیت است زیرا گیرنده UART خود را در شروع هر فریم همزمان می کند. این مسئله ساده است که چه تفاوت هایی بین ساعت های انتقال و دریافت UART قابل تحمل است.

گزینه های منبع ساعت

معمولاً چند گزینه مختلف برای انتخاب منبع ساعت برای هر میکروکنترلر خاص وجود دارد. گزینه های خاص به چه چیزی و مدل میکروکنترلر که شما استفاده خواهید کرد بستگی دارد ، بنابراین ما در مورد همه گزینه های استاندارد در اینجا بحث خواهیم کرد.

گزینه های مختلف در اصل با دقت ، هزینه و تعداد مؤلفه ها متمایز می شوند. استفاده از یک منبع ساعت داخلی که همه میکروکنترلرهای خوب شامل آن هستند ، ارزانترین و کمترین گزینه خواهد بود اما معمولاً دقیق ترین آنها خواهد بود. استفاده از یک منبع ساعت خارجی باعث بهبود دقت می شود اما با هزینه نیاز به اضافه کردن اجزای اضافی به صفحه مدار و افزایش پیچیدگی طراحی شما.

کدام گزینه را انتخاب می کنید با عملکرد شما به چه عملکردی نیاز دارید و از نظر فضای هیئت مدیره و بودجه چه محدودیتی دارید. از آنجا که همیشه چندین گزینه جایگزین برای تولید سیگنال ساعت برای هر میکروکنترلر داده شده وجود دارد ، برگه داده را برای دستگاه خاص خود مطالعه کنید. این امر به طور کلی اطلاعات خوبی در مورد نوع منابع ساعت می توانید استفاده کنید و چگونه می توانید آنها را به بهترین شکل اجرا کنید.

نوسان ساز داخلی

میکروکنترلرها معمولاً با یک نوسان ساز مقاومت در برابر مقاومت داخلی برای تولید یک سیگنال ساعت اصلی و یک حلقه قفل شده فاز همراه هستند تا یک عملکرد ضرب فرکانس ارائه شود. مسئله استفاده از نوسان ساز داخلی این است که آنها نسبت به نوسان سازهای خارجی با ثبات فرکانس ضعیف به طور قابل توجهی کمتر هستند. این در داخل یک تراشه میکروکنترلر ، به طور تعریف ، مکانی کمتر از ایده آل برای یافتن هر مدار RC است. این ناشی از وابستگی درجه حرارت بالا مدارهای RC و تحمل ذاتاً گسترده است. به طور معمول ، یک میکروکنترلر با مدیریت حرارتی خوب می تواند یک سیگنال ساعت را با دقت در محدوده 1 ٪ تا 5 ٪ تحویل دهد. این ممکن است به اندازه کافی برای برخی از اتوبوس های ارتباطات ناهمزمان کندتر و برای مدیریت پردازش سیگنال آنالوگ با فرکانس پایین مناسب باشد. با این وجود ، در اکثر برنامه های معمولی ، این بسیار نادرست خواهد بود.

احتمالاً شایان ذکر است که با استفاده از یک حلقه قفل شده فاز ، می توان عملکرد نوسان ساز داخلی را بهبود بخشید تا یک سیگنال ساعت خارجی دقیق تر برای اصلاح سیگنال ساعت داخلی فراهم شود. با این حال ، اگر یک سیگنال ساعت خارجی در دسترس باشد ، معقول است که به جای ساعت داخلی از این استفاده کنید مگر اینکه میکروکنترلر محدودیت خاصی داشته باشد که مانع این امر شود.

نوسان سازهای خارجی

منابع ساعت برای میکروکنترلرها در دو نوع اصلی قرار می گیرند: دستگاه های رزونانس مکانیکی از جمله کریستال ها و تشدید کننده های سرامیکی و نوسان سازهای منفعل RC.

ابتدایی ترین شکل نوسانگر مدار RC است که مدار نوسان ساز داخلی را شبیه سازی می کند اما از قطعاتی با مقادیر دقت بالاتر و با استفاده از تکنیک های مدیریت حرارتی برای جداسازی قطعات از گرمای تولید شده توسط ساعت میکروکنترلر و سایر عناصر داغ مدار استفاده می کند. در حالی که این می تواند دقت را حداقل تا حدی بهبود بخشد، اما برای یک نوسان گر خارجی بسیار کم دقت ترین گزینه است و راه حل های بهتری برای هزینه و اندازه نسبتاً مشابه در دسترس هستند. ساعت تولید شده توسط مدار RC نیز تحت تأثیر نوسانات در سطوح منبع تغذیه قرار می گیرد و مستعد تداخل الکتریکی است و کارایی آنها را در اکثر برنامه های معمولی محدود می کند.

نوسانگرهای کریستالی رایج ترین شکل نوسانگرهای خارجی هستند که در آن سیگنال ساعت دقیق مورد نیاز است. یک کریستال کوارتز و مدار پشتیبانی کننده، ثبات و دقت عالی را فراهم می کند. یک نوسان ساز کریستالی معمولی کم هزینه می تواند دقتی بهتر از یک میلیونیم درصد داشته باشد برای همه کاربردها به جز حساس ترین کاربردها، بیش از اندازه کافی. با این حال، کریستال کوارتز می تواند تحت تأثیر عوامل محیطی قرار گیرد که ممکن است نیاز به حفاظت بیشتری داشته باشد. مدار نگهدارنده کریستال کوارتز همچنین می تواند منجر به خروجی امپدانس بالا شود که نیاز به تطبیق امپدانس اضافی برای ادغام با بقیه مدار دارد. استفاده از یک ماژول نوسان ساز کریستالی خارج از قفسه به جای اجزای مجزا می تواند حساسیت به اثرات محیطی را کاهش دهد و در صورتی که بودجه شما اجازه دهد طراحی برد را ساده تر کند. آنها معمولاً یک خروجی موج مربعی با امپدانس کم ارائه می دهند که ادغام با بقیه طراحی مدار را با دقت بسیار مشابه با استفاده از یک کریستال گسسته ساده تر می کند.

یک گزینه جایگزین یک نوسان ساز سیلیکونی مبتنی بر مدار تشدید کننده آی سی است که اجرای آن با دقت 0. 05 درصد ساده است. کمی بهتر از یک مدار RC خارجی است اما به خوبی یک نوسانگر کریستالی نیست. با این حال، نوسانگرهای سیلیکونی ناهموارتر و قابل اعتمادتر از نوسانگرهای کریستالی هستند، و برای محیط هایی که دستگاه ممکن است در معرض ارتعاشات مکانیکی شدید قرار گیرد، ایده آل است.

سرانجام ، تشدید کننده های سرامیکی در دسترس هستند که به اندازه یک نوسان ساز کریستالی دقیق نیستند اما دقیق تر از نوسان ساز سیلیکون هستند. بر اساس یک ماده سرامیکی پیزوالکتریک ، آنها از ارتعاشات مکانیکی رزونانس برای تولید سیگنال ساعت استفاده می کنند. مزیت اصلی آنها این است که آنها در یک بسته یکپارچه ساده با یک ردپای کوچکتر از یک اسیلاتور کریستالی و اجزای پشتیبانی آن قرار می گیرند. با این حال ، مانند نوسان سازهای کریستالی ، آنها نسبت به عوامل محیطی از جمله دما ، رطوبت ، لرزش و تداخل الکتریکی حساس هستند.

هنگام انتخاب نوسان ساز خارجی ، مصرف برق گزینه ها ممکن است عاملی در تصمیم شما باشد. مصرف برق مدارهای نوسان ساز گسسته در درجه اول توسط جریان عرضه تقویت کننده بازخورد و مقادیر خازن آن تعیین می شود. یک مدار نوسان ساز کریستالی معمولی ده ها MA را به خود جلب می کند. مدارهای تشدید کننده سرامیک به طور معمول به مقادیر خازن بار بیشتری نسبت به نوسان سازهای کریستالی نیاز دارند و به قدرت بیشتری نیاز دارند. مصرف برق نوسان سازهای سیلیکون عمدتاً متناسب با فرکانس عملیاتی است. با این وجود ، آنها در طیف وسیعی از گزینه ها ، از دستگاه های کم مصرف که چند کارشناسی ارشد را به دستگاه های استاندارد می کشند که ده ها MA را جلب می کند ، می شوند.

نتیجه

به طور خلاصه ، از چه نوع سیگنال ساعت باید برای میکروکنترلر خود استفاده کنید ، عمدتاً به ماهیت دستگاهی که در آن تعبیه شده است و محیط عملیاتی آن بستگی دارد. رابط هایی با اتوبوس های ارتباطی ناهمزمان با سرعت بالا و سیگنال های آنالوگ با فرکانس بالا ، نیاز به یک سیگنال ساعت دقیق را به وجود می آورند. فرض کنید دستگاه باید در یک محیط سخت ، چه در محدوده دمای گسترده ، در سطح بالایی از تداخل الکترومغناطیسی ، یا در معرض ارتعاشات مکانیکی ، کار کند. در این حالت ، می تواند گزینه های موجود را محدود کند. یک ساعت میکروکنترلر که چنین نیازهای حساس به زمان یا محیط زیست را ندارد ، می تواند با یک راه حل ارزان تر از بین برود.

اگر می خواهید اطلاعات بیشتری کسب کنید ، چرا صفحه محصول ما را برای توضیحات عمیق تر از ویژگی ها مرور نکنید یا با یک متخصص در Altium تماس بگیرید؟