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    數字電路時鐘信號源-晶體振蕩器

    關于數字電路時鐘信號源-晶體振蕩器介紹如下:

    • 時鐘信號

    指在高電平和低電平之間振蕩的特定類型信號。

    信號就像一個節拍器,數字電路及時跟隨它以協調其動作序列。數字電路依靠時鐘信號來處理何時以及如何執行編程的功能。

    • 時鐘信號源

    時鐘信號的產生方法有多種,但都是從晶體諧振器開始。 晶體諧振器的核心材質為石英晶體,工作時輸出高精度及高穩定性的頻率脈沖作為數字電路的時鐘信號源。

    • 晶體諧振器和晶體振蕩器

    數字電路時鐘信號源-晶體振蕩器

    (晶體諧振器)

     

    數字電路時鐘信號源-晶體振蕩器

    (晶體振蕩器)

    晶體諧振器具有正弦輸出,通常在目標 IC 具有用于內部定時的集成振蕩器和片上鎖相環 (PLL) 時使用。當晶體和振蕩電路組合在同一封裝中時,通常稱為晶體振蕩器。晶體振蕩器輸出最常見的是占空比為 50% 的方波。通常,該時鐘信號固定在恒定頻率,同步可能在每個時鐘周期的上升沿或下降沿激活。

    數字電路時鐘信號源-晶體振蕩器

    • 時鐘發生器

    時鐘發生器將振蕩器與一個或多個 PLL、輸出分頻器和輸出緩沖器組合在一起。當需要多個頻率并且目標 IC 都在同一塊板或同一 FPGA 中時,時鐘發生器和時鐘緩沖器非常有用。在某些應用中,FPGA/ASIC 具有用于數據路徑、控制平面和存儲器控制器接口的多個時域,因此需要多個唯一的參考頻率。

    在大多數情況下,振蕩器位于時鐘發生器的外部,盡管為了整合物料清單成本和復雜性以及其它優勢,將振蕩器組合到與時鐘發生器相同的封裝中變得越來越普遍。時鐘發生器種類多種,每種都針對不同的性能和成本目標進行了優化,具體取決于應用。

    • 同步和自由運行的設計

    系統及其各種子系統的組合可能需要自由運行或同步的時序架構。

    如果系統是自由運行的,則無需任何特殊鎖相或同步要求即可使用獨立時鐘。示例包括標準處理器、內存控制器、SoC 和外圍組件。

    微控制器依靠來自晶體振蕩器的時鐘來運行,但在異步電路中使用時除外,例如在異步 CPU 的情況下。大多數常見的微控制器都包含一個內部 RC 振蕩器。

    相反,同步定時系統需要跨所有相關系統的持續通信和網絡級同步。在這些應用中,基于低帶寬 PLL 的時鐘提供抖動過濾,以確保保持網絡級同步。

    同步時鐘樹的示例包括光傳輸網絡 (OTN)、SONET/SDH、移動回程、同步以太網和 HD SDI 視頻傳輸。但是,除了通信之外,還有各種應用需要準確的頻率或定時。一些應用程序需要兩個互不連接的子系統之間的長期同步。如果用作實時時鐘基礎的振蕩器僅偏離 0.1%,一周后時鐘將偏離近 10 分鐘。

    數字電路時鐘信號源-晶體振蕩器

    例如,假設使用幾個藍牙模塊每小時喚醒一次以交換數據幾秒鐘,然后再回到睡眠狀態,以節省電池電量。標準的 ±20ppm 振蕩器每小時僅會關閉幾分之一秒,而 1% RC 諧振器可能會關閉半分鐘。如果使用 RC 諧振器,藍牙模塊將不得不保持開啟更長時間才能相互通信,從而浪費電池電量。

    • 內部和外部振蕩器

    內部振蕩器通常用于為不需要精確計時的 MCU 提供計時。內部振蕩器對于低波特率的 UART 通信來說已經足夠好了,盡管 CAN、USB 或以太網等對時序精度要求更嚴格的通信協議需要外部晶體和振蕩器。

    使用外部振蕩器允許更寬的頻率范圍,其中內部振蕩器通常是一個頻率,帶有少量時鐘預分頻器選項。在電子學中,時間具備測量屬性,因此通常問題會轉化為測量時間或產生具有準確計時的脈沖。

    • 外部時鐘和振蕩器的優點

    1、頻率精度

    內部時鐘不精確,可能受噪聲影響。

    2、工作溫度

    振蕩器和時鐘(尤其是溫度補償振蕩器)可用于低溫或高溫應用或溫度變化很大的場合。隨著溫度的變化,振蕩頻率可以保持相對相同。

    3、運行速度

    內部振蕩器可能無法達到 IC 的最高速度,在這種情況下需要外部振蕩器。

    4、電壓控制

    內部振蕩器的速度可能取決于它正在運行的電壓。如果振蕩器驅動可能產生射頻干擾的設備,則在其控制輸入中添加變化的電壓可以分散干擾頻譜,使其更接近理想狀態。

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