系統(tǒng)時鐘的時鐘源要怎么選

ID:1041297 · 發(fā)表于 2022-8-11 14:23

請問大伙,系統(tǒng)的時鐘源要怎么選擇？
外部高頻晶振時鐘(4MHz~20MHz)
外部低頻晶振時鐘(32.768KHz)
內部高頻RC時鐘(32MHz)
內部低頻RC時鐘(44KHz)

ID:155507 · 發(fā)表于 2022-8-11 19:30

單片機依賴于它們的時鐘源。處理器、總線和外圍設備都使用時鐘來同步它們的操作。時鐘決定了處理器執(zhí)行指令的速度，因此它是性能的基礎。但時鐘源有多重要？它有多準確重要嗎？簡短的回答是它取決于……它取決于單片機正在做什么及其接口。

需要考慮兩個因素：時鐘速度，它決定了事情發(fā)生的速度，以及時鐘的準確性，它決定了每個時鐘滴答之間的周期的一致性以及時鐘速度如何隨時間變化。

為什么時鐘源很重要
什么是單片機處理中的時鐘？
單片機的中央處理器可以被認為是執(zhí)行特定功能的同步邏輯塊鏈。如果時鐘運行得太慢，則處理時間會更長。如果時鐘運行得太快，則可能沒有足夠的時間在下一組開始之前完成所需的操作——處理器與一系列不同的組件模塊連接，從動態(tài)存儲器到接口引腳。時鐘速度的任何重大錯誤都會對內部單片機操作產生不可預知的后果。

數(shù)據采樣
單片機時鐘信號將控制任何模數(shù)操作的轉換速率。時鐘的速度將決定模擬信號可以被采樣的最大速率；時鐘的準確性將決定采樣率的準確性。假設您每秒記錄兩次帶有時間戳的樣本。在這種情況下，時鐘頻率中百分之一的誤差（在內部振蕩器中并不罕見）很快就會消除樣本時間戳與掛鐘上顯示的時間之間的任何相關性。時鐘源有 1% 的恒定偏移量，您的樣本時間戳每天將延遲超過 14 分鐘。

波形生成
至于數(shù)據采樣，單片機時鐘信號將控制任何數(shù)模操作的轉換速率。時鐘速度將決定模擬信號可以產生的最大頻率。時鐘的精度將決定生成波形的精度。

異步串行通信
單片機時鐘信號的一個關鍵應用是管理異步通信，其中時鐘信號決定何時對輸入數(shù)據流進行采樣；一旦接收到起始位和輸出數(shù)據流的波形，就每個數(shù)據位之間發(fā)生轉換的時間而言。

對于異步通信，發(fā)送器和接收器依賴于具有相同的時鐘速度來編碼和解碼數(shù)據流。但是，這些時鐘不需要同步；他們只需要有足夠相等的時鐘頻率。這是因為接收器在檢測到信號線上的第一個邊沿時開始處理傳入的數(shù)據流。然后，它需要在數(shù)據流的持續(xù)時間內保持正確的時鐘速度，以便在正確的時間對數(shù)據位進行采樣。所需的精度將取決于必須對數(shù)據進行采樣的窗口。每個數(shù)據位都可能對其信號有一個上升沿和下降沿，其中數(shù)據的值是不確定的，當數(shù)據有效并且可以被采樣時，在兩個邊沿之間留下一個周期。

該采樣周期將取決于通信鏈路的類型和長度。長傳輸長度和高電容電纜會增加上升和下降時間。噪聲的存在也會增加信號穩(wěn)定所需的時間。

它還取決于時鐘速度和消息格式。對于短數(shù)據流，精度要求可能非常寬松，因為每次接收到新數(shù)據流時采樣時鐘都會重置。然而，對于具有長數(shù)據流的高速串行通信，所需的精度可以變得更加精確。例如，CAN 總線協(xié)議對時鐘偏差非常敏感，以至于使用任何基于非晶振的時鐘信號源都可能存在問題。

以 UART 設備為例，我們可以看到絕對時鐘速率并不重要，因為 UART 接收器會在每一幀開始時自行同步。該問題簡化了可以容忍的發(fā)送和接收 UART 時鐘之間的差異。

時鐘源選項
在為任何特定單片機選擇時鐘源時，通常有幾個不同的選項可供選擇。具體選項取決于您將使用的單片機時鐘的品牌和型號，因此我們將在此處討論所有標準選項。

不同選項的主要區(qū)別在于其準確性、成本和組件數(shù)量。使用所有好的單片機都包含的內部時鐘源將是最便宜和最簡單的選擇，但通常是最不準確的。使用外部時鐘源將提高精度，但代價是需要在電路板上添加額外的組件并增加設計的復雜性。

您選擇哪個選項將取決于您需要的性能以及在電路板空間和預算方面的限制。由于總是有幾個替代選項可以為任何給定的單片機生成時鐘信號，因此請研究特定設備的數(shù)據表。這通常會提供一些關于您可以使用哪些類型的時鐘源以及如何最好地實現(xiàn)它們的重要信息。

內部振蕩器
單片機通常帶有一個內部電阻電容振蕩器以生成基本時鐘信號和一個鎖相環(huán)以提供倍頻功能。使用內部振蕩器的問題是它們的精度明顯低于頻率穩(wěn)定性差的外部振蕩器。根據定義，單片機芯片內部不是放置任何 RC 電路的理想位置。這來自 RC 電路的高溫依賴性和固有的寬組件容差。通常，具有良好熱管理的單片機可以提供精度在 1% 到 5% 范圍內的時鐘信號。這對于一些較慢的異步通信總線和管理低頻模擬信號處理可能已經足夠了。盡管如此，在大多數(shù)典型應用中，這還是太不準確了。

值得一提的是，內部振蕩器的性能可以通過使用鎖相環(huán)來提高，以允許更準確的外部時鐘信號來校正內部時鐘信號。但是，如果外部時鐘信號可用，那么使用它而不是內部時鐘是有意義的，除非單片機有任何特定的限制可以防止這種情況發(fā)生。

外部振蕩器
單片機的時鐘源有兩種主要類型：機械諧振設備，包括晶體和陶瓷諧振器，以及無源 RC 振蕩器。

振蕩器的最基本形式是 RC 電路，它模擬內部振蕩器電路，但使用具有更高精度值的組件，并使用熱管理技術將組件與微控制器時鐘和電路的任何其他熱元件產生的熱量隔離開來。雖然這可以將精度提高至少一個數(shù)量級，但它是迄今為止外部振蕩器最不準確的選擇，并且在成本和占位面積相對相似的情況下，可以使用更好的解決方案。 RC 電路產生的時鐘也會受到電源電平波動的影響，并且容易受到電氣干擾，從而限制了它們在大多數(shù)典型應用中的用途。

晶體振蕩器是需要精確時鐘信號的最常見的外部振蕩器形式。石英晶體和支持電路提供出色的穩(wěn)定性和精度。一個典型的低成本晶體振蕩器的精度可以超過百萬分之一，這對于除了對時間最敏感的應用之外的所有應用來說已經足夠了。但是，石英晶體可能會受到可能需要額外保護的環(huán)境因素的影響。石英晶體的支持電路也可能導致高阻抗輸出，需要額外的阻抗匹配才能與電路的其余部分集成。如果您的預算允許，使用現(xiàn)成的晶體振蕩器模塊而不是分立元件可以降低對環(huán)境影響的敏感性并使電路板設計更加簡單。它們通常提供低阻抗方波輸出，使與電路設計的其余部分的集成更簡單，其精度與使用分立晶體非常相似。

另一種選擇是基于 IC 諧振器電路的硅振蕩器，該電路易于實現(xiàn)，精度約為 0.05%。略好于外部 RC 電路，但遠不及晶體振蕩器。然而，硅振蕩器比晶體振蕩器更堅固可靠，非常適合設備可能受到嚴重機械振動的操作環(huán)境。

最后，可以使用陶瓷諧振器，其精度不如晶體振蕩器，但比硅振蕩器更準確。基于壓電陶瓷材料，它們使用共振機械振動來產生時鐘信號。它們的主要優(yōu)點是它們采用簡單的集成封裝，比晶體振蕩器及其支持組件的占用空間更小。然而，與晶體振蕩器一樣，它們對環(huán)境因素很敏感，包括溫度、濕度、振動和電氣干擾。

選擇外部振蕩器時，選項的功耗可能是您決定的一個因素。分立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。典型的晶體振蕩器電路將消耗數(shù)十 mA。陶瓷諧振器電路通常需要比晶體振蕩器更大的負載電容值，從而需要更多功率。硅振蕩器的功耗主要與工作頻率成正比。盡管如此，它們還是有多種選擇，從消耗幾毫安的低功率設備到消耗幾十毫安的標準設備。

結論
總而言之，您的單片機需要使用哪種類型的時鐘信號主要取決于它所嵌入的設備的性質及其操作環(huán)境。與高速異步通信總線和高頻模擬信號的接口將推動對精確時鐘信號的需求。假設設備需要在惡劣的環(huán)境中運行，無論是在很寬的溫度范圍內、在高水平的電磁干擾中還是受到機械振動的影響。在這種情況下，它可以限制可用的選擇。沒有這種時間敏感或環(huán)境挑戰(zhàn)要求的單片機時鐘可以使用更便宜的解決方案。

外部高頻晶振時鐘(4MHz~20MHz) 異步串行通信 11.0592MHz 18.432MHz 22.1184MHz
外部低頻晶振時鐘(32.768KHz) RTC 低功耗
內部高頻RC時鐘(32MHz)
內部低頻RC時鐘(44KHz)

ID:435636 · 發(fā)表于 2022-8-11 16:53

頂下，也想了解

ID:883242 · 發(fā)表于 2022-8-11 17:41

一般用HSE，速度快而且準確。

ID:123289 · 發(fā)表于 2022-8-15 16:20

很簡單：
1、例出你的設計目標。
2、計算滿足目標的時序。
3、選擇晶振頻率，只要能滿足設計目標即可。

ID:911286 · 發(fā)表于 2022-8-17 01:07

無線電信號對單片機的時鐘敏感，一般能不用外部晶振就不用�？梢杂蒙漕l芯片的時鐘輸出。而少用一個時鐘晶振。stm32倍頻PLL，對無線電干擾少。用內部電阻振蕩時鐘。輻射更少。51單片機那輻射太大。一個寬頻接收機，用51，全是51的諧波。

ID:1042319 · 發(fā)表于 2022-8-17 23:41

下載一個CubeMx里面有Clock_Configuration一欄可以圖形畫看到你想要配的時鐘，你不一定要用他的代碼，但是可以更直觀的動態(tài)C:\Users\Administrator\Desktop\微信截圖_20220817234033.png看到整個時鐘樹

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