Prinsip Reka Bentuk dan Pertimbangan Pemilihan untuk Frekuensi Pecahan dalam Pengayun Kristal
Dalam reka bentuk sistem jam perkakasan, jurutera sering menghadapi kelas frekuensi pengayun kristal yang kelihatan "tidak teratur", seperti 11.0592 MHz, 3.579545 MHz dan 19.6608 MHz. Kekerapan dengan komponen perpuluhan ini tidak dipilih sewenang-wenangnya, tetapi merupakan hasil pertimbangan reka bentuk yang tidak dapat dielakkan berdasarkan protokol komunikasi,-kekangan pembahagian kekerapan dan-keperluan terbalik tahap sistem. Bermula dari prinsip asas, artikel ini menganalisis logik di sebalik penjanaan frekuensi pecahan dan menyediakan kaedah penapisan praktikal untuk pemilihan komponen.
- Logik Reka Bentuk Teras Titik Frekuensi Pecahan
Sebagai sumber jam sistem, pemilihan frekuensi pengayun kristal sentiasa disesuaikan untuk memenuhi keperluan pemasaan yang tepat bagi litar digital hiliran (seperti PLL, pembahagi dan komunikasi bersiri). Kemunculan titik frekuensi pecahan terutamanya berpunca daripada empat jenis kekangan reka bentuk berikut:
1. Menyesuaikan diri dengan Bahagian Integer UART untuk Memastikan Ralat-Kadar Baud Bersiri Percuma
Kadar baud bersiri diperoleh daripada jam sistem melalui pembahagian integer, mengikut formula berikut: Kadar baud=Kekerapan jam / Faktor pembahagian
Untuk menjana kadar baud standard dengan tepat (seperti 9600, 19200 atau 115200 bps), kekerapan jam mesti boleh dibahagikan dengan pembahagi tanpa baki. Mengambil 1.8432 MHz sebagai contoh, selepas pembahagian pensampelan 16 kali ganda:
1.8432 MHz ÷ 16=115.2 kHz, yang bersamaan dengan 115200 bps.
Begitu juga, 11.0592 MHz dan 19.6608 MHz ialah 6 kali dan 10.666… darab 1.8432 MHz, masing-masing (sebenarnya, 11.0592=1.8432 × 6, 19.6608=1.8432 × 10.666… memerlukan PLL), tetapi lebih lazim untuk menggunakannya secara langsung sebagai 51 clock. mikro{10}}pengawal, membenarkan pembahagi UART dalaman menjana semua kadar baud standard melalui pembahagian. Jika frekuensi integer 20 MHz dipilih, ia tidak boleh dibahagikan sama rata dengan 115,200, mengakibatkan ralat kumulatif dan menyebabkan ralat bingkai atau kehilangan paket.
2.Sokongan untuk seni bina bahagian frekuensi binari-memudahkan reka bentuk pokok jam
Kekerapan seperti 20.48 MHz, 10.24 MHz dan 5.12 MHz semuanya boleh dinyatakan sebagai 2ⁿ × 10 kHz (cth, 20.48 MHz=2048 × 10 kHz). Selepas melonjakkan frekuensi ini melalui pembahagian frekuensi binari, sub{11}}domain jam seperti 10.24 MHz, 5.12 MHz, 2.56 MHz, 1.28 MHz dan sebagainya boleh dijana. Pendekatan ini sangat-sesuai untuk melaksanakan pembahagian frekuensi menggunakan pembilang binari atau daftar anjakan, menghasilkan struktur litar ringkas dengan-hubungan fasa yang jelas dan margin pemasaan yang konsisten antara pelbagai frekuensi-jam yang dibahagikan. Frekuensi ini biasanya digunakan sebagai frekuensi asas dalam DSP industri, PLC, dan pemacu servo.
3.Disintesis melalui PLL untuk memenuhi-persamaan kelajuan tinggi dan standard pensampelan audio/video
SoC moden, modul optik dan pemproses video menggabungkan PLL, yang biasanya menggunakan frekuensi integer standard (seperti 25 MHz atau 24 MHz) sebagai rujukan dan kemudian menjana frekuensi bukan-standard tertentu melalui pembahagian integer atau pendaraban, atau pembahagian pecahan. Contoh biasa termasuk:
74.25 MHz: Jam pensampelan video definisi tinggi-yang ditakrifkan oleh standard SMPTE, digunakan untuk format seperti 1080i dan 720p;
33.1776 MHz: Biasanya ditemui dalam codec audio dan bahagian hadapan RF jalur lebar-hujung; apabila digunakan dengan PLL, ia boleh menjana keluarga kadar pensampelan audio 44.1 kHz atau 48 kHz dengan tepat;
25.000625 MHz: PHY Ethernet tertentu menggunakan jam 25 MHz dengan PLL pecahan untuk menjana kadar data bersiri 125 MHz yang tepat untuk menyokong kadar talian 1 Gbps (perhatikan bahawa gandaan integer 25 MHz biasanya digunakan dalam amalan; ini disediakan di sini untuk tujuan ilustrasi sahaja).
Perlu diingat bahawa pembahagian frekuensi pecahan memperkenalkan jitter deterministik dan isyarat palsu. Untuk aplikasi yang sensitif kepada hingar fasa, keutamaan harus diberikan kepada frekuensi sasaran yang boleh diperoleh secara terus melalui pembahagian frekuensi integer atau kepada penggunaan PLL-bunyi rendah dengan lebar jalur gelung yang dikonfigurasikan dengan betul.
4. Pematuhan kepada Protokol Industri Sejarah dan Pertimbangan EMC
Protokol Sejarah: USB 2.0 menentukan jam berkelajuan tinggi-48 MHz; MAC Ethernet menggunakan 25 MHz atau 125 MHz; dan -jam masa sebenar (RTC) beroperasi pada 32.768 kHz (2¹⁵ Hz). Frekuensi ini telah ditetapkan apabila piawaian diwujudkan dan sejak itu telah diterima pakai di seluruh rantaian industri, menjadi piawaian de facto.
Keserasian Elektromagnet (EMC): Harmonik tertib{0}}yang lebih tinggi bagi frekuensi integer mungkin bertindih dengan bekalan kuasa, RF atau jalur komunikasi wayarles, yang menimbulkan gangguan. Memilih frekuensi pengayun dengan komponen pecahan boleh memencarkan atau mengalihkan tenaga harmonik, dengan itu mengurangkan risiko EMI dan mengurangkan kos penapisan dan perisai.
- Faktor Utama Lain dalam Pemilihan Pengayun Kristal
Sebagai tambahan kepada nilai kekerapan, faktor kejuruteraan berikut adalah sama penting untuk pemilihan:
Fasa Kebisingan dan Kegelisahan
Walaupun PLL boleh mensintesis sebarang frekuensi, pembahagian frekuensi pecahan merendahkan dengan ketara-bunyi fasa akhir dan kegelisahan rawak. Untuk aplikasi seperti-modul optik berkelajuan tinggi, milimeter-radar gelombang, atau fronthaul 5G, adalah disyorkan untuk memilih terus pengayun kristal dengan frekuensi asli yang memenuhi spesifikasi hingar fasa untuk mengelakkan margin integriti isyarat yang tidak mencukupi kemudian hari.
Masa Utama dan Kos
Frekuensi bukan-standard atau tersuai biasanya memerlukan masa pendahuluan yang panjang dan menanggung kos kejuruteraan yang tinggi. Dalam had prestasi yang boleh diterima, keutamaan harus diberikan kepada-frekuensi standard industri (seperti frekuensi integer biasa seperti 25 MHz, 27 MHz, 40 MHz dan 50 MHz, serta frekuensi pecahan standard yang disebut dalam artikel ini) untuk memendekkan kitaran R&D dan mengawal kos BOM.
Keserasian dengan Pengganti Domestik
Pada masa ini, pengeluar pengayun kristal kuarza domestik meliputi sebahagian besar frekuensi piawai integer dan pecahan yang biasa digunakan. Apabila memilih peranti, fokus pada kestabilan bekalan, ciri suhu (seperti ±10 ppm dan ±20 ppm), dan muatkan parameter kapasitans untuk memastikan keserasian dengan keperluan input jam cip pengawal hos.
- Syor Pemilihan Praktikal
pertama,tentukan kekangan jam sistem: Senaraikan frekuensi jam tepat yang diperlukan oleh semua peranti (UART, I2S, SPI, Ethernet, USB, Video) dan margin ralat yang dibenarkan.
Terbitkan frekuensi asas pengayun kristal secara terbalik:Jika mikropengawal mempunyai PLL terbina dalam-, pilih pengayun kristal rujukan yang mampu menjana frekuensi sasaran melalui integer atau nisbah pembahagian pecahan-rendah. Beri keutamaan kepada frekuensi dengan nisbah pembahagian kurang daripada 100 dan penyebut yang mempunyai kuasa 2.
Sahkan ralat pembahagian: Kira sama ada ralat pembahagian kurang daripada kadar baud maksimum/penyimpangan kadar pensampelan yang dibenarkan oleh persisian (biasanya < ±2%).
Menilai risiko EMI:Lakukan analisis spektrum harmonik frekuensi tinggi-; jika perlu, pilih titik frekuensi yang menyimpang daripada integer-harmonik tertib.
Pertimbangkan ketersediaan dan kos: Semasa memenuhi keperluan prestasi, pilih model dengan ketersediaan pasaran yang mencukupi dan jenis pakej (cth, HC-49S, SMD 3.2 × 2.5 mm) yang memenuhi keperluan pengeluaran.