Principis de concepcion e consideracions de seleccion per de frequéncias fraccionàrias dins d'oscilators de cristal
Dins lo dessenh de sistèmas de relòtge de maquinari, los engenhaires rescontran sovent una classa de frequéncias d'oscillators de cristal en aparéncia "irregularas", coma 11,0592 MHz, 3,579545 MHz, e 19,6608 MHz. Aquelas frequéncias amb de compausants decimals son pas causidas arbitràriament, mas son lo resultat inevitable de consideracions de concepcion basadas sus de protocòls de comunicacion, de contraintes de division de frequéncia-, e d'exigéncias d'invèrs al nivèl del sistèma-. A partir dels principis fondamentals, aqueste article analisa la logica darrièr la generacion de frequéncias fraccionàrias e provesís de metòdes de cribratge practics per la seleccion de compausants.
- Logica de dessenh de còr dels punts de frequéncia fraccionals
Coma font de relòtge del sistèma, la seleccion de frequéncia de l'oscillator de cristal es totjorn adaptada per respondre a las exigéncias de temporizacion precisas dels circuits numerics aval (coma los PLL, los divisors e la comunicacion en sèria). L'emergéncia de punts de frequéncia fraccionàrias ven subretot dels quatre tipes de contraintes de concepcion seguents:
1.Adaptacion a la division d'entièrs UART per assegurar de frequéncias de baud en sèria liuras d'errors-
La velocitat de baud seriala es derivada del relòtge del sistèma a travèrs de la division entièra, segon la formula seguenta: Frequéncia de baud=Frequéncia del relòtge / Factor de division
Per generar amb precision de tausses de baud estandard (coma 9600, 19200, o 115200 bps), la frequéncia del relòtge deu èsser divisibla pel divisor sens rèsta. Prenent 1,8432 MHz coma exemple, après una division de subremostrejament de 16 còps:
1,8432 MHz ÷ 16=115.2 kHz, qu'es egal a 115200 bps.
De manièra similara, 11,0592 MHz e 19,6608 MHz son 6 còps e 10,666... còps 1,8432 MHz, respectivament (en realitat, 11.0592=1.8432 × 6, 19.6608=1.8432 × 10,666... demanda un PLL), mas es mai comun per los utilizar dirèctament pel relòtge MCUs coma lo contrarotlador 51 micro-, permetent al divisor UART intèrne de generar totes los tausses de baud estandard a travèrs la division. Se una frequéncia entièra de 20 MHz es seleccionada, pòt pas èsser dividida egalament per 115 200, çò que resulta en una error cumulativa e causant d'errors d'imatge o de pèrda de paquets.
Lo supòrt per una arquitectura de division de frequéncia binària- simplifica lo dessenh de l'arbre de relòtge
De frequéncias coma 20,48 MHz, 10,24 MHz, e 5,12 MHz pòdon totas èsser exprimidas coma 2ⁿ × 10 kHz (per exemple, 20,48 MHz=2048 × 10 kHz). Après la cascada d'aquelas frequéncias a travèrs de la division de frequéncia binària, de domenis de relòtge sos- coma 10,24 MHz, 5,12 MHz, 2,56 MHz, 1,28 MHz, e aital endavant pòdon èsser generats. Aqueste apròchi es plan-adaptat per implementar la division de frequéncia en utilizant de comptadors binaris o de registres de desplaçament, çò que resulta en una estructura de circuit simpla amb de relacions de fasa plan-definidas e de marges de temporizacion coerents entre los divèrses relòtges de frequéncia-dividits. Aquestas frequéncias son comunament utilizadas coma frequéncias de basa dins los DSP industrials, los PLC e los servidors.
Sintetizat via PLL per respondre a las nòrmas de comunicacion de nauta velocitat e de mostrejament àudio/vidèo
Los SoC modèrnes, los moduls optics e los processors vidèo incorpòran de PLL, qu'utilizan tipicament de frequéncias entièras estandard (coma 25 MHz o 24 MHz) coma referéncia e generan puèi de frequéncias non-estandard especificas a travèrs de division o multiplicacion entièrs, o division fraccionala. Los exemples tipics incluson:
74,25 MHz : Lo relòtge d'escandalhatge vidèo de nauta-definicion definit per l'estandard SMPTE, utilizat per de formats coma 1080i e 720p;
33,1776 MHz: Trobat comunament dins los codecs àudio e los front-extrèms RF de banda larga; quand es utilizat amb un PLL, pòt generar amb precision las familhas de taus d'escantilh àudio de 44,1 kHz o 48 kHz;
25,000625 MHz: Certans PHYs d'Ethernet utilizan un relòtge de 25 MHz amb un PLL fraccionari per generar un taus de donadas en sèria precís de 125 MHz per prene en carga un taus de linha de 1 Gbps (notatz que los multiples entièrs de 25 MHz son comunament utilizats dins la practica; aquò es provesit aicí sonque per d'objectius illustratius).
Cal notar que la division de frequéncia fraccionala introdusís de jitter determinista e de senhals espuris. Per las aplicacions sensiblas al bruch de fasa, la prioritat deuriá èsser donada a las frequéncias cibla que pòdon èsser obtengudas dirèctament a travèrs de la division de frequéncias entièras, o a l'utilizacion de PLLs de bruch bas- amb de largors de banda de bucle configuradas apropriadament.
Adesion als protocòls istorics de l'industria e a las consideracions EMC
Protocòls istorics : USB 2.0 especifica un relòtge de 48 MHz nauta-velocitat ; Los MAC Ethernet utilizan 25 MHz o 125 MHz; e los relòtges de temps real- (RTCs) foncionan a 32,768 kHz (215 Hz). Aquelas frequéncias foguèron fixadas quand las nòrmas foguèron establidas e son estadas adoptadas dempuèi dins tota la cadena de l'industria, venent d'estandards de facto.
Compatibilitat electromagnetica (EMC): D'armonicas d'òrdre superior- de frequéncias entièras pòdon se superpausar amb d'alimentacion, de RF o de bandas de comunicacion sens fial, en introdusent d'interferéncias. La seleccion d'una frequéncia d'oscillator amb un compausant fraccionari pòt dispersar o desplaçar l'energia armonica, redusent aital los risques EMI e redusent los còstes de filtratge e de blindatge.
- D'autres factors claus dins la seleccion de l'oscillator de cristal
En mai de la valor de frequéncia, los factors d'engenharia seguents son egalament importants per la seleccion:
Bruch de fasa e jitter
E mai se los PLL pòdon sintetizar quina frequéncia que siá, la division de frequéncia fraccionala degrada significativament lo bruch de la fasa prèp de-fin e lo jitter aleatòri. Per d'aplicacions coma de moduls optics de granda velocitat, de radar d'ondas de millimètre-, o de fronthaul 5G, es recomandat de seleccionar dirèctament d'oscillators de cristal amb de frequéncias nativas que correspondon a las especificacions de bruch de fasa per evitar de marges d'integritat de senhal insufisents mai tard.
Temps de realizacion e còst
Las frequéncias non-estandard o personalizadas demandan tipicament de longs temps de realizacion e incorron a de còstes d'engenharia elevats. Dins de limits de performància acceptables, la prioritat deuriá èsser donada a las frequéncias estandard de l'industria- (coma las frequéncias entièras comunas coma 25 MHz, 27 MHz, 40 MHz, e 50 MHz, e tanben las frequéncias fraccionalas estandard mencionadas dins aqueste article) per acorchir los còstes de BOM del cicle de R&D e de contraròtle.
Compatibilitat amb de substituts domestics
Actualament, los fabricants domestics d'oscillators de cristal de quars cobrisson la granda majoritat de las frequéncias estandard entièras e fraccionàrias comunament utilizadas. Quand seleccionatz un periferic, concentratz-vos sus l'estabilitat de l'alimentacion, las caracteristicas de temperatura (coma ±10 ppm e ±20 ppm), e los paramètres de capacitat de carga per assegurar la compatibilitat amb las exigéncias d'entrada de relòtge del puce del contrarotlaire òste.
- Recomandacions de seleccion practica
Primièr,determinar las contraintes de relòtge del sistèma: Listar las frequéncias de relòtge precisas requeridas per totes los periferics (UART, I2S, SPI, Ethernet, USB, Vidèo) e lors marges d'error permeses.
Derivar la frequéncia fondamentala de l'oscillator de cristal a l'invèrs:Se lo microcontrolador a un PLL incorporat, seleccionatz un oscillator de cristal de referéncia capable de generar las frequéncias cibla a travèrs de rapòrts de division entièrs o bas-fraccionals. Donar la prioritat a las frequéncias amb un rapòrt de division inferior a 100 e un denominador qu'es una poténcia de 2.
Verificatz l'error de division: Calculatz se l'error de division es inferiora a la frequéncia de baud/desviacion maximala de taus d'escandalhatge autorizada pels periferics (tipicament < ±2%).
Avalorar lo risc EMI:Realizar una analisi espectrala d'armonics de nauta-frequéncia; se necessari, seleccionatz un punt de frequéncia que s'escarta de las armonicas d'òrdre entièr-.
Consideratz la disponibilitat e lo còst: En tot respondre a las exigéncias de performància, seleccionatz un modèl amb una disponibilitat sul mercat ampla e un tipe de paquet (per exemple, HC-49S, SMD 3,2 × 2,5 mm) que respond a las exigéncias de produccion.