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您的微控制器時(shí)鐘源有多重要
您的微控制器時(shí)鐘源有多重要
微控制器依賴于它們的時(shí)鐘源。處理器、總線和外設(shè)都使用時(shí)鐘來同步它們的操作。時(shí)鐘決定了處理器執(zhí)行指令的速度，因此它是性能的基礎(chǔ)。但是時(shí)鐘源有多重要？它的準(zhǔn)確度有關(guān)系嗎？簡(jiǎn)短的回答是，這取決于……這取決于微控制器正在做什么及其接口。
需要考慮兩個(gè)因素：時(shí)鐘的速度，它決定了事情發(fā)生的速度，以及時(shí)鐘的精度，它決定了每個(gè)時(shí)鐘滴答之間周期的一致性以及時(shí)鐘速度如何隨時(shí)間變化。
為什么時(shí)鐘源很重要
微控制器處理
可以將微控制器的中央處理器視為執(zhí)行特定功能的同步邏輯塊鏈。如果時(shí)鐘運(yùn)行太慢，則處理需要更長(zhǎng)的時(shí)間。如果時(shí)鐘運(yùn)行得太快，則可能沒有足夠的時(shí)間在下一組開始之前完成所需的操作——處理器與一系列不同的組件塊連接，從動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器到接口引腳。時(shí)鐘速度的任何重大錯(cuò)誤都會(huì)對(duì)內(nèi)部微控制器操作產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的后果。
數(shù)據(jù)采樣
微控制器時(shí)鐘信號(hào)將控制任何模數(shù)操作的轉(zhuǎn)換速率。的時(shí)鐘的速度將確定所述模擬信號(hào)進(jìn)行采樣的最大速率; 時(shí)鐘的精度將決定采樣率的精度。假設(shè)您每秒兩次記錄一個(gè)帶有時(shí)間戳的樣本。在這種情況下，時(shí)鐘頻率的百分之一誤差（內(nèi)部振蕩器并不罕見）很快就會(huì)消除樣本時(shí)間戳與掛鐘上顯示的時(shí)間之間的任何相關(guān)性。如果時(shí)鐘源有 1% 的恒定偏移，您的樣本的時(shí)間戳將每天超過 14 分鐘。
波形生成
至于數(shù)據(jù)采樣，微控制器時(shí)鐘信號(hào)將控制任何數(shù)模操作的轉(zhuǎn)換率。時(shí)鐘的速度將決定可以為模擬信號(hào)生成的最大頻率。時(shí)鐘的精度將決定生成波形的精度。
異步串行通信
微控制器時(shí)鐘信號(hào)的一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用是管理異步通信，其中時(shí)鐘信號(hào)決定何時(shí)對(duì)輸入數(shù)據(jù)流進(jìn)行采樣；一旦接收到起始位和輸出數(shù)據(jù)流的波形，就每個(gè)數(shù)據(jù)位之間的轉(zhuǎn)換何時(shí)發(fā)生而言。
對(duì)于異步通信，發(fā)送器和接收器依賴于具有相同的時(shí)鐘速度來編碼和解碼數(shù)據(jù)流。但是，這些時(shí)鐘不需要同步；它們只需要具有足夠相等的時(shí)鐘速率。這是因?yàn)榻邮掌髟跈z測(cè)到信號(hào)線上的第一個(gè)邊沿時(shí)開始處理傳入的數(shù)據(jù)流。然后它需要在數(shù)據(jù)流的持續(xù)時(shí)間內(nèi)保持正確的時(shí)鐘速度，以便在正確的時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)位進(jìn)行采樣。所需的精度將取決于必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣的窗口。每個(gè)數(shù)據(jù)位都可能具有其信號(hào)的上升沿和下降沿，其中數(shù)據(jù)的值不確定，從而在數(shù)據(jù)有效并可被采樣時(shí)留下沿之間的時(shí)間段。
該采樣周期將取決于通信鏈路的類型和長(zhǎng)度。長(zhǎng)傳輸長(zhǎng)度和高電容電纜會(huì)增加上升和下降時(shí)間。噪聲的存在還會(huì)增加信號(hào)穩(wěn)定所需的時(shí)間。
它還取決于時(shí)鐘速度和消息格式。對(duì)于短數(shù)據(jù)流，精度要求可能非常寬松，因?yàn)槊看谓邮盏叫聰?shù)據(jù)流時(shí)采樣時(shí)鐘都會(huì)重置。然而，對(duì)于具有長(zhǎng)數(shù)據(jù)流的高速串行通信，所需的精度可以變得更加精確。例如，CAN 總線協(xié)議使其對(duì)時(shí)鐘偏差非常敏感，以至于使用任何基于非晶振的時(shí)鐘信號(hào)源都可能出現(xiàn)問題。
以 UART 設(shè)備為例，我們可以看到絕對(duì)時(shí)鐘速率并不重要，因?yàn)?span lang="EN-US"> UART 接收器會(huì)在每一幀的開始同步。該問題簡(jiǎn)化為可以容忍發(fā)送和接收 UART 時(shí)鐘之間的差異。
時(shí)鐘源選項(xiàng)
在為任何特定微控制器選擇時(shí)鐘源時(shí)，通常有幾個(gè)不同的選項(xiàng)可供選擇。具體選項(xiàng)將取決于您將使用的微控制器的品牌和型號(hào)，因此我們將在此處討論所有標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng)。
不同選項(xiàng)的主要區(qū)別在于其準(zhǔn)確性、成本和組件數(shù)量。使用所有好的微控制器都包含的內(nèi)部時(shí)鐘源將是最便宜和最簡(jiǎn)單的選擇，但通常是最不準(zhǔn)確的。使用外部時(shí)鐘源將提高精度，但代價(jià)是需要在電路板上添加額外的組件并增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。
您選擇哪個(gè)選項(xiàng)取決于您需要什么樣的性能以及您在電路板空間和預(yù)算方面的限制。由于總是有多種替代選項(xiàng)可以為任何給定的微控制器生成時(shí)鐘信號(hào)，因此請(qǐng)研究特定設(shè)備的數(shù)據(jù)表。這通常會(huì)提供一些關(guān)于您可以使用哪些類型的時(shí)鐘源以及如何最好地實(shí)現(xiàn)它們的重要信息。
內(nèi)部振蕩器
微控制器通常帶有一個(gè)內(nèi)部電阻電容振蕩器產(chǎn)生基本時(shí)鐘信號(hào)和鎖相環(huán)以提供倍頻功能。使用內(nèi)部振蕩器的問題在于它們的準(zhǔn)確度明顯低于頻率穩(wěn)定性差的外部振蕩器。根據(jù)定義，微控制器芯片內(nèi)部不是放置任何 RC 電路的理想位置。這來自 RC 電路的高溫依賴性和固有的寬元件容差。通常，具有良好熱管理的微控制器可以提供精度在 1% 到 5% 范圍內(nèi)的時(shí)鐘信號(hào)。這對(duì)于一些較慢的異步通信總線和管理低頻模擬信號(hào)處理來說可能已經(jīng)足夠了。盡管如此，在大多數(shù)典型應(yīng)用中，這還是太不準(zhǔn)確了。
可能值得簡(jiǎn)要提及的是，可以通過使用鎖相環(huán)來提高內(nèi)部振蕩器的性能，以允許更準(zhǔn)確的外部時(shí)鐘信號(hào)來校正內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)。但是，如果外部時(shí)鐘信號(hào)可用，那么使用它而不是內(nèi)部時(shí)鐘是有意義的，除非微控制器有任何特定的限制會(huì)阻止這種情況發(fā)生。
外部振蕩器
微控制器的時(shí)鐘源有兩種主要類型：機(jī)械諧振設(shè)備，包括晶體和陶瓷諧振器，以及無源 RC 振蕩器。
振蕩器的最基本形式是 RC 電路，它模擬內(nèi)部振蕩器電路，但使用精度值更高的組件，并使用熱管理技術(shù)將組件與微控制器和電路的任何其他熱元件產(chǎn)生的熱量隔離。雖然這可以將精度至少提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，但它是迄今為止外部振蕩器精度最低的選擇，并且可以以相對(duì)相似的成本和占位面積提供更好的解決方案。RC 電路產(chǎn)生的時(shí)鐘也會(huì)受到電源電平波動(dòng)的影響并且容易受到電干擾，從而限制了它們?cè)诖蠖鄶?shù)典型應(yīng)用中的實(shí)用性。
晶體振蕩器是需要精密時(shí)鐘信號(hào)的最常見的外部振蕩器形式。石英晶體和支持電路提供出色的穩(wěn)定性和精度。一個(gè)典型的低成本晶體振蕩器的精度可以超過百分之一——除了對(duì)時(shí)間最敏感的應(yīng)用之外的所有應(yīng)用都綽綽有余。然而，石英晶體可能會(huì)受到環(huán)境因素的影響，可能需要額外的保護(hù)。石英晶體的支持電路也可能導(dǎo)致高阻抗輸出，需要額外的阻抗匹配才能與電路的其余部分集成。如果您的預(yù)算允許，使用現(xiàn)成的晶體振蕩器模塊而不是分立元件可以降低對(duì)環(huán)境影響的敏感性并使電路板設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單。
另一種選擇是基于 IC 諧振器電路的硅振蕩器，它易于實(shí)現(xiàn)，精度約為 0.05%。比外部 RC 電路略好，但遠(yuǎn)不及晶體振蕩器。然而，硅振蕩器比晶體振蕩器更堅(jiān)固可靠，非常適合設(shè)備可能受到嚴(yán)重機(jī)械振動(dòng)的工作環(huán)境。
最后，可以使用陶瓷諧振器，其精度不如晶體振蕩器，但比硅振蕩器更準(zhǔn)確。它們基于壓電陶瓷材料，使用共振機(jī)械振動(dòng)來產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。它們的主要優(yōu)點(diǎn)是它們采用簡(jiǎn)單的集成封裝，比晶體振蕩器及其支持組件占用的空間更小。然而，與晶體振蕩器一樣，它們對(duì)環(huán)境因素很敏感，包括溫度、濕度、振動(dòng)和電干擾。
選擇外部振蕩器時(shí)，選項(xiàng)的功耗可能是您決定的一個(gè)因素。分立振蕩器電路的功耗主要由反饋放大器的電源電流及其電容值決定。典型的晶體振蕩器電路將消耗數(shù)十毫安電流。陶瓷諧振器電路通常需要比晶體振蕩器更大的負(fù)載電容值，從而需要更多的功率。硅振蕩器的功耗主要與工作頻率成正比。盡管如此，它們?nèi)杂卸喾N選擇，從消耗幾毫安的低功率設(shè)備到消耗數(shù)十毫安的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。
結(jié)論
總而言之，您的微控制器需要使用哪種類型的時(shí)鐘信號(hào)主要取決于它所嵌入的設(shè)備的性質(zhì)及其操作環(huán)境。與高速異步通信總線和高頻模擬信號(hào)的接口將推動(dòng)對(duì)精確時(shí)鐘信號(hào)的需求。假設(shè)設(shè)備需要在惡劣的環(huán)境中運(yùn)行，無論是在很寬的溫度范圍內(nèi)，還是在高水平的電磁干擾中，或者受到機(jī)械振動(dòng)的影響。在這種情況下，它可以限制可用的選擇。沒有這種時(shí)間敏感或環(huán)境挑戰(zhàn)要求的微控制器可以使用更便宜的解決方案。