Suunnitteluperiaatteet ja valintanäkökohdat fraktiotaajuuksille kristallioskillaattorissa
Laitteistokellojärjestelmien suunnittelussa insinöörit kohtaavat usein luokan näennäisesti "epäsäännöllisiä" kideoskillaattoritaajuuksia, kuten 11,0592 MHz, 3,579545 MHz ja 19,6608 MHz. Näitä desimaalikomponentteja sisältäviä taajuuksia ei valita mielivaltaisesti, vaan ne ovat väistämätön tulos viestintäprotokolliin, taajuusjakorajoituksiin ja järjestelmätason käänteisvaatimuksiin perustuvista suunnittelunäkökohdista. Perusperiaatteista alkaen tässä artikkelissa analysoidaan murtotaajuuksien luomisen takana olevaa logiikkaa ja tarjotaan käytännön seulontamenetelmiä komponenttien valinnassa.
- Murtotaajuuspisteiden suunnittelulogiikka
Järjestelmän kellolähteenä kideoskillaattorin taajuusvalinta on aina räätälöity vastaamaan alavirran digitaalisten piirien (kuten PLL:t, jakajat ja sarjaliikenne) tarkat ajoitusvaatimukset. Murto-osien taajuuspisteiden syntyminen johtuu ensisijaisesti seuraavista neljästä suunnittelurajoittetyypistä:
1. Sopeutuminen UART-kokonaislukujakoon virheiden varmistamiseksi-Ilmaiset sarjasiirtonopeudet
Sarjasiirtonopeus johdetaan järjestelmän kellosta kokonaislukujaolla seuraavan kaavan mukaan: Tiedonsiirtonopeus=Kellotaajuus / jakokerroin
Normaalin tiedonsiirtonopeuden (kuten 9600, 19200 tai 115200 bps) luomiseksi tarkasti kellotaajuuden on oltava jaollinen jakajalla ilman jäännöstä. Esimerkkinä 1,8432 MHz 16-kertaisen ylinäytteistysjaon jälkeen:
1,8432 MHz ÷ 16=115.2 kHz, mikä vastaa 115 200 bps.
Vastaavasti 11,0592 MHz ja 19,6608 MHz ovat 6 kertaa ja 10,666… kertaa 1,8432 MHz, vastaavasti (itse asiassa 11.0592=1.8432 × 6, 19.6608=1.8432 × 10,666… vaatii PLL:n), mutta yleisempää on käyttää niitä suoraan M5:n kellotaajuutena, joka mahdollistaa M5}1:n kellotaajuuden. sisäinen UART-jakaja, joka tuottaa kaikki vakiosiirtonopeudet jaon kautta. Jos valitaan kokonaislukutaajuus 20 MHz, sitä ei voida jakaa tasan 115 200:lla, mikä johtaa kumulatiiviseen virheeseen ja aiheuttaa kehysvirheitä tai pakettihäviöitä.
2. Binääritaajuus-jakoarkkitehtuurin tuki yksinkertaistaa kellopuun suunnittelua
Taajuudet, kuten 20,48 MHz, 10,24 MHz ja 5,12 MHz, voidaan kaikki ilmaista 2ⁿ × 10 kHz:nä (esim. 20,48 MHz=2048 × 10 kHz). Kun nämä taajuudet on kaskadoitu binääritaajuusjaon kautta, voidaan luoda ali{11}}kelloalueita, kuten 10,24 MHz, 5,12 MHz, 2,56 MHz, 1,28 MHz ja niin edelleen. Tämä lähestymistapa soveltuu hyvin-taajuusjaon toteuttamiseen käyttämällä binäärilaskureita tai siirtorekistereitä, mikä johtaa yksinkertaiseen piirirakenteeseen, jossa on tarkasti määritellyt vaihesuhteet ja johdonmukaiset ajoitusmarginaalit eri taajuusjaettujen kellojen välillä. Näitä taajuuksia käytetään yleisesti perustaajuuksina teollisissa DSP:issä, PLC:issä ja servokäytöissä.
3. Syntetisoitu PLL:n kautta nopeiden-viestintä- ja audio-/videonäytteistysstandardien täyttämiseksi
Nykyaikaiset SoC:t, optiset moduulit ja videoprosessorit sisältävät PLL:itä, jotka tyypillisesti käyttävät standardikokonaislukutaajuuksia (kuten 25 MHz tai 24 MHz) viitteenä ja luovat sitten tiettyjä -standardista poikkeavia taajuuksia kokonaislukujen jaolla, kertolaskulla tai murto-jaolla. Tyypillisiä esimerkkejä ovat:
74,25 MHz: SMPTE-standardin määrittelemä terävä{1}}videonäytteityskello, jota käytetään muodoissa, kuten 1080i ja 720p;
33,1776 MHz: löytyy yleisesti audiokoodekeista ja laajakaistan RF-etu{1}}; PLL:n kanssa käytettynä se voi luoda tarkasti 44,1 kHz:n tai 48 kHz:n äänen näytteenottotaajuusperheet;
25,000625 MHz: Tietyt Ethernet PHY:t käyttävät 25 MHz:n kelloa murto-osaisella PLL:llä tuottaakseen tarkan 125 MHz:n sarjadatanopeuden tukemaan 1 Gbps:n linjanopeutta (huomaa, että 25 MHz:n kokonaislukukertoja käytetään yleisesti käytännössä; tämä on annettu tässä vain havainnollistamistarkoituksessa).
On huomattava, että murto-osainen taajuusjako aiheuttaa determinististä värinää ja vääriä signaaleja. Vaihekohinalle herkissä sovelluksissa etusija tulisi antaa kohdetaajuuksille, jotka voidaan saada suoraan kokonaislukujen taajuusjaolla, tai matalan{1}}kohinaisten PLL:ien käytölle, joilla on asianmukaisesti konfiguroitu silmukkakaistanleveys.
4. Historiallisten teollisuuspöytäkirjojen ja EMC-näkökohtien noudattaminen
Historialliset protokollat: USB 2.0 määrittää 48 MHz nopean-kellon; Ethernet-MAC:t käyttävät 25 MHz tai 125 MHz; ja reaaliaikakellot (RTC:t) toimivat 32,768 kHz:llä (2¹⁵ Hz). Nämä taajuudet vahvistettiin standardien laatimisen yhteydessä, ja ne on sittemmin otettu käyttöön koko toimialaketjussa, ja niistä on tullut de facto standardeja.
Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC): Kokonaislukutaajuuksien korkeamman luokan harmoniset{0}} voivat olla päällekkäisiä virtalähteen, RF- tai langattoman tiedonsiirtokaistojen kanssa, mikä aiheuttaa häiriöitä. Oskillaattoritaajuuden valitseminen murto-osakomponentilla voi hajottaa tai siirtää harmonista energiaa, mikä vähentää EMI-riskejä ja alentaa suodatuksen ja suojauksen kustannuksia.
- Muut avaintekijät kristallioskillaattorin valinnassa
Taajuusarvon lisäksi seuraavat tekniset tekijät ovat yhtä tärkeitä valinnassa:
Vaihekohina ja värinä
Vaikka PLL:t voivat syntetisoida minkä tahansa taajuuden, murto-osainen taajuuden jako heikentää merkittävästi lähivaiheen kohinaa ja satunnaista värinää. Sovelluksille, kuten nopeille-optisille moduuleille, millimetri-aaltotutkalle tai 5G-etukanavalle, on suositeltavaa valita suoraan kideoskillaattorit, joiden natiivitaajuudet täyttävät vaihekohinavaatimukset, jotta vältytään myöhemmin riittämättömiltä signaalin eheysmarginaaleilta.
Toimitusaika ja kustannukset
Ei--standardi tai mukautetut taajuudet vaativat yleensä pitkiä toimitusaikoja ja aiheuttavat korkeita suunnittelukustannuksia. Hyväksyttävien suorituskyvyn rajoissa etusijalle tulee antaa alan -standardi taajuudet (kuten yleiset kokonaislukutaajuudet, kuten 25 MHz, 27 MHz, 40 MHz ja 50 MHz, sekä tässä artikkelissa mainitut normaalit murto-osataajuudet) T&K-syklin lyhentämiseksi ja materiaalimateriaalikustannusten hallitsemiseksi.
Yhteensopivuus kotimaisten korvikkeiden kanssa
Tällä hetkellä kotimaiset kvartsikideoskillaattorivalmistajat kattavat suurimman osan yleisesti käytetyistä kokonaisluku- ja murtolukustandarditaajuuksista. Kun valitset laitetta, keskity syöttövakauteen, lämpötilaominaisuuksiin (kuten ±10 ppm ja ±20 ppm) ja kuormakapasitanssin parametreihin varmistaaksesi yhteensopivuuden isäntäohjainpiirin kellotulovaatimusten kanssa.
- Käytännön valintasuosituksia
Ensimmäinen,määrittää järjestelmän kellon rajoitukset: Luettele kaikkien oheislaitteiden (UART, I2S, SPI, Ethernet, USB, Video) vaatimat tarkat kellotaajuudet ja niiden sallitut virhemarginaalit.
Johda kideoskillaattorin perustaajuus käänteisesti:Jos mikro-ohjaimessa on sisäänrakennettu -PLL, valitse referenssikideoskillaattori, joka pystyy generoimaan tavoitetaajuudet kokonaislukujen tai alhaisten -jakolukusuhteiden avulla. Anna etusija taajuuksille, joiden jakosuhde on alle 100 ja nimittäjä, joka on potenssi 2.
Tarkista jakovirhe: Laske, onko jakovirhe pienempi kuin oheislaitteiden sallima suurin baudinopeuden/näytteenottotaajuuden poikkeama (tyypillisesti < ±2 %).
Arvioi EMI-riski:Suorita korkeataajuisten{0}}harmonisten spektrianalyysi; valitse tarvittaessa taajuuspiste, joka poikkeaa kokonaisluku-järjestyksen harmonisista harmonisista.
Harkitse saatavuutta ja kustannuksia: Samalla kun täytät suorituskykyvaatimukset, valitse malli, jolla on runsaasti saatavuutta markkinoilla, ja pakkaustyyppi (esim. HC-49S, SMD 3,2 × 2,5 mm), joka täyttää tuotantovaatimukset.