Principi dizajna i razmatranja odabira za frakcijske frekvencije u kristalnim oscilatorima
U dizajnu hardverskih sistema takta, inženjeri se često susreću sa klasom naizgled "nepravilnih" frekvencija kristalnog oscilatora, kao što su 11,0592 MHz, 3,579545 MHz i 19,6608 MHz. Ove frekvencije sa decimalnim komponentama nisu odabrane proizvoljno, već su neizbježan rezultat razmatranja dizajna zasnovanog na komunikacionim protokolima, ograničenjima frekvencijske{4}}podjele i zahtjevima obrnutih na nivou sistema-. Polazeći od osnovnih principa, ovaj članak analizira logiku iza generiranja frakcijskih frekvencija i pruža praktične metode skrininga za odabir komponenti.
- Logika dizajna jezgra frakcijskih frekvencijskih tačaka
Kao izvor sistemskog takta, odabir frekvencije kristalnog oscilatora je uvijek skrojen da zadovolji zahtjeve preciznog vremena nizvodnih digitalnih kola (kao što su PLL, razdjelnici i serijska komunikacija). Pojava frakcijskih frekvencijskih tačaka prvenstveno proizlazi iz sljedeća četiri tipa ograničenja dizajna:
1.Prilagođavanje UART Integer Division kako bi se osigurala greška-Slobodne serijske brzine prijenosa
Brzina serijskog prijenosa se izvodi iz sistemskog sata kroz cjelobrojnu podjelu, prema sljedećoj formuli: Brzina prijenosa=Frekvencija sata / Faktor podjele
Za precizno generiranje standardnih brzina prijenosa (kao što su 9600, 19200 ili 115200 bps), frekvencija takta mora biti djeljiva s djeliteljem bez ostatka. Uzimajući 1,8432 MHz kao primjer, nakon 16-struke podjele prekomjernog uzorkovanja:
1,8432 MHz ÷ 16=115.2 kHz, što je jednako 115200 bps.
Slično, 11,0592 MHz i 19,6608 MHz su 6 puta i 10,666… puta 1,8432 MHz, respektivno (zapravo, 11.0592=1.8432 × 6, 19.6608=1.8432 × 10,666… zahtijeva PLL), ali je uobičajenije koristiti ih kao frekvenciju za direktno MCU1 MHz. mikro{10}}kontroler, koji omogućava internom UART razdjelniku da generiše sve standardne brzine prijenosa kroz podjelu. Ako je odabrana cjelobrojna frekvencija od 20 MHz, ona se ne može ravnomjerno podijeliti sa 115 200, što rezultira kumulativnom greškom i uzrokuje greške okvira ili gubitak paketa.
2.Podrška za arhitekturu binarne -podjele frekvencija pojednostavljuje dizajn stabla sata
Frekvencije kao što su 20,48 MHz, 10,24 MHz i 5,12 MHz sve se mogu izraziti kao 2ⁿ × 10 kHz (npr. 20,48 MHz=2048 × 10 kHz). Nakon kaskadne podjele ovih frekvencija kroz binarnu podjelu frekvencija, mogu se generirati pod-domeni takta kao što su 10,24 MHz, 5,12 MHz, 2,56 MHz, 1,28 MHz i tako dalje. Ovaj pristup je dobro-prikladan za implementaciju frekvencijske podjele korištenjem binarnih brojača ili pomičnih registara, što rezultira jednostavnom strukturom kola sa dobro-definiranim faznim odnosima i konzistentnim vremenskim marginama između različitih frekvencija{19}}podeljenih taktova. Ove frekvencije se obično koriste kao bazne frekvencije u industrijskim DSP-ovima, PLC-ovima i servo pogonima.
3. Sintetizirano putem PLL-a kako bi se zadovoljili-standardi brze komunikacije i audio/video uzorkovanja
Moderni SoC-ovi, optički moduli i video procesori uključuju PLL-ove, koji obično koriste standardne cjelobrojne frekvencije (kao što su 25 MHz ili 24 MHz) kao referencu, a zatim generiraju specifične nestandardne frekvencije kroz cjelobrojno dijeljenje ili množenje, ili frakcijsku podjelu. Tipični primjeri uključuju:
74,25 MHz: Takt uzorkovanja video zapisa visoke{1}}definicije definisan SMPTE standardom, koji se koristi za formate kao što su 1080i i 720p;
33,1776 MHz: Obično se nalazi u audio kodecima i širokopojasnim RF prednjim{1}} krajevima; kada se koristi sa PLL-om, može precizno generisati porodice brzine uzorkovanja zvuka od 44,1 kHz ili 48 kHz;
25,000625 MHz: Određeni Ethernet PHY koriste takt od 25 MHz sa frakcijskim PLL-om za generiranje precizne serijske brzine podataka od 125 MHz za podršku linijske brzine od 1 Gbps (imajte na umu da se u praksi obično koriste cjelobrojni višekratnici od 25 MHz; ovo je ovdje samo u ilustrativne svrhe).
Treba napomenuti da frakcijska podjela frekvencija uvodi deterministički podrhtavanje i lažne signale. Za aplikacije osjetljive na fazni šum, prioritet treba dati ciljnim frekvencijama koje se mogu dobiti direktno kroz cjelobrojnu podjelu frekvencija, ili korištenje niskošumnih PLL-ova sa odgovarajuće konfiguriranim propusnim opsegom petlje.
4. Pridržavanje istorijskih industrijskih protokola i EMC razmatranja
Istorijski protokoli: USB 2.0 specificira takt velike brzine{2}} od 48 MHz; Ethernet MAC-ovi koriste 25 MHz ili 125 MHz; i satovi realnog vremena (RTC) rade na 32,768 kHz (2¹⁵ Hz). Ove frekvencije su bile fiksne kada su standardi uspostavljeni i od tada su usvojene u cijelom industrijskom lancu, postajući de facto standardi.
Elektromagnetna kompatibilnost (EMC): harmonici višeg-reda cjelobrojnih frekvencija mogu se preklapati sa opsezima napajanja, RF ili bežične komunikacije, unoseći smetnje. Odabir frekvencije oscilatora s frakcionom komponentom može dispergirati ili pomjeriti harmonijsku energiju, čime se smanjuju EMI rizici i smanjuju troškovi filtriranja i zaštite.
- Drugi ključni faktori u izboru kristalnog oscilatora
Pored vrijednosti frekvencije, sljedeći inženjerski faktori su jednako važni za odabir:
Fazni šum i podrhtavanje
Iako PLL-ovi mogu sintetizirati bilo koju frekvenciju, frakcijska podjela frekvencije značajno degradira šum blizu{0}}krajnje faze i nasumično podrhtavanje. Za aplikacije kao što su-optički moduli velike brzine, milimetarski-talasni radar ili 5G fronthaul, preporučuje se direktan odabir kristalnih oscilatora s izvornim frekvencijama koje zadovoljavaju specifikacije faznog šuma kako bi se kasnije izbjegle nedostatne margine integriteta signala.
Vrijeme isporuke i cijena
Ne-standardne ili prilagođene frekvencije obično zahtijevaju dugo vrijeme isporuke i izazivaju visoke troškove inženjeringa. U okviru prihvatljivih granica performansi, prioritet treba dati industrijski-standardnim frekvencijama (kao što su uobičajene cjelobrojne frekvencije kao što su 25 MHz, 27 MHz, 40 MHz i 50 MHz, kao i standardne frakcijske frekvencije spomenute u ovom članku) kako bi se skratio ciklus istraživanja i razvoja i kontrolirali troškovi BOM-a.
Kompatibilnost sa domaćim zamjenama
Trenutno, domaći proizvođači kvarcnih kristalnih oscilatora pokrivaju ogromnu većinu uobičajeno korištenih cjelobrojnih i frakcijskih standardnih frekvencija. Prilikom odabira uređaja, fokusirajte se na stabilnost napajanja, temperaturne karakteristike (kao što su ±10 ppm i ±20 ppm) i parametre kapaciteta opterećenja kako biste osigurali kompatibilnost sa zahtjevima ulaznog takta čipa glavnog kontrolera.
- Praktične preporuke za odabir
prvo,odrediti ograničenja sistemskog sata: Navedite precizne frekvencije takta koje zahtijevaju sve periferne uređaje (UART, I2S, SPI, Ethernet, USB, Video) i njihove dozvoljene granice greške.
Izvedite osnovnu frekvenciju kristalnog oscilatora obrnuto:Ako mikrokontroler ima ugrađen-PLL, odaberite referentni kristalni oscilator koji može generirati ciljne frekvencije kroz cjelobrojne ili niske-razlomne omjere podjele. Dajte prednost frekvencijama sa omjerom podjela manjim od 100 i nazivnikom koji je stepen 2.
Provjerite grešku dijeljenja: Izračunajte da li je greška podjele manja od maksimalne brzine prijenosa/odstupanja brzine uzorkovanja koju dozvoljavaju periferne jedinice (obično < ±2%).
Procijenite EMI rizik:Izvršite spektralnu analizu visoko-harmonika; ako je potrebno, odaberite tačku frekvencije koja odstupa od harmonika cjelobrojnog-reda.
Uzmite u obzir dostupnost i cenu: Dok ispunjavate zahteve performansi, izaberite model sa dovoljnom dostupnošću na tržištu i tipom pakovanja (npr. HC-49S, SMD 3,2 × 2,5 mm) koji ispunjava proizvodne zahteve.