您的微控制器时钟源有(yǒu)多(duō)重要

2021-10-28

您的微控制器时钟源有(yǒu)多(duō)重要

微控制器依赖于它们的时钟源。处理(lǐ)器、总線(xiàn)和外设都使用(yòng)时钟来同步它们的操作。时钟决定了处理(lǐ)器执行指令的速度，因此它是性能(néng)的基础。但是时钟源有(yǒu)多(duō)重要？它的准确度有(yǒu)关系吗？简短的回答(dá)是，这取决于……这取决于微控制器正在做什么及其接口。

需要考虑两个因素：时钟的速度，它决定了事情发生的速度，以及时钟的精度，它决定了每个时钟滴答(dá)之间周期的一致性以及时钟速度如何随时间变化。

為(wèi)什么时钟源很(hěn)重要

微控制器处理(lǐ)

可(kě)以将微控制器的中央处理(lǐ)器视為(wèi)执行特定功能(néng)的同步逻辑块链。如果时钟运行太慢，则处理(lǐ)需要更長(cháng)的时间。如果时钟运行得太快，则可(kě)能(néng)没有(yǒu)足够的时间在下一组开始之前完成所需的操作——处理(lǐ)器与一系列不同的组件块连接，从动态存储器到接口引脚。时钟速度的任何重大错误都会对内部微控制器操作产生不可(kě)预测的后果。

数据采样

微控制器时钟信号将控制任何模数操作的转换速率。的时钟的速度将确定所述模拟信号进行采样的最大速率; 时钟的精度将决定采样率的精度。假设您每秒(miǎo)两次记录一个带有(yǒu)时间戳的样本。在这种情况下，时钟频率的百分(fēn)之一误差（内部振荡器并不罕见）很(hěn)快就会消除样本时间戳与挂钟上显示的时间之间的任何相关性。如果时钟源有(yǒu) 1% 的恒定偏移，您的样本的时间戳将每天超过 14 分(fēn)钟。

波形生成

至于数据采样，微控制器时钟信号将控制任何数模操作的转换率。时钟的速度将决定可(kě)以為(wèi)模拟信号生成的最大频率。时钟的精度将决定生成波形的精度。

异步串行通信

微控制器时钟信号的一个关键应用(yòng)是管理(lǐ)异步通信，其中时钟信号决定何时对输入数据流进行采样；一旦接收到起始位和输出数据流的波形，就每个数据位之间的转换何时发生而言。

对于异步通信，发送器和接收器依赖于具有(yǒu)相同的时钟速度来编码和解码数据流。但是，这些时钟不需要同步；它们只需要具有(yǒu)足够相等的时钟速率。这是因為(wèi)接收器在检测到信号線(xiàn)上的第一个边沿时开始处理(lǐ)传入的数据流。然后它需要在数据流的持续时间内保持正确的时钟速度，以便在正确的时间对数据位进行采样。所需的精度将取决于必须对数据进行采样的窗口。每个数据位都可(kě)能(néng)具有(yǒu)其信号的上升沿和下降沿，其中数据的值不确定，从而在数据有(yǒu)效并可(kě)被采样时留下沿之间的时间段。

该采样周期将取决于通信链路的类型和長(cháng)度。長(cháng)传输長(cháng)度和高電(diàn)容電(diàn)缆会增加上升和下降时间。噪声的存在还会增加信号稳定所需的时间。

它还取决于时钟速度和消息格式。对于短数据流，精度要求可(kě)能(néng)非常宽松，因為(wèi)每次接收到新(xīn)数据流时采样时钟都会重置。然而，对于具有(yǒu)長(cháng)数据流的高速串行通信，所需的精度可(kě)以变得更加精确。例如，CAN 总線(xiàn)协议使其对时钟偏差非常敏感，以至于使用(yòng)任何基于非晶振的时钟信号源都可(kě)能(néng)出现问题。

以 UART 设备為(wèi)例，我们可(kě)以看到绝对时钟速率并不重要，因為(wèi) UART 接收器会在每一帧的开始同步。该问题简化為(wèi)可(kě)以容忍发送和接收 UART 时钟之间的差异。

时钟源选项

在為(wèi)任何特定微控制器选择时钟源时，通常有(yǒu)几个不同的选项可(kě)供选择。具體(tǐ)选项将取决于您将使用(yòng)的微控制器的品牌和型号，因此我们将在此处讨论所有(yǒu)标准选项。

不同选项的主要區(qū)别在于其准确性、成本和组件数量。使用(yòng)所有(yǒu)好的微控制器都包含的内部时钟源将是最便宜和最简单的选择，但通常是最不准确的。使用(yòng)外部时钟源将提高精度，但代价是需要在電(diàn)路板上添加额外的组件并增加设计的复杂性。

您选择哪个选项取决于您需要什么样的性能(néng)以及您在電(diàn)路板空间和预算方面的限制。由于总是有(yǒu)多(duō)种替代选项可(kě)以為(wèi)任何给定的微控制器生成时钟信号，因此请研究特定设备的数据表。这通常会提供一些关于您可(kě)以使用(yòng)哪些类型的时钟源以及如何最好地实现它们的重要信息。

内部振荡器

微控制器通常带有(yǒu)一个内部電(diàn)阻電(diàn)容振荡器产生基本时钟信号和锁相环以提供倍频功能(néng)。使用(yòng)内部振荡器的问题在于它们的准确度明显低于频率稳定性差的外部振荡器。根据定义，微控制器芯片内部不是放置任何 RC 電(diàn)路的理(lǐ)想位置。这来自 RC 電(diàn)路的高温依赖性和固有(yǒu)的宽元件容差。通常，具有(yǒu)良好热管理(lǐ)的微控制器可(kě)以提供精度在 1% 到 5% 范围内的时钟信号。这对于一些较慢的异步通信总線(xiàn)和管理(lǐ)低频模拟信号处理(lǐ)来说可(kě)能(néng)已经足够了。尽管如此，在大多(duō)数典型应用(yòng)中，这还是太不准确了。

可(kě)能(néng)值得简要提及的是，可(kě)以通过使用(yòng)锁相环来提高内部振荡器的性能(néng)，以允许更准确的外部时钟信号来校正内部时钟信号。但是，如果外部时钟信号可(kě)用(yòng)，那么使用(yòng)它而不是内部时钟是有(yǒu)意义的，除非微控制器有(yǒu)任何特定的限制会阻止这种情况发生。

外部振荡器

微控制器的时钟源有(yǒu)两种主要类型：机械谐振设备，包括晶體(tǐ)和陶瓷谐振器，以及无源 RC 振荡器。

振荡器的最基本形式是 RC 電(diàn)路，它模拟内部振荡器電(diàn)路，但使用(yòng)精度值更高的组件，并使用(yòng)热管理(lǐ)技术将组件与微控制器和電(diàn)路的任何其他(tā)热元件产生的热量隔离。虽然这可(kě)以将精度至少提高一个数量级，但它是迄今為(wèi)止外部振荡器精度最低的选择，并且可(kě)以以相对相似的成本和占位面积提供更好的解决方案。RC 電(diàn)路产生的时钟也会受到電(diàn)源電(diàn)平波动的影响并且容易受到電(diàn)干扰，从而限制了它们在大多(duō)数典型应用(yòng)中的实用(yòng)性。

晶體(tǐ)振荡器是需要精密时钟信号的最常见的外部振荡器形式。石英晶體(tǐ)和支持電(diàn)路提供出色的稳定性和精度。一个典型的低成本晶體(tǐ)振荡器的精度可(kě)以超过百分(fēn)之一——除了对时间最敏感的应用(yòng)之外的所有(yǒu)应用(yòng)都绰绰有(yǒu)余。然而，石英晶體(tǐ)可(kě)能(néng)会受到环境因素的影响，可(kě)能(néng)需要额外的保护。石英晶體(tǐ)的支持電(diàn)路也可(kě)能(néng)导致高阻抗输出，需要额外的阻抗匹配才能(néng)与電(diàn)路的其余部分(fēn)集成。如果您的预算允许，使用(yòng)现成的晶體(tǐ)振荡器模块而不是分(fēn)立元件可(kě)以降低对环境影响的敏感性并使電(diàn)路板设计更加简单。

另一种选择是基于 IC 谐振器電(diàn)路的硅振荡器，它易于实现，精度约為(wèi) 0.05%。比外部 RC 電(diàn)路略好，但遠(yuǎn)不及晶體(tǐ)振荡器。然而，硅振荡器比晶體(tǐ)振荡器更坚固可(kě)靠，非常适合设备可(kě)能(néng)受到严重机械振动的工作环境。

最后，可(kě)以使用(yòng)陶瓷谐振器，其精度不如晶體(tǐ)振荡器，但比硅振荡器更准确。它们基于压電(diàn)陶瓷材料，使用(yòng)共振机械振动来产生时钟信号。它们的主要优点是它们采用(yòng)简单的集成封装，比晶體(tǐ)振荡器及其支持组件占用(yòng)的空间更小(xiǎo)。然而，与晶體(tǐ)振荡器一样，它们对环境因素很(hěn)敏感，包括温度、湿度、振动和電(diàn)干扰。

选择外部振荡器时，选项的功耗可(kě)能(néng)是您决定的一个因素。分(fēn)立振荡器電(diàn)路的功耗主要由反馈放大器的電(diàn)源電(diàn)流及其電(diàn)容值决定。典型的晶體(tǐ)振荡器電(diàn)路将消耗数十毫安電(diàn)流。陶瓷谐振器電(diàn)路通常需要比晶體(tǐ)振荡器更大的负载電(diàn)容值，从而需要更多(duō)的功率。硅振荡器的功耗主要与工作频率成正比。尽管如此，它们仍有(yǒu)多(duō)种选择，从消耗几毫安的低功率设备到消耗数十毫安的标准设备。

结论

总而言之，您的微控制器需要使用(yòng)哪种类型的时钟信号主要取决于它所嵌入的设备的性质及其操作环境。与高速异步通信总線(xiàn)和高频模拟信号的接口将推动对精确时钟信号的需求。假设设备需要在恶劣的环境中运行，无论是在很(hěn)宽的温度范围内，还是在高水平的電(diàn)磁干扰中，或者受到机械振动的影响。在这种情况下，它可(kě)以限制可(kě)用(yòng)的选择。没有(yǒu)这种时间敏感或环境挑战要求的微控制器可(kě)以使用(yòng)更便宜的解决方案。