مبادئ التصميم واعتبارات الاختيار للترددات الكسرية في المذبذبات الكريستالية

مبادئ التصميم واعتبارات الاختيار للترددات الكسرية في المذبذبات الكريستالية

في تصميم أنظمة ساعة الأجهزة، غالبًا ما يواجه المهندسون فئة من ترددات المذبذب البلوري التي تبدو "غير منتظمة"، مثل 11.0592 ميجاهرتز، و3.579545 ميجاهرتز، و19.6608 ميجاهرتز. لا يتم اختيار هذه الترددات ذات المكونات العشرية بشكل عشوائي، ولكنها نتيجة حتمية لاعتبارات التصميم المستندة إلى بروتوكولات الاتصال وقيود التقسيم - والمتطلبات العكسية لمستوى النظام -. بدءًا من المبادئ الأساسية، تحلل هذه المقالة المنطق الكامن وراء توليد الترددات الكسرية وتوفر طرق فحص عملية لاختيار المكونات.

• منطق التصميم الأساسي لنقاط التردد الكسرية

باعتباره مصدر ساعة النظام، يتم تصميم اختيار تردد المذبذب البلوري دائمًا لتلبية متطلبات التوقيت الدقيقة للدوائر الرقمية النهائية (مثل PLLs والمقسمات والاتصال التسلسلي). ينبع ظهور نقاط التردد الكسرية في المقام الأول من الأنواع الأربعة التالية من قيود التصميم:

1.التكيف مع قسم UART الصحيح لضمان حدوث خطأ-معدلات الباود التسلسلية المجانية

يتم اشتقاق معدل الباود التسلسلي من ساعة النظام من خلال تقسيم الأعداد الصحيحة، وفقًا للمعادلة التالية: معدل الباود=تردد الساعة / عامل القسمة

لتوليد معدلات الباود القياسية بدقة (مثل 9600 أو 19200 أو 115200 بت في الثانية)، يجب أن يكون تردد الساعة قابلاً للقسمة على المقسوم عليه دون باقي. بأخذ التردد 1.8432 ميجاهرتز كمثال، بعد تقسيم العينات الزائدة بمقدار 16 ضعفًا:

1.8432 ميجا هرتز ÷ 16=115.2 كيلو هرتز، أي ما يعادل 115200 بت في الثانية.

وبالمثل، فإن 11.0592 ميجاهرتز و19.6608 ميجاهرتز هما 6 مرات و10.666...× 1.8432 ميجاهرتز، على التوالي (في الواقع، 11.0592=1.8432 × 6، 19.6608=1.8432 × 10.666... يتطلب PLL)، ولكن من الأكثر شيوعًا استخدامها مباشرة كتردد الساعة لوحدات MCU مثل وحدة التحكم 51 - الدقيقة، مما يسمح بالتحكم الداخلي مقسم UART لتوليد جميع معدلات الباود القياسية من خلال التقسيم. إذا تم تحديد تردد صحيح قدره 20 ميجاهرتز، فلا يمكن تقسيمه بالتساوي على 115200، مما يؤدي إلى خطأ تراكمي والتسبب في أخطاء الإطار أو فقدان الحزمة.

2.دعم بنية تقسيم التردد الثنائي-يعمل على تبسيط تصميم شجرة الساعة

يمكن التعبير عن الترددات مثل 20.48 ميجا هرتز و10.24 ميجا هرتز و5.12 ميجا هرتز بـ 2ⁿ × 10 كيلو هرتز (على سبيل المثال، 20.48 ميجا هرتز=2048 × 10 كيلو هرتز). بعد تتالي هذه الترددات من خلال تقسيم التردد الثنائي، يمكن إنشاء نطاقات الساعة الفرعية مثل 10.24 ميجا هرتز، و5.12 ميجا هرتز، و2.56 ميجا هرتز، و1.28 ميجا هرتز، وما إلى ذلك. يعتبر هذا الأسلوب-مناسبًا تمامًا لتنفيذ تقسيم التردد باستخدام العدادات الثنائية أو مسجلات الإزاحة، مما يؤدي إلى بنية دائرة بسيطة ذات-علاقات طورية محددة جيدًا وهوامش توقيت متسقة بين الترددات المختلفة-المقسمة. تُستخدم هذه الترددات بشكل شائع كترددات أساسية في أجهزة DSP الصناعية وأجهزة PLC ومحركات المؤازرة.

3. تم تصنيعها عبر PLL لتلبية-معايير الاتصال وأخذ عينات الصوت/الفيديو عالية السرعة

تتضمن SoCs الحديثة والوحدات الضوئية ومعالجات الفيديو PLLs، والتي تستخدم عادةً ترددات الأعداد الصحيحة القياسية (مثل 25 ميجاهرتز أو 24 ميجاهرتز) كمرجع ثم تولد ترددات غير قياسية محددة -من خلال قسمة الأعداد الصحيحة أو الضرب أو القسمة الجزئية. تشمل الأمثلة النموذجية ما يلي:

74.25 ميجا هرتز: ساعة أخذ عينات الفيديو عالية الوضوح- المحددة بواسطة معيار SMPTE، وتستخدم لتنسيقات مثل 1080i و720p؛

33.1776 ميجاهرتز: يوجد بشكل شائع في برامج الترميز الصوتية ونهايات التردد اللاسلكي عريضة النطاق - الأمامية؛ عند استخدامه مع PLL، يمكنه إنشاء مجموعات معدل أخذ العينات الصوتية بدقة 44.1 كيلو هرتز أو 48 كيلو هرتز؛

25.000625 ميجاهرتز: تستخدم بعض أجهزة Ethernet المادية ساعة 25 ميجاهرتز مع PLL كسور لإنشاء معدل بيانات تسلسلية دقيق يبلغ 125 ميجاهرتز لدعم معدل خط يبلغ 1 جيجابت في الثانية (لاحظ أن مضاعفات الأعداد الصحيحة البالغة 25 ميجاهرتز تُستخدم بشكل شائع في الممارسة العملية؛ ويتم توفير ذلك هنا لأغراض توضيحية فقط).

تجدر الإشارة إلى أن تقسيم التردد الجزئي يقدم ارتعاشًا حتميًا وإشارات زائفة. بالنسبة للتطبيقات الحساسة لضوضاء الطور، يجب إعطاء الأولوية للترددات المستهدفة التي يمكن الحصول عليها مباشرة من خلال تقسيم التردد الصحيح، أو لاستخدام PLLs -منخفضة الضوضاء مع عروض نطاق حلقة مكونة بشكل مناسب.

4. الالتزام ببروتوكولات الصناعة التاريخية واعتبارات التوافق الكهرومغناطيسي (EMC).

البروتوكولات التاريخية: يحدد USB 2.0 ساعة ذات سرعة عالية تبلغ 48 ميجاهرتز؛ تستخدم أجهزة MAC الخاصة بشبكة Ethernet 25 ميجا هرتز أو 125 ميجا هرتز؛ وتعمل ساعات الوقت الحقيقي (RTCs) عند 32.768 كيلو هرتز (2¹⁵ هرتز). تم تحديد هذه الترددات عند وضع المعايير وتم اعتمادها منذ ذلك الحين عبر سلسلة الصناعة بأكملها، لتصبح معايير فعلية.

التوافق الكهرومغناطيسي (EMC): قد تتداخل التوافقيات ذات الترتيب الأعلى للترددات الصحيحة مع مصدر الطاقة أو الترددات اللاسلكية أو نطاقات الاتصالات اللاسلكية، مما يؤدي إلى حدوث تداخل. يمكن أن يؤدي اختيار تردد المذبذب بمكون كسري إلى تشتيت أو تحويل الطاقة التوافقية، وبالتالي تقليل مخاطر التداخل الكهرومغناطيسي وخفض تكاليف الترشيح والحماية.

• العوامل الرئيسية الأخرى في اختيار المذبذب البلوري

بالإضافة إلى قيمة التردد، فإن العوامل الهندسية التالية لها نفس القدر من الأهمية عند الاختيار:

مرحلة الضوضاء والارتعاش

على الرغم من أن PLLs يمكنها تصنيع أي تردد، إلا أن تقسيم التردد الجزئي يتحلل بشكل ملحوظ بالقرب من -ضوضاء المرحلة النهائية والارتعاش العشوائي. بالنسبة لتطبيقات مثل -الوحدات الضوئية عالية السرعة، أو رادار الموجات المليمترية-، أو وصلة 5G الأمامية، فمن المستحسن تحديد مذبذبات بلورية مباشرة ذات ترددات أصلية تلبي مواصفات ضوضاء الطور لتجنب عدم كفاية هوامش تكامل الإشارة لاحقًا.

المهلة الزمنية والتكلفة

تتطلب الترددات غير القياسية أو المخصصة- عادةً فترات زمنية طويلة وتتسبب في تكاليف هندسية عالية. ضمن حدود الأداء المقبولة، يجب إعطاء الأولوية للترددات القياسية الصناعية - (مثل ترددات الأعداد الصحيحة الشائعة مثل 25 ميجاهرتز، و27 ميجاهرتز، و40 ميجاهرتز، و50 ميجاهرتز، بالإضافة إلى الترددات الكسرية القياسية المذكورة في هذه المقالة) لتقصير دورة البحث والتطوير والتحكم في تكاليف قائمة مكونات الصنف.

التوافق مع البدائل المحلية

حاليًا، يغطي مصنعو مذبذب كريستال الكوارتز المحلي الغالبية العظمى من الترددات القياسية الصحيحة والكسرية شائعة الاستخدام. عند اختيار جهاز، ركز على استقرار العرض، وخصائص درجة الحرارة (مثل ±10 جزء في المليون و±20 جزء في المليون)، ومعلمات سعة التحميل لضمان التوافق مع متطلبات إدخال الساعة لشريحة التحكم المضيف.

• توصيات الاختيار العملي

أولاً،تحديد قيود ساعة النظام: قم بإدراج ترددات الساعة الدقيقة التي تتطلبها جميع الأجهزة الطرفية (UART، وI2S، وSPI، وEthernet، وUSB، والفيديو) وهوامش الخطأ المسموح بها.

اشتق التردد الأساسي للمذبذب البلوري في الاتجاه المعاكس:إذا كان وحدة التحكم الدقيقة تحتوي على -PLL مضمن، فحدد مذبذبًا بلوريًا مرجعيًا قادرًا على توليد الترددات المستهدفة من خلال نسب تقسيم كسرية عددية أو منخفضة-. أعط الأولوية للترددات التي تكون نسبة القسمة فيها أقل من 100 والمقام هو أس 2.

التحقق من خطأ القسمة: احسب ما إذا كان خطأ التقسيم أقل من الحد الأقصى لانحراف معدل الباود/معدل أخذ العينات الذي تسمح به الأجهزة الطرفية (عادةً < ±2%).

تقييم مخاطر EMI:إجراء تحليل طيفي للتوافقيات-عالية التردد؛ إذا لزم الأمر، حدد نقطة تردد تنحرف عن ترتيب التوافقيات الصحيح -.

خذ في الاعتبار مدى التوفر والتكلفة: أثناء تلبية متطلبات الأداء، حدد نموذجًا يتمتع بتوافر كبير في السوق ونوع حزمة (على سبيل المثال، HC-49S، SMD 3.2 × 2.5 مم) يلبي متطلبات الإنتاج.