Tasarım İlkeleri ve Seçimde Dikkat Edilecek Hususlar Kristal Osilatörlerde Kesirli Frekanslar için
Donanım saat sistemlerinin tasarımında mühendisler sıklıkla 11.0592 MHz, 3.579545 MHz ve 19.6608 MHz gibi görünüşte "düzensiz" kristal osilatör frekansları sınıfıyla karşılaşırlar. Ondalık bileşenlere sahip bu frekanslar keyfi olarak seçilmez, ancak iletişim protokollerine, frekans-bölüm kısıtlamalarına ve sistem-düzeyi ters gereksinimlerine dayalı tasarım hususlarının kaçınılmaz sonucudur. Bu makale, temel ilkelerden yola çıkarak kesirli frekansların üretilmesinin ardındaki mantığı analiz etmekte ve bileşen seçimi için pratik tarama yöntemleri sunmaktadır.
- Kesirli Frekans Noktalarının Temel Tasarım Mantığı
Sistem saat kaynağı olarak kristal osilatörün frekans seçimi her zaman aşağı yöndeki dijital devrelerin (PLL'ler, bölücüler ve seri iletişim gibi) hassas zamanlama gereksinimlerini karşılayacak şekilde uyarlanır. Kesirli frekans noktalarının ortaya çıkışı öncelikle aşağıdaki dört tür tasarım kısıtlamasından kaynaklanmaktadır:
1.Hatasız-Seri Baud Hızlarını Sağlamak için UART Tamsayı Bölümüne Uyarlama
Seri baud hızı, aşağıdaki formüle göre tam sayı bölümü yoluyla sistem saatinden türetilir: Baud hızı=Saat frekansı / Bölme faktörü
Standart baud hızlarını (9600, 19200 veya 115200 bps gibi) doğru bir şekilde oluşturmak için saat frekansının, kalan olmadan bölen tarafından bölünebilmesi gerekir. Örnek olarak 1,8432 MHz'i ele alırsak, 16 kat aşırı örnekleme bölümünden sonra:
1,8432 MHz ÷ 16=115.2 kHz, bu da 115200 bps'ye eşittir.
Benzer şekilde, 11,0592 MHz ve 19,6608 MHz sırasıyla 6 kat ve 10,666… çarpı 1,8432 MHz'dir (aslında, 11.0592=1.8432 × 6, 19.6608=1.8432 × 10,666… bir PLL gerektirir), ancak bunları 51 mikro-kontrolör gibi MCU'lar için doğrudan saat frekansı olarak kullanmak daha yaygındır; bu da dahili Bölme yoluyla tüm standart baud hızlarını oluşturmak için UART bölücü. 20 MHz'lik bir tamsayı frekansı seçilirse, 115.200'e eşit olarak bölünemez, bu da kümülatif hataya neden olur ve çerçeve hatalarına veya paket kaybına neden olur.
2.İkili frekans-bölüm mimarisi desteği, saat ağacı tasarımını basitleştirir
20,48 MHz, 10,24 MHz ve 5,12 MHz gibi frekansların tümü 2ⁿ × 10 kHz (örneğin, 20,48 MHz=2048 × 10 kHz) olarak ifade edilebilir. Bu frekanslar ikili frekans bölümü yoluyla basamaklandırıldıktan sonra, 10,24 MHz, 5,12 MHz, 2,56 MHz, 1,28 MHz vb. gibi saat altı alanları oluşturulabilir. Bu yaklaşım,-ikili sayaçlar veya kaydırma yazmaçları kullanarak frekans bölmeyi uygulamak için çok uygundur; iyi tanımlanmış faz ilişkilerine ve çeşitli frekans-bölünmüş saatler arasında tutarlı zamanlama marjlarına sahip basit bir devre yapısıyla sonuçlanır. Bu frekanslar genellikle endüstriyel DSP'lerde, PLC'lerde ve servo sürücülerde temel frekanslar olarak kullanılır.
3.Yüksek-hızlı iletişim ve ses/video örnekleme standartlarını karşılamak için PLL yoluyla sentezlendi
Modern SoC'ler, optik modüller ve video işlemciler, referans olarak genellikle standart tamsayı frekanslarını (25 MHz veya 24 MHz gibi) kullanan ve daha sonra tamsayı bölme veya çarpma veya kesirli bölme yoluyla standart olmayan belirli-olmayan frekanslar üreten PLL'leri içerir. Tipik örnekler şunları içerir:
74,25 MHz: SMPTE standardı tarafından tanımlanan, 1080i ve 720p gibi formatlar için kullanılan yüksek-yüksek tanımlı video örnekleme saati;
33,1776 MHz: Genellikle ses codec'lerinde ve geniş bant RF ön uçlarında- bulunur; PLL ile kullanıldığında 44,1 kHz veya 48 kHz ses örnekleme hızı ailelerini hassas bir şekilde üretebilir;
25,000625 MHz: Bazı Ethernet PHY'leri, 1 Gbps hat hızını desteklemek üzere kesin bir 125 MHz seri veri hızı oluşturmak için kesirli PLL ile 25 MHz'lik bir saat kullanır (pratikte 25 MHz'in tamsayı katlarının yaygın olarak kullanıldığını unutmayın; bu burada yalnızca açıklama amacıyla verilmiştir).
Kesirli frekans bölümünün deterministik titreşim ve sahte sinyaller ortaya çıkardığına dikkat edilmelidir. Faz gürültüsüne duyarlı uygulamalar için, doğrudan tamsayı frekans bölümü aracılığıyla elde edilebilecek hedef frekanslara veya uygun şekilde yapılandırılmış döngü bant genişliklerine sahip düşük-gürültü PLL'lerinin kullanımına öncelik verilmelidir.
4.Geçmiş Endüstri Protokollerine ve EMC Hususlarına Uyum
Geçmiş Protokoller: USB 2.0, 48 MHz yüksek-hızlı bir saati belirtir; Ethernet MAC'leri 25 MHz veya 125 MHz kullanır; ve gerçek-zaman saatleri (RTC'ler) 32,768 kHz'de (2¹⁵ Hz) çalışır. Bu frekanslar, standartlar oluşturulduğunda sabitlendi ve o zamandan beri tüm endüstri zincirinde benimsenerek fiili standartlar haline geldi.
Elektromanyetik Uyumluluk (EMC): Tamsayı frekansların-yüksek dereceli harmonikleri güç kaynağı, RF veya kablosuz iletişim bantlarıyla çakışarak parazite neden olabilir. Kesirli bileşene sahip bir osilatör frekansının seçilmesi, harmonik enerjiyi dağıtabilir veya değiştirebilir, böylece EMI riskleri azaltılabilir ve filtreleme ve koruma maliyetleri azaltılabilir.
- Kristal Osilatör Seçimindeki Diğer Anahtar Faktörler
Frekans değerine ek olarak aşağıdaki mühendislik faktörleri de seçim için aynı derecede önemlidir:
Faz Gürültüsü ve Titreşimi
Her ne kadar PLL'ler herhangi bir frekansı sentezleyebilse de, kesirli frekans bölümü, son faza yakın gürültüyü ve rastgele titreşimi önemli ölçüde azaltır. Yüksek-hızlı optik modüller, milimetre-dalga radarı veya 5G ön taşıyıcı gibi uygulamalar için, daha sonra yetersiz sinyal bütünlüğü marjlarını önlemek amacıyla, faz gürültüsü spesifikasyonlarını karşılayan doğal frekanslara sahip kristal osilatörlerin doğrudan seçilmesi önerilir.
Teslim Süresi ve Maliyet
Standart dışı{0}}veya özel frekanslar genellikle uzun teslim süreleri gerektirir ve yüksek mühendislik maliyetlerine neden olur. Kabul edilebilir performans sınırları dahilinde, Ar-Ge döngüsünü kısaltmak ve ürün reçetesi maliyetlerini kontrol etmek için endüstri-standart frekanslarına (25 MHz, 27 MHz, 40 MHz ve 50 MHz gibi ortak tam sayı frekanslarının yanı sıra bu makalede bahsedilen standart kesirli frekanslar gibi) öncelik verilmelidir.
Yerli İkamelerle Uyumluluk
Şu anda yerli kuvars kristal osilatör üreticileri, yaygın olarak kullanılan tam sayı ve kesirli standart frekansların büyük çoğunluğunu kapsamaktadır. Bir cihaz seçerken, ana bilgisayar denetleyici çipinin saat giriş gereksinimleriyle uyumluluğu sağlamak için besleme kararlılığına, sıcaklık özelliklerine (±10 ppm ve ±20 ppm gibi) ve yük kapasitans parametrelerine odaklanın.
- Pratik Seçim Önerileri
Birinci,sistem saati kısıtlamalarını belirleyin: Tüm çevre birimlerinin (UART, I2S, SPI, Ethernet, USB, Video) gerektirdiği kesin saat frekanslarını ve izin verilen hata marjlarını listeleyin.
Kristal osilatörün temel frekansını tersten türetin:Mikro denetleyicinin yerleşik bir-PLL'si varsa, tamsayı veya düşük-kesirli bölme oranları aracılığıyla hedef frekansları oluşturabilen bir referans kristal osilatörü seçin. Bölme oranı 100'ün altında olan ve paydası 2'nin kuvveti olan frekanslara öncelik verin.
Bölme hatasını doğrulayın: Bölme hatasının, çevre birimlerinin izin verdiği maksimum baud hızı/örnekleme hızı sapmasından (tipik olarak < ±%2) daha düşük olup olmadığını hesaplayın.
EMI riskini değerlendirin:Yüksek-frekans harmoniklerinin spektral analizini gerçekleştirin; gerekirse tamsayı-derece harmoniklerden sapan bir frekans noktası seçin.
Kullanılabilirliği ve maliyeti göz önünde bulundurun: Performans gereksinimlerini karşılarken, pazarda bol miktarda bulunurluğa sahip bir model ve üretim gereksinimlerini karşılayan bir paket türü (örn. HC-49S, SMD 3,2 × 2,5 mm) seçin.