اصول طراحی و ملاحظات انتخاب فرکانس های کسری در نوسانگرهای کریستالی

اصول طراحی و ملاحظات انتخاب برای فرکانس های کسری در نوسانگرهای کریستالی

در طراحی سیستم‌های ساعت سخت‌افزاری، مهندسان اغلب با دسته‌ای از فرکانس‌های نوسان‌گر کریستالی به ظاهر «نامنظم» مانند 11.0592 مگاهرتز، 3.579545 مگاهرتز و 19.6608 مگاهرتز مواجه می‌شوند. این فرکانس‌ها با اجزای اعشاری خودسرانه انتخاب نمی‌شوند، اما نتیجه اجتناب‌ناپذیر ملاحظات طراحی مبتنی بر پروتکل‌های ارتباطی، محدودیت‌های تقسیم فرکانس-و الزامات معکوس سطح سیستم-می‌باشند. با شروع از اصول بنیادی، این مقاله منطق پشت تولید فرکانس‌های کسری را تحلیل می‌کند و روش‌های غربالگری عملی را برای انتخاب مولفه ارائه می‌کند.

• منطق طراحی هسته نقاط فرکانس کسری

به عنوان منبع ساعت سیستم، انتخاب فرکانس نوسانگر کریستالی همیشه برای برآوردن نیازهای زمان بندی دقیق مدارهای دیجیتال پایین دستی (مانند PLL ها، تقسیم کننده ها و ارتباطات سریال) تنظیم می شود. ظهور نقاط فرکانس کسری در درجه اول از چهار نوع محدودیت طراحی زیر ناشی می شود:

1.تطبیق با بخش عدد صحیح UART برای اطمینان از خطا{1}}نرخ‌های Baud سریال رایگان

نرخ باود سریال از ساعت سیستم از طریق تقسیم اعداد صحیح، طبق فرمول زیر مشتق می شود: نرخ باود=فرکانس ساعت / ضریب تقسیم

برای تولید دقیق نرخ باود استاندارد (مانند 9600، 19200 یا 115200 bps)، فرکانس ساعت باید بدون باقیمانده بر مقسوم‌کننده تقسیم شود. با در نظر گرفتن 1.8432 مگاهرتز به عنوان مثال، پس از تقسیم بیش نمونه برداری 16 برابری:

1.8432 مگاهرتز ÷ 16=115.2 کیلوهرتز، که برابر است با 115200 bps.

به طور مشابه، 11.0592 مگاهرتز و 19.6608 مگاهرتز به ترتیب 6 برابر و 10.666... ضربدر 1.8432 مگاهرتز هستند (در واقع، 11.0592=1.8432 × 6، 19.6608=1.8432 × 10.666 ... نیاز به یک PLL برای استفاده مستقیم از cCU5 دارد)، اما برای استفاده مستقیم از این فرکانس cCU5 رایج تر است. میکروکنترلر، به تقسیم کننده داخلی UART اجازه می دهد تا از طریق تقسیم، همه نرخ های باود استاندارد را تولید کند. اگر فرکانس عدد صحیح 20 مگاهرتز انتخاب شود، نمی توان آن را به طور مساوی بر 115200 تقسیم کرد و در نتیجه خطای تجمعی ایجاد می شود و باعث خطاهای فریم یا از دست دادن بسته می شود.

2. پشتیبانی از معماری تقسیم فرکانس باینری-طراحی درخت ساعت را ساده می‌کند

فرکانس‌هایی مانند 20.48 مگاهرتز، 10.24 مگاهرتز، و 5.12 مگاهرتز را می‌توان به صورت 2ⁿ × 10 کیلوهرتز بیان کرد (به عنوان مثال، 20.48 مگاهرتز=2048 × 10 کیلوهرتز). پس از آبشاری این فرکانس ها از طریق تقسیم فرکانس باینری، می توان دامنه های ساعت فرعی مانند 10.24 مگاهرتز، 5.12 مگاهرتز، 2.56 مگاهرتز، 1.28 مگاهرتز و غیره ایجاد کرد. این رویکرد برای اجرای تقسیم فرکانس با استفاده از شمارنده‌های باینری یا شیفت‌رجیسترها مناسب است، که منجر به یک ساختار مدار ساده با{18}}روابط فاز تعریف‌شده و حاشیه‌های زمان‌بندی ثابت بین فرکانس‌های مختلف{19}}ساعت‌های تقسیم‌شده می‌شود. این فرکانس ها معمولا به عنوان فرکانس های پایه در DSP های صنعتی، PLC ها و درایوهای سروو استفاده می شوند.

3. سنتز شده از طریق PLL برای برآوردن-ارتباطات با سرعت بالا و استانداردهای نمونه برداری صوتی/تصویری

SoCها، ماژول‌های نوری و پردازنده‌های ویدئویی مدرن دارای PLL هستند که معمولاً از فرکانس‌های عدد صحیح استاندارد (مانند 25 مگاهرتز یا 24 مگاهرتز) به عنوان مرجع استفاده می‌کنند و سپس فرکانس‌های غیر استاندارد خاصی را از طریق تقسیم اعداد صحیح یا ضرب یا تقسیم کسری ایجاد می‌کنند. نمونه های معمولی عبارتند از:

74.25 مگاهرتز: ساعت نمونه‌برداری ویدیویی با کیفیت بالا تعریف شده توسط استاندارد SMPTE، که برای فرمت‌هایی مانند 1080i و 720p استفاده می‌شود.

33.1776 مگاهرتز: معمولاً در کدک‌های صوتی و صفحه‌های جلویی RF باند پهن- یافت می‌شود. هنگامی که با PLL استفاده می شود، می تواند به طور دقیق خانواده های نرخ نمونه برداری صوتی 44.1 کیلوهرتز یا 48 کیلوهرتز را تولید کند.

25.000625 مگاهرتز: برخی از PHY های اترنت از یک ساعت 25 مگاهرتز با یک PLL کسری برای تولید نرخ داده سریال 125 مگاهرتز برای پشتیبانی از نرخ خط 1 گیگابیت بر ثانیه استفاده می کنند (توجه داشته باشید که مضرب های اعداد صحیح 25 مگاهرتز معمولاً در عمل استفاده می شوند؛ این در اینجا فقط برای مثال ارائه شده است).

لازم به ذکر است که تقسیم فرکانس کسری سیگنال های جعلی و جعلی را معرفی می کند. برای برنامه‌های حساس به نویز فاز، اولویت باید به فرکانس‌های هدفی داده شود که می‌توانند مستقیماً از طریق تقسیم فرکانس صحیح به دست آیند، یا استفاده از PLL‌های کم‌صدا-با پهنای باند حلقه به‌طور مناسب پیکربندی شده است.

4. پایبندی به پروتکل های صنعتی تاریخی و ملاحظات EMC

پروتکل‌های تاریخی: USB 2.0 ساعت سرعت بالای 48 مگاهرتز را مشخص می‌کند. مک های اترنت از 25 مگاهرتز یا 125 مگاهرتز استفاده می کنند. و ساعت‌های زمان واقعی (RTC) در 32.768 کیلوهرتز (215 هرتز) کار می‌کنند. این فرکانس ها در زمان ایجاد استانداردها ثابت شدند و از آن زمان در کل زنجیره صنعت به تصویب رسیدند و به استانداردهای واقعی تبدیل شدند.

سازگاری الکترومغناطیسی (EMC): هارمونیک‌های مرتبه بالاتر فرکانس‌های عدد صحیح ممکن است با منبع تغذیه، RF یا باندهای ارتباطی بی‌سیم همپوشانی داشته باشند و تداخل ایجاد کنند. انتخاب یک فرکانس نوسان ساز با یک جزء کسری می تواند انرژی هارمونیک را پراکنده یا جابجا کند، در نتیجه خطرات EMI را کاهش داده و هزینه های فیلتر و محافظ را کاهش می دهد.

• سایر عوامل کلیدی در انتخاب نوسانگر کریستالی

علاوه بر مقدار فرکانس، فاکتورهای مهندسی زیر برای انتخاب به همان اندازه مهم هستند:

نویز فاز و جیتر

اگرچه PLL ها می توانند هر فرکانسی را سنتز کنند، تقسیم فرکانس کسری به طور قابل توجهی نویز فاز پایانی-و لرزش تصادفی را کاهش می دهد. برای برنامه‌هایی مانند ماژول‌های نوری با سرعت بالا، رادار موج میلی‌متری یا 5G fronthaul، توصیه می‌شود که مستقیماً نوسانگرهای کریستالی با فرکانس‌های بومی که مشخصات نویز فاز را برآورده می‌کنند انتخاب کنید تا بعداً از حاشیه‌های یکپارچگی سیگنال ناکافی جلوگیری شود.

زمان و هزینه سرب

فرکانس‌های غیر استاندارد یا سفارشی معمولاً به زمان‌های طولانی نیاز دارند و هزینه‌های مهندسی بالایی را متحمل می‌شوند. در محدوده عملکرد قابل قبول، اولویت باید به فرکانس‌های استاندارد صنعتی (مانند فرکانس‌های عدد صحیح رایج مانند 25 مگاهرتز، 27 مگاهرتز، 40 مگاهرتز، و 50 مگاهرتز، و همچنین فرکانس‌های کسری استاندارد ذکر شده در این مقاله) برای کوتاه کردن و کنترل چرخه‌های تحقیق و توسعه داده شود.

سازگاری با جایگزین های داخلی

در حال حاضر، تولیدکنندگان داخلی نوسانگر کریستال کوارتز اکثریت قریب به اتفاق فرکانس‌های استاندارد اعداد صحیح و کسری را پوشش می‌دهند. هنگام انتخاب دستگاه، روی پایداری منبع، ویژگی‌های دما (مانند ppm 10± و ppm 20±) و پارامترهای ظرفیت بار تمرکز کنید تا از سازگاری با الزامات ورودی ساعت تراشه کنترل‌کننده میزبان اطمینان حاصل کنید.

• توصیه های عملی انتخاب

اول،تعیین محدودیت های ساعت سیستم: فرکانس‌های ساعت دقیق مورد نیاز همه تجهیزات جانبی (UART، I2S، SPI، Ethernet، USB، Video) و حاشیه‌های خطای مجاز آنها را فهرست کنید.

فرکانس بنیادی نوسانگر کریستالی را برعکس بدست آورید:اگر میکروکنترلر دارای یک PLL داخلی-است، یک نوسانگر کریستالی مرجع را انتخاب کنید که بتواند فرکانس های هدف را از طریق نسبت های تقسیم کسری صحیح یا پایین{1} تولید کند. به فرکانس هایی با نسبت تقسیم کمتر از 100 و مخرج توان 2 اولویت بدهید.

خطای تقسیم را بررسی کنید: محاسبه کنید که آیا خطای تقسیم کمتر از حداکثر انحراف نرخ باود/نمونه‌برداری مجاز توسط دستگاه‌های جانبی است (معمولاً <2±%).

ارزیابی ریسک EMI:انجام تجزیه و تحلیل طیفی هارمونیک های فرکانس بالا. در صورت لزوم، نقطه فرکانسی را انتخاب کنید که از هارمونیک‌های مرتبه صحیح-منحرف می‌شود.

در دسترس بودن و هزینه را در نظر بگیرید: در حالی که الزامات عملکرد را برآورده می کنید، مدلی را با در دسترس بودن بازار و نوع بسته بندی (مانند HC-49S، SMD 3.2 × 2.5 میلی متر) انتخاب کنید که الزامات تولید را برآورده کند.