Принципи дизајна и разматрања избора за фракционе фреквенције у кристалним осцилаторима
У дизајну хардверских система такта, инжењери се често сусрећу са класом наизглед „неправилних“ фреквенција кристалног осцилатора, као што су 11,0592 МХз, 3,579545 МХз и 19,6608 МХз. Ове фреквенције са децималним компонентама се не бирају произвољно, већ су неизбежан резултат разматрања дизајна заснованог на комуникационим протоколима, ограничењима{4}}ограничења поделе фреквенције и захтевима за обрнути систем-на нивоу. Полазећи од основних принципа, овај чланак анализира логику иза генерисања фракционих фреквенција и пружа практичне методе скрининга за одабир компоненти.
- Логика дизајна језгра фракционих фреквенцијских тачака
Као извор системског такта, избор фреквенције кристалног осцилатора је увек скројен да задовољи захтеве прецизног времена низводних дигиталних кола (као што су ПЛЛ, разделници и серијска комуникација). Појава тачака фракционе фреквенције првенствено потиче од следећа четири типа ограничења дизајна:
1. Прилагођавање УАРТ целобројне поделе да би се обезбедила грешка-Слободне серијске брзине преноса
Брзина серијског преноса се изводи из системског сата кроз цеоброј, према следећој формули: Брзина преноса=Фреквенција такта / Фактор дељења
Да бисте прецизно генерисали стандардне брзине преноса (као што су 9600, 19200 или 115200 бпс), фреквенција такта мора бити дељива са делиоцем без остатка. Узимајући 1,8432 МХз као пример, након 16-струке поделе превеликог узорковања:
1,8432 МХз ÷ 16=115.2 кХз, што је једнако 115200 бпс.
Слично, 11,0592 МХз и 19,6608 МХз су 6 пута и 10,666… пута 1,8432 МХз, респективно (заправо, 11.0592=1.8432 × 6, 19.6608=1.8432 × 10,666… захтева ПЛЛ), али је уобичајеније да их се као фреквенција користи директно као МЦУ1 МХз. микро-контролер, који омогућава интерном УАРТ разделнику да генерише све стандардне брзине преноса путем дељења. Ако је изабрана целобројна фреквенција од 20 МХз, она се не може равномерно поделити са 115 200, што резултира кумулативном грешком и узрокује грешке оквира или губитак пакета.
2. Подршка за архитектуру бинарне{1}}поделе фреквенција поједностављује дизајн стабла сата
Фреквенције као што су 20,48 МХз, 10,24 МХз и 5,12 МХз могу се све изразити као 2ⁿ × 10 кХз (нпр. 20,48 МХз=2048 × 10 кХз). Након каскадирања ових фреквенција кроз бинарну поделу фреквенција, могу се генерисати под-домени такта као што су 10,24 МХз, 5,12 МХз, 2,56 МХз, 1,28 МХз итд. Овај приступ је добро-погодан за примену фреквенцијске поделе коришћењем бинарних бројача или померајућих регистара, што резултира једноставном структуром кола са добро-дефинисаним фазним односима и доследним временским маргинама између различитих фреквенција{19}}подељених тактова. Ове фреквенције се обично користе као базне фреквенције у индустријским ДСП-овима, ПЛЦ-овима и серво драјвовима.
3. Синтетизовано преко ПЛЛ-а како би се задовољили-стандарди брзе комуникације и аудио/видео узорковања
Модерни СоЦ-ови, оптички модули и видео процесори укључују ПЛЛ, који обично користе стандардне целобројне фреквенције (као што су 25 МХз или 24 МХз) као референцу, а затим генеришу специфичне не-фреквенције кроз целобројно дељење или множење, или дељење у разломцима. Типични примери укључују:
74,25 МХз: Такт узорковања видео записа високе{1}}дефинисане СМПТЕ стандардом, који се користи за формате као што су 1080и и 720п;
33,1776 МХз: Обично се налази у аудио кодецима и широкопојасним РФ предњим-ендовима; када се користи са ПЛЛ-ом, може прецизно да генерише породице брзине узорковања звука од 44,1 кХз или 48 кХз;
25,000625 МХз: Одређени Етхернет ПХИ-ови користе такт од 25 МХз са фракционим ПЛЛ-ом за генерисање прецизне серијске брзине преноса података од 125 МХз за подршку линијске брзине од 1 Гбпс (имајте на уму да се у пракси обично користе целобројни вишекратници од 25 МХз; ово је овде дато само у илустративне сврхе).
Треба напоменути да фракциона подела фреквенција уводи детерминистички подрхтавање и лажне сигнале. За апликације осетљиве на фазни шум, приоритет треба дати циљним фреквенцијама које се могу добити директно кроз цеобројну поделу фреквенција, или коришћењу нискошумних ПЛЛ-ова са одговарајуће конфигурисаним пропусним опсегом петље.
4. Поштовање историјских индустријских протокола и ЕМЦ разматрања
Историјски протоколи: УСБ 2.0 специфицира такт велике брзине{2}} од 48 МХз; Етхернет МАЦ-ови користе 25 МХз или 125 МХз; и сатови-реалног времена (РТЦ) раде на 32,768 кХз (2¹⁵ Хз). Ове фреквенције су биле фиксне када су стандарди успостављени и од тада су усвојене у целом индустријском ланцу, постајући де фацто стандарди.
Електромагнетна компатибилност (ЕМЦ): хармоници вишег{0}}реда целобројних фреквенција могу да се преклапају са опсезима напајања, РФ или бежичне комуникације, што доводи до сметњи. Одабир фреквенције осцилатора са фракционом компонентом може дисперговати или померити хармонијску енергију, чиме се смањују ЕМИ ризици и смањују трошкови филтрирања и заштите.
- Други кључни фактори у избору кристалног осцилатора
Поред вредности фреквенције, следећи инжењерски фактори су подједнако важни за избор:
Фазни шум и подрхтавање
Иако ПЛЛ могу да синтетишу било коју фреквенцију, фракциона подела фреквенције значајно смањује шум близу{0}}крајње фазе и насумично подрхтавање. За апликације као што су-оптички модули велике брзине, радар са милиметарским-таласима или 5Г фронтхаул, препоручује се да се директно изаберу кристални осцилатори са изворним фреквенцијама које испуњавају спецификације фазног шума како би се касније избегле недостатне маргине интегритета сигнала.
Време испоруке и цена
Не-нестандардне или прилагођене фреквенције обично захтевају дуго време испоруке и изазивају високе трошкове инжењеринга. У оквиру прихватљивих граница перформанси, приоритет треба дати индустријски-стандардним фреквенцијама (као што су уобичајене целобројне фреквенције као што су 25 МХз, 27 МХз, 40 МХз и 50 МХз, као и стандардне фракционе фреквенције поменуте у овом чланку) да би се скратио циклус истраживања и развоја и контролисали трошкови БОМ-а.
Компатибилност са домаћим заменама
Тренутно, домаћи произвођачи кварцних кристалних осцилатора покривају огромну већину уобичајено коришћених целобројних и фракционих стандардних фреквенција. Када бирате уређај, фокусирајте се на стабилност напајања, температурне карактеристике (као што су ±10 ппм и ±20 ппм) и параметре капацитета оптерећења да бисте осигурали компатибилност са захтевима улазног такта чипа главног контролера.
- Практичне препоруке за избор
прво,одредити ограничења системског сата: Наведите прецизне фреквенције такта које захтевају све периферне уређаје (УАРТ, И2С, СПИ, Етхернет, УСБ, Видео) и њихове дозвољене маргине грешке.
Изведите основну фреквенцију кристалног осцилатора обрнуто:Ако микроконтролер има уграђен-ПЛЛ, изаберите референтни кристални осцилатор који може да генерише циљне фреквенције преко целобројних или ниских-односа делимичне поделе. Дајте предност фреквенцијама са односом дељења мањим од 100 и имениоцем који је степен 2.
Проверите грешку дељења: Израчунајте да ли је грешка поделе мања од максималне брзине преноса/одступања брзине узорковања коју дозвољавају периферне јединице (обично < ±2%).
Процените ризик од ЕМИ:Извршите спектралну анализу високо{0}}хармоника; ако је потребно, изаберите тачку фреквенције која одступа од хармоника целог-реда.
Узмите у обзир доступност и цену: Док испуњавате захтеве перформанси, изаберите модел са довољном доступношћу на тржишту и типом паковања (нпр. ХЦ-49С, СМД 3,2 × 2,5 мм) који испуњава производне захтеве.