時(shí)鐘源到底有多重要？微控制器中的時(shí)鐘頻率是什么？

微控制器依賴于其時(shí)鐘源。處理器、總線和外圍設(shè)備都使用時(shí)鐘來(lái)同步它們的操作。時(shí)鐘決定了處理器執(zhí)行指令的速度，因此它對(duì)性能至關(guān)重要。但是，時(shí)鐘源到底有多重要？微控制器中的時(shí)鐘頻率是什么？它的精度有多重要？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這取決于……微控制器正在執(zhí)行的任務(wù)及其接口。

需要考慮的兩個(gè)要素是：時(shí)鐘的速度，它決定了事情發(fā)生的快慢；以及時(shí)鐘的準(zhǔn)確度，它決定了每個(gè)時(shí)鐘周期之間的一致性，以及時(shí)鐘隨時(shí)間可能發(fā)生的變化。

為什么時(shí)鐘源很重要

微控制器的中央處理器可以被認(rèn)為是執(zhí)行特定功能的同步邏輯塊鏈。如果系統(tǒng)微控制器時(shí)鐘運(yùn)行得太慢，則處理時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。如果時(shí)鐘運(yùn)行得太快，則可能沒(méi)有足夠的時(shí)間在下一組開始之前完成所需的操作——處理器與從動(dòng)態(tài)內(nèi)存到接口引腳等一系列不同的元件模塊連接。時(shí)鐘速度的任何顯著誤差都會(huì)對(duì)微控制器內(nèi)部操作產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的后果。

數(shù)據(jù)采樣

微控制器時(shí)鐘信號(hào)將控制任何模數(shù)操作的轉(zhuǎn)換速率。時(shí)鐘的速度將決定對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣的最大速率；時(shí)鐘的精度將決定采樣率的準(zhǔn)確性。

假設(shè)您每秒記錄兩次帶有時(shí)間戳的樣本。在該情況下，時(shí)鐘頻率出現(xiàn)1%的誤差（在內(nèi)部振蕩器中并不少見(jiàn)）很快就會(huì)消除樣本時(shí)間戳與掛鐘上顯示的時(shí)間之間的任何關(guān)聯(lián)。如果時(shí)鐘源有1%的恒定偏移，您的樣本時(shí)間戳每天將誤差超過(guò)14分鐘。

波形生成

在數(shù)據(jù)采樣方面，微控制器的時(shí)鐘信號(hào)將控制任何數(shù)模操作的轉(zhuǎn)換速率。時(shí)鐘的速度將決定可以為模擬信號(hào)生成的最大頻率。時(shí)鐘的準(zhǔn)確性將決定生成波形的準(zhǔn)確性。

異步串行通信

微控制器時(shí)鐘信號(hào)的一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用是管理異步通信，其中時(shí)鐘信號(hào)決定何時(shí)對(duì)輸入數(shù)據(jù)流進(jìn)行采樣，一旦接收到起始位，并確定輸出數(shù)據(jù)流中每個(gè)數(shù)據(jù)位之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間波形。

在異步通信中，發(fā)射器和接收器依賴于相同的時(shí)鐘速度來(lái)編碼和解碼數(shù)據(jù)流。但這些時(shí)鐘不需要同步；它們只需要有足夠的相等時(shí)鐘頻率。這是因?yàn)榻邮掌髟?a target="_blank">檢測(cè)到信號(hào)線上的第一個(gè)邊緣時(shí)開始處理傳入的數(shù)據(jù)流。

然后它需要在數(shù)據(jù)流的持續(xù)時(shí)間內(nèi)保持正確的時(shí)鐘速度，以便在正確的時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)位進(jìn)行采樣。所需精度將取決于必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣的窗口。每個(gè)數(shù)據(jù)位都可能具有其信號(hào)的上升沿和下降沿，其中數(shù)據(jù)的值是不確定的，當(dāng)數(shù)據(jù)有效并且可以被采樣時(shí)，就會(huì)在邊緣之間留下周期。

這個(gè)采樣周期將取決于通信鏈路的類型和長(zhǎng)度。長(zhǎng)傳輸距離和高電容電纜會(huì)增加上升和下降時(shí)間。噪聲的存在也可能增加信號(hào)穩(wěn)定所需的時(shí)間。

它還將取決于時(shí)鐘速度和消息格式。對(duì)于短數(shù)據(jù)流，精度要求可能相對(duì)寬松，因?yàn)槊看谓邮盏叫聰?shù)據(jù)流時(shí)采樣時(shí)鐘都會(huì)重置。

然而，對(duì)于具有長(zhǎng)數(shù)據(jù)流的高速串行通信，所需的精度可能會(huì)變得更加精確。例如，CAN總線協(xié)議使其對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘偏移非常敏感，以至于使用任何非晶體時(shí)鐘信號(hào)源都可能存在問(wèn)題。

以UART設(shè)備為例，我們可以看到絕對(duì)時(shí)鐘速率并不重要，因?yàn)閁ART接收器會(huì)在每一幀開始時(shí)自行同步。該問(wèn)題簡(jiǎn)化了可以容忍的發(fā)送和接收UART時(shí)鐘之間的差異。

時(shí)鐘源選項(xiàng)

在為特定微控制器選擇時(shí)鐘源時(shí)，通常有幾個(gè)不同的選項(xiàng)可供選擇。具體選項(xiàng)將取決于您將使用的微控制器時(shí)鐘的品牌和型號(hào)，因此我們將在這里討論所有標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng)。

這些不同的選項(xiàng)主要通過(guò)其準(zhǔn)確性、成本和元件數(shù)量來(lái)區(qū)分。使用所有優(yōu)質(zhì)微控制器都包含的內(nèi)部時(shí)鐘源將是最便宜且最簡(jiǎn)單的選項(xiàng)，但通常也最不準(zhǔn)確。使用外部時(shí)鐘源將提高精度，但代價(jià)是需要將額外的元件添加到電路板并增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

選擇哪個(gè)選項(xiàng)將取決于您需要什么樣的性能以及您在電路板空間和預(yù)算方面的限制。由于為任何給定微控制器生成時(shí)鐘信號(hào)總是有幾個(gè)備選方案，因此請(qǐng)研究您的特定器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)。這通常會(huì)提供一些有關(guān)您可以使用哪些類型的時(shí)鐘源以及如何最好地實(shí)現(xiàn)它們的有用信息。

內(nèi)部振蕩器

微控制器通常帶有一個(gè)內(nèi)部電阻電容振蕩器，以產(chǎn)生一個(gè)基本的時(shí)鐘信號(hào)和一個(gè)鎖相環(huán)以提供頻率倍增功能。然而，使用內(nèi)部振蕩器的問(wèn)題是它們的精度遠(yuǎn)低于頻率穩(wěn)定性較差的外部振蕩器。

微控制器芯片內(nèi)部的任何RC電路都不是理想的位置，這是由于RC電路對(duì)高溫的依賴性和元件公差固有的較大范圍。

通常，具有良好熱管理的微控制器可以提供精度在1%到5%范圍內(nèi)的時(shí)鐘信號(hào)。這對(duì)于一些較慢的異步通信總線和管理低頻模擬信號(hào)處理來(lái)說(shuō)可能已經(jīng)足夠好了。盡管如此，在大多數(shù)典型應(yīng)用中，這仍然不夠準(zhǔn)確。

可能值得一提的是，通過(guò)使用鎖相環(huán)，可以用更準(zhǔn)確的外部時(shí)鐘信號(hào)校正內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)，以提高內(nèi)部振蕩器的性能。然而，如果外部時(shí)鐘信號(hào)可用，那么使用它而不是內(nèi)部時(shí)鐘更有意義，除非微控制器有任何特定的約束條件會(huì)阻止這樣做。

外部振蕩器

微控制器的時(shí)鐘源有兩種主要類型：機(jī)械諧振器，包括晶體和陶瓷諧振器，以及無(wú)源RC振蕩器。

振蕩器的最基本形式是RC電路，它仿效內(nèi)部振蕩器電路，但使用精度值更高的元件，并使用熱管理技術(shù)將元件與微控制器時(shí)鐘和電路的任何其他熱元件產(chǎn)生的熱量隔離開來(lái)。雖然這可以將精度提高至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，但對(duì)于外部振蕩器來(lái)說(shuō)，這仍然是最不準(zhǔn)確的選擇，并且對(duì)于相對(duì)相似的成本和封裝尺寸，還有更好的解決方案可供選擇。

RC電路生成的時(shí)鐘也會(huì)受到電源電平波動(dòng)的影響，并且容易受到電氣干擾，從而限制了它們?cè)诖蠖鄶?shù)典型應(yīng)用中的實(shí)用性。 晶體振蕩器是最常見(jiàn)的外部振蕩器，需要精確的時(shí)鐘信號(hào)。石英晶體和支持電路提供了出色的穩(wěn)定性和精度。典型的低成本晶體振蕩器的精度可以優(yōu)于百萬(wàn)分之一，除最具時(shí)間敏感性的應(yīng)用以外，可滿足所有應(yīng)用的要求。

但是，石英晶體可能會(huì)受到環(huán)境因素的影響，需要額外的保護(hù)。石英晶體的支持電路也可能導(dǎo)致高阻抗輸出，需要與電路的其余部分進(jìn)行額外的阻抗匹配。

如果預(yù)算允許，使用現(xiàn)成的晶體振蕩器模塊而不是離散元件可以降低對(duì)環(huán)境影響的敏感性，并使電路板設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單。它們通常提供低阻抗方波輸出，從而簡(jiǎn)化了與電路設(shè)計(jì)其余部分的集成，其精度與使用離散晶體非常相似。

另一種選擇是基于IC諧振器電路的硅振蕩器，它易于實(shí)現(xiàn)，精度約為0.05%。比外部RC電路略好，但遠(yuǎn)不及晶體振蕩器。然而，硅振蕩器比晶體振蕩器更堅(jiān)固可靠，非常適合器件可能受到嚴(yán)重機(jī)械振動(dòng)的操作環(huán)境。

最后，還有陶瓷諧振器可供選擇，其精度雖然不如晶體振蕩器，但比硅振蕩器更精確。它們基于壓電式陶瓷材料，使用諧振機(jī)械振動(dòng)來(lái)生成時(shí)鐘信號(hào)。其主要優(yōu)勢(shì)在于采用簡(jiǎn)單的集成封裝，比晶體振蕩器及其支持元件占用空間更小。

然而，與晶體振蕩器一樣，它們對(duì)環(huán)境因素很敏感，包括溫度、濕度、振動(dòng)和電氣干擾。 在選擇外部振蕩器時(shí)，功耗可能是一個(gè)重要的決定性因素。

離散振蕩器電路的功耗主要由反饋放大器的電源電流及其電容值決定。一個(gè)典型的晶體振蕩器電路會(huì)消耗數(shù)十毫安電流。

陶瓷諧振器電路通常需要比晶體振蕩器更大的負(fù)載電容值，因此需要更多的功率。硅振蕩器的功耗主要與工作頻率成正比。不過(guò)，它們有多種選項(xiàng)可供選擇，從消耗幾毫安電流的低功耗設(shè)備到消耗數(shù)十毫安的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。

結(jié)論

總而言之，您需要為微控制器使用的時(shí)鐘信號(hào)類型主要取決于其嵌入的器件性質(zhì)及其操作環(huán)境。與高速異步通信總線和高頻模擬信號(hào)的接口將需要精確的時(shí)鐘信號(hào)。

假設(shè)器件需要在惡劣的環(huán)境中運(yùn)行，無(wú)論是在廣泛的溫度范圍內(nèi)，還是在高電磁干擾水平下，或是受到機(jī)械振動(dòng)的影響，這都可能限制可選方案。對(duì)于沒(méi)有如此時(shí)間敏感或環(huán)境挑戰(zhàn)性的微控制器時(shí)鐘，可以采用更便宜的解決方案。

審核編輯：劉清