Nguyên tắc thiết kế và cân nhắc lựa chọn cho tần số phân số trong bộ dao động tinh thể
Trong thiết kế hệ thống đồng hồ phần cứng, các kỹ sư thường gặp phải một loại tần số dao động tinh thể dường như "không đều", chẳng hạn như 11,0592 MHz, 3,579545 MHz và 19,6608 MHz. Các tần số có thành phần thập phân này không được chọn tùy ý mà là kết quả tất yếu của quá trình cân nhắc thiết kế dựa trên các giao thức truyền thông, các ràng buộc phân chia tần số-và các yêu cầu đảo ngược cấp hệ thống-. Bắt đầu từ các nguyên tắc cơ bản, bài viết này phân tích logic đằng sau việc tạo ra các tần số phân đoạn và cung cấp các phương pháp sàng lọc thực tế để lựa chọn thành phần.
- Logic thiết kế cốt lõi của các điểm tần số phân số
Là nguồn đồng hồ hệ thống, việc lựa chọn tần số của bộ dao động tinh thể luôn được điều chỉnh để đáp ứng các yêu cầu về thời gian chính xác của các mạch kỹ thuật số xuôi dòng (chẳng hạn như PLL, bộ chia và giao tiếp nối tiếp). Sự xuất hiện của các điểm tần số phân đoạn chủ yếu xuất phát từ bốn loại ràng buộc thiết kế sau:
1.Thích ứng với Phân chia số nguyên UART để đảm bảo lỗi-Tốc độ truyền nối tiếp miễn phí
Tốc độ truyền nối tiếp được lấy từ đồng hồ hệ thống thông qua phép chia số nguyên, theo công thức sau: Tốc độ truyền=Tần số đồng hồ / Hệ số chia
Để tạo chính xác tốc độ truyền tiêu chuẩn (chẳng hạn như 9600, 19200 hoặc 115200 bps), tần số xung nhịp phải chia hết cho số chia mà không có số dư. Lấy 1,8432 MHz làm ví dụ, sau khi chia quá mức 16 lần:
1,8432 MHz ÷ 16=115.2 kHz, tương đương 115200 bps.
Tương tự, 11,0592 MHz và 19,6608 MHz lần lượt là 6 lần và 10,666… lần 1,8432 MHz (trên thực tế, 11.0592=1.8432 × 6, 19.6608=1.8432 × 10,666… yêu cầu PLL), nhưng phổ biến hơn là sử dụng chúng trực tiếp làm tần số xung nhịp cho MCU chẳng hạn như bộ điều khiển 51 micro{10}}, cho phép bộ chia UART bên trong để tạo ra tất cả tốc độ truyền tiêu chuẩn thông qua phép chia. Nếu chọn tần số nguyên 20 MHz thì không thể chia đều cho 115.200, dẫn đến lỗi tích lũy và gây ra lỗi khung hoặc mất gói.
2. Hỗ trợ kiến trúc phân chia tần số nhị phân-giúp đơn giản hóa thiết kế cây đồng hồ
Các tần số như 20,48 MHz, 10,24 MHz và 5,12 MHz đều có thể được biểu thị bằng 2ⁿ × 10 kHz (ví dụ: 20,48 MHz=2048 × 10 kHz). Sau khi xếp tầng các tần số này thông qua phân chia tần số nhị phân, các miền đồng hồ phụ như 10,24 MHz, 5,12 MHz, 2,56 MHz, 1,28 MHz, v.v. có thể được tạo. Cách tiếp cận này rất{17}}phù hợp để triển khai phân chia tần số bằng cách sử dụng bộ đếm nhị phân hoặc thanh ghi dịch chuyển, dẫn đến cấu trúc mạch đơn giản với các mối quan hệ pha được xác định rõ ràng và biên độ thời gian nhất quán giữa các đồng hồ được phân chia tần số khác nhau. Các tần số này thường được sử dụng làm tần số cơ bản trong DSP, PLC và bộ điều khiển servo công nghiệp.
3.Được tổng hợp qua PLL để đáp ứng-các tiêu chuẩn lấy mẫu âm thanh/video và giao tiếp tốc độ cao
SoC, mô-đun quang và bộ xử lý video hiện đại kết hợp PLL, thường sử dụng tần số số nguyên tiêu chuẩn (chẳng hạn như 25 MHz hoặc 24 MHz) làm tham chiếu và sau đó tạo ra các tần số không-chuẩn cụ thể thông qua phép chia hoặc nhân số nguyên hay chia phân số. Các ví dụ điển hình bao gồm:
74,25 MHz: Đồng hồ lấy mẫu video độ phân giải cao-được xác định theo tiêu chuẩn SMPTE, được sử dụng cho các định dạng như 1080i và 720p;
33,1776 MHz: Thường thấy trong codec âm thanh và giao diện người dùng RF băng thông rộng-; khi được sử dụng với PLL, nó có thể tạo ra chính xác các nhóm tốc độ lấy mẫu âm thanh 44,1 kHz hoặc 48 kHz;
25.000625 MHz: Một số PHY Ethernet nhất định sử dụng xung nhịp 25 MHz với PLL phân đoạn để tạo ra tốc độ dữ liệu nối tiếp 125 MHz chính xác nhằm hỗ trợ tốc độ đường truyền 1 Gbps (lưu ý rằng bội số nguyên của 25 MHz thường được sử dụng trong thực tế; điều này được cung cấp ở đây chỉ nhằm mục đích minh họa).
Cần lưu ý rằng việc phân chia tần số theo tỷ lệ đưa ra các tín hiệu nhiễu và giả xác định. Đối với các ứng dụng nhạy cảm với nhiễu pha, nên ưu tiên cho các tần số mục tiêu có thể thu được trực tiếp thông qua phân chia tần số theo số nguyên hoặc sử dụng PLL có độ nhiễu-thấp với băng thông vòng lặp được định cấu hình phù hợp.
4.Tuân thủ các giao thức lịch sử của ngành và những cân nhắc về EMC
Giao thức lịch sử: USB 2.0 chỉ định đồng hồ tốc độ cao- là 48 MHz; Ethernet MAC sử dụng 25 MHz hoặc 125 MHz; và đồng hồ thời gian thực (RTC) hoạt động ở tần số 32,768 kHz (2¹⁵ Hz). Các tần số này đã được cố định khi các tiêu chuẩn được thiết lập và kể từ đó đã được áp dụng trên toàn bộ chuỗi ngành, trở thành các tiêu chuẩn trên thực tế.
Khả năng tương thích điện từ (EMC): Sóng hài bậc cao-của tần số nguyên có thể trùng với các dải tần nguồn điện, RF hoặc giao tiếp không dây, gây nhiễu. Việc chọn tần số dao động với thành phần phân đoạn có thể phân tán hoặc dịch chuyển năng lượng hài, do đó giảm rủi ro EMI và giảm chi phí lọc và che chắn.
- Các yếu tố chính khác trong việc lựa chọn bộ dao động tinh thể
Ngoài giá trị tần số, các yếu tố kỹ thuật sau đây cũng quan trọng không kém để lựa chọn:
Nhiễu pha và Jitter
Mặc dù PLL có thể tổng hợp bất kỳ tần số nào, nhưng việc phân chia tần số theo phân đoạn sẽ làm giảm đáng kể nhiễu pha gần{0}}và hiện tượng biến động ngẫu nhiên. Đối với các ứng dụng như mô-đun quang-tốc độ cao, radar sóng milimet- hoặc đường truyền 5G, bạn nên chọn trực tiếp bộ dao động tinh thể có tần số gốc đáp ứng các thông số kỹ thuật về nhiễu pha để tránh biên độ toàn vẹn tín hiệu không đủ sau này.
Thời gian và chi phí
Tần số không{0}}chuẩn hoặc tùy chỉnh thường yêu cầu thời gian thực hiện dài và phát sinh chi phí kỹ thuật cao. Trong giới hạn hiệu suất có thể chấp nhận được, cần ưu tiên cho các tần số tiêu chuẩn-ngành (chẳng hạn như các tần số nguyên phổ biến như 25 MHz, 27 MHz, 40 MHz và 50 MHz, cũng như các tần số phân đoạn tiêu chuẩn được đề cập trong bài viết này) để rút ngắn chu trình R&D và kiểm soát chi phí BOM.
Khả năng tương thích với các sản phẩm thay thế trong nước
Hiện nay, các nhà sản xuất máy tạo dao động tinh thể thạch anh trong nước bao gồm phần lớn các tần số tiêu chuẩn số nguyên và phân số thường được sử dụng. Khi chọn thiết bị, hãy tập trung vào độ ổn định của nguồn, đặc tính nhiệt độ (chẳng hạn như ±10 ppm và ±20 ppm) và các thông số điện dung tải để đảm bảo khả năng tương thích với yêu cầu đầu vào đồng hồ của chip điều khiển máy chủ.
- Khuyến nghị lựa chọn thực tế
Đầu tiên,xác định các ràng buộc về đồng hồ hệ thống: Liệt kê tần số xung nhịp chính xác theo yêu cầu của tất cả các thiết bị ngoại vi (UART, I2S, SPI, Ethernet, USB, Video) và giới hạn lỗi cho phép của chúng.
Suy ra tần số cơ bản của bộ dao động tinh thể ngược lại:Nếu bộ vi điều khiển có PLL tích hợp, hãy chọn bộ tạo dao động tinh thể tham chiếu có khả năng tạo ra tần số mục tiêu thông qua tỷ lệ phân chia số nguyên hoặc{1}}phân số thấp. Ưu tiên các tần số có tỷ số chia nhỏ hơn 100 và mẫu số là lũy thừa của 2.
Xác minh lỗi chia: Tính toán xem lỗi phân chia có nhỏ hơn tốc độ truyền/độ lệch tốc độ lấy mẫu tối đa mà các thiết bị ngoại vi cho phép hay không (thường là < ±2%).
Đánh giá rủi ro EMI:Thực hiện phân tích quang phổ của các sóng hài tần số-cao; nếu cần, hãy chọn một điểm tần số lệch khỏi các hài bậc số nguyên.
Xem xét tình trạng sẵn có và chi phí: Trong khi đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất, hãy chọn một mẫu có sẵn trên thị trường rộng rãi và loại gói (ví dụ: HC-49S, SMD 3,2 × 2,5 mm) đáp ứng yêu cầu sản xuất.