Прынцыпы праектавання і выбар для дробавых частот у крышталічных асцылятарах
Пры распрацоўцы апаратных тактавых сістэм інжынеры часта сутыкаюцца з класам, здавалася б, "нерэгулярных" частот крышталічнага генератара, такіх як 11,0592 МГц, 3,579545 МГц і 19,6608 МГц. Гэтыя частаты з дзесятковымі складнікамі не выбіраюцца адвольна, а з'яўляюцца непазбежным вынікам меркаванняў праектавання, заснаваных на пратаколах сувязі, абмежаваннях-дзялення частаты і патрабаваннях-адваротнага ўзроўню сістэмы. Пачынаючы з фундаментальных прынцыпаў, у гэтым артыкуле аналізуецца логіка генерацыі дробавых частот і прадастаўляюцца практычныя метады адбору для выбару кампанентаў.
- Асноўная логіка праектавання кропак дробнай частаты
Як крыніца сістэмнага тактавага сігналу, выбар частоты кварцавага генератара заўсёды адаптаваны ў адпаведнасці з дакладнымі патрабаваннямі да сінхранізацыі ніжэйстаячых лічбавых схем (такіх як ФАПЧ, дзельнікі і паслядоўная сувязь). З'яўленне кропак дробнай частаты ў першую чаргу звязана з наступнымі чатырма тыпамі дызайнерскіх абмежаванняў:
1. Адаптацыя да цэлалікавага дзялення UART для забеспячэння памылкова{1}}свабодных паслядоўных хуткасцей перадачы
Паслядоўная хуткасць перадачы дадзеных атрымліваецца з сістэмнага тактавага сігналу шляхам цэлалікавага дзялення ў адпаведнасці з наступнай формулай: Хуткасць перадачы дадзеных=Тактавая частата / Каэфіцыент дзялення
Для дакладнай генерацыі стандартнай хуткасці перадачы (напрыклад, 9600, 19200 або 115200 біт/с) тактавая частата павінна дзяліцца на дзельнік без астатку. У якасці прыкладу возьмем 1,8432 МГц пасля 16-кратнага падзелу з перадвыбаркай:
1,8432 МГц ÷ 16=115.2 кГц, што роўна 115200 біт/с.
Аналагічным чынам, 11,0592 МГц і 19,6608 МГц у 6 разоў і 10,666… памножаныя на 1,8432 МГц, адпаведна (насамрэч, 11.0592=1.8432 × 6, 19.6608=1.8432 × 10,666… патрабуе PLL), але больш распаўсюджана выкарыстоўваць іх непасрэдна ў якасці тактавай частаты для мікрааўтобусаў, такіх як 51 мікра-кантролер, які дазваляе ўнутранаму дзельніку UART генераваць усе стандартныя хуткасці перадачы праз дзяленне. Калі абраная цэлая частата 20 МГц, яе нельга раўнамерна падзяліць на 115 200, што прывядзе да сукупнай памылкі і памылак кадраў або страты пакетаў.
2.Падтрымка двайковай частаты-архітэктуры падзелу спрашчае канструкцыю дрэва гадзінніка
Такія частоты, як 20,48 МГц, 10,24 МГц і 5,12 МГц, можна выказаць як 2ⁿ × 10 кГц (напрыклад, 20,48 МГц=2048 × 10 кГц). Пасля каскаднага падзелу гэтых частот з двайковым дзяленнем частаты могуць быць створаны пад-тактавыя дамены, такія як 10,24 МГц, 5,12 МГц, 2,56 МГц, 1,28 МГц і гэтак далей. Гэты падыход добра-падыходзіць для рэалізацыі дзялення частоты з выкарыстаннем двайковых лічыльнікаў або рэгістраў зруху, у выніку чаго атрымліваецца простая структура схемы з дакладна{18}}вызначанымі суадносінамі фаз і паслядоўнымі запасамі часу паміж рознымі-частотнымі тактавымі сігналамі. Гэтыя частоты звычайна выкарыстоўваюцца ў якасці базавых частот у прамысловых DSP, ПЛК і сервоприводах.
3.Сінтэзаваны з дапамогай PLL для задавальнення высока-стандартаў сувязі і выбаркі аўдыё/відэа
Сучасныя SoC, аптычныя модулі і відэапрацэсары ўключаюць PLL, якія звычайна выкарыстоўваюць стандартныя цэлыя частоты (напрыклад, 25 МГц або 24 МГц) у якасці апорнай, а затым генеруюць пэўныя не-стандартныя частоты шляхам цэлалікавага дзялення, множання або дробавага дзялення. Тыповыя прыклады ўключаюць:
74,25 Мгц: тактавая частата-выразнасці відэа высокай выразнасці, вызначаная стандартам SMPTE, якая выкарыстоўваецца для такіх фарматаў, як 1080i і 720p;
33,1776 МГц: звычайна сустракаецца ў аўдыёкодэках і шырокапалосных радыёчастотных каналах-; пры выкарыстанні з PLL ён можа дакладна генераваць сем'і частаты дыскрэтызацыі гуку 44,1 кГц або 48 кГц;
25,000625 МГц: некаторыя Ethernet PHY выкарыстоўваюць тактавы сігнал 25 МГц з дробавай сістэмай ФАПЧ для генерацыі дакладнай паслядоўнай хуткасці перадачы даных 125 МГц для падтрымкі лінейнай хуткасці 1 Гбіт/с (звярніце ўвагу, што на практыцы звычайна выкарыстоўваюцца цэлыя кратныя 25 МГц; гэта прыводзіцца тут толькі ў ілюстрацыйных мэтах).
Варта адзначыць, што дробавае дзяленне частоты ўводзіць дэтэрмінаваныя дрыгаценне і пабочныя сігналы. Для прыкладанняў, адчувальных да фазавага шуму, прыярытэт трэба аддаваць мэтавым частотам, якія могуць быць атрыманы непасрэдна шляхам цэлалікавага дзялення частот, або выкарыстанню нізка{1}}шумлівых ФАПЧ з адпаведным чынам сканфігураванымі прапускнымі здольнасцямі контуру.
4. Захаванне гістарычных пратаколаў галіны і меркаванняў па электрасувязі
Гістарычныя пратаколы: USB 2.0 вызначае высокую-тактавую частату 48 МГц; Ethernet MAC выкарыстоўваюць 25 МГц або 125 МГц; і-гадзіннікі рэальнага часу (RTC) працуюць на частаце 32,768 кГц (2¹⁵ Гц). Гэтыя частоты былі зафіксаваныя пры ўсталяванні стандартаў і з тых часоў былі прыняты ва ўсёй галіновай ланцужку, стаўшы дэ-факта стандартамі.
Электрамагнітная сумяшчальнасць (EMC): Гарамонікі вышэйшага-парадку цэлых частот могуць перакрывацца з дыяпазонамі крыніцы харчавання, ВЧ або бесправадной сувязі, уносячы перашкоды. Выбар частоты асцылятара з дробавым кампанентам можа рассейваць або зрушваць гарманічную энергію, тым самым зніжаючы рызыку электрамагнітных памех і зніжаючы выдаткі на фільтрацыю і экранаванне.
- Іншыя ключавыя фактары пры выбары кварцавага генератара
Акрамя значэння частоты, для выбару не менш важныя наступныя інжынерныя фактары:
Фазавы шум і джиттер
Нягледзячы на тое, што ФАПЧ можа сінтэзаваць любую частату, дробавае дзяленне частоты значна пагаршае блізка-фазавыя шумы і выпадковае дрыгаценне. Для такіх прыкладанняў, як выса-аптычныя модулі, радар міліметровага-хвалі або 5G fronthaul, рэкамендуецца непасрэдна выбіраць кварцевыя генератары з уласнымі частотамі, якія адпавядаюць спецыфікацыям фазавага шуму, каб пазней пазбегнуць недастатковага запасу цэласнасці сігналу.
Час выканання і кошт
Не-стандартныя або карыстальніцкія частоты звычайна патрабуюць доўгага часу выканання і выклікаюць высокія інжынерныя выдаткі. У дапушчальных межах прадукцыйнасці прыярытэт трэба аддаваць галіновым-стандартным частотам (такім як агульныя цэлыя частоты, такія як 25 МГц, 27 МГц, 40 МГц і 50 МГц, а таксама стандартныя дробавыя частоты, згаданыя ў гэтым артыкуле), каб скараціць цыкл даследаванняў і распрацовак і кантраляваць выдаткі на BOM.
Сумяшчальнасць з айчыннымі заменнікамі
У цяперашні час айчынныя вытворцы кварцавых кварцавых генератараў ахопліваюць пераважную большасць часта выкарыстоўваюцца цэлых і дробавых стандартных частот. Пры выбары прылады засяродзьцеся на стабільнасці харчавання, тэмпературных характарыстыках (напрыклад, ±10 праміле і ±20 праміле) і параметрах ёмістасці нагрузкі, каб забяспечыць сумяшчальнасць з патрабаваннямі тактавага ўваходу чыпа галоўнага кантролера.
- Практычныя рэкамендацыі па выбары
па-першае,вызначыць абмежаванні сістэмнага гадзінніка: Пералічыце дакладныя тактавыя частоты, неабходныя для ўсіх перыферыйных прылад (UART, I2S, SPI, Ethernet, USB, Video), і іх дапушчальныя межы памылак.
Вывядзіце асноўную частату кварцавага генератара ў зваротным парадку:Калі мікракантролер мае ўбудаваную-ФАПЧ, выберыце эталонны кварцавы генератар, здольны генераваць зададзеныя частоты з дапамогай цэлалікавых або нізкіх-каэфіцыентаў дзялення. Аддавайце прыярытэт частотам з каэфіцыентам дзялення меншым за 100 і назоўнікам у ступені 2.
Праверце памылку дзялення: Разлічыце, ці меншая памылка дзялення за максімальную адхіленне хуткасці перадачы/частаты дыскрэтызацыі, дазволенага перыферыйнымі прыладамі (звычайна <±2%).
Ацаніце рызыку EMI:Выконваць спектральны аналіз высокачашчынных-гарамонік; пры неабходнасці выберыце кропку частоты, якая адхіляецца ад гармонік цэлага парадку-.
Улічвайце даступнасць і кошт: пры задавальненні патрабаванняў да прадукцыйнасці выбірайце мадэль з дастатковай даступнасцю на рынку і тып пакета (напрыклад, HC-49S, SMD 3,2 × 2,5 мм), які адпавядае вытворчым патрабаванням.