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單片機(jī)依賴于它們的時(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，因此它是性能的基礎(chǔ)。但時(shí)鐘源有多重要？它有多準(zhǔn)確重要嗎？簡(jiǎn)短的回答是它取決于……它取決于單片機(jī)正在做什么及其接口。
需要考慮兩個(gè)因素：時(shí)鐘速度，它決定了事情發(fā)生的速度，以及時(shí)鐘的準(zhǔn)確性，它決定了每個(gè)時(shí)鐘滴答之間的周期的一致性以及時(shí)鐘速度如何隨時(shí)間變化。
為什么時(shí)鐘源很重要
什么是單片機(jī)處理中的時(shí)鐘？
單片機(jī)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(kāi)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(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器到接口引腳。時(shí)鐘速度的任何重大錯(cuò)誤都會(huì)對(duì)內(nèi)部單片機(jī)操作產(chǎn)生不可預(yù)知的后果。
數(shù)據(jù)采樣
單片機(jī)時(shí)鐘信號(hào)將控制任何模數(shù)操作的轉(zhuǎn)換速率。時(shí)鐘的速度將決定模擬信號(hào)可以被采樣的最大速率；時(shí)鐘的準(zhǔn)確性將決定采樣率的準(zhǔn)確性。假設(shè)您每秒記錄兩次帶有時(shí)間戳的樣本。在這種情況下，時(shí)鐘頻率中百分之一的誤差（在內(nèi)部振蕩器中并不罕見(jiàn)）很快就會(huì)消除樣本時(shí)間戳與掛鐘上顯示的時(shí)間之間的任何相關(guān)性。時(shí)鐘源有 1% 的恒定偏移量，您的樣本時(shí)間戳每天將延遲超過(guò) 14 分鐘。
波形生成
至于數(shù)據(jù)采樣，單片機(jī)時(shí)鐘信號(hào)將控制任何數(shù)模操作的轉(zhuǎn)換速率。時(shí)鐘速度將決定模擬信號(hào)可以產(chǎn)生的最大頻率。時(shí)鐘的精度將決定生成波形的精度。
異步串行通信
單片機(jī)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；一旦接收到起始位和輸出數(shù)據(jù)流的波形，就每個(gè)數(shù)據(jù)位之間發(fā)生轉(zhuǎn)換的時(shí)間而言。
對(duì)于異步通信，發(fā)送器和接收器依賴于具有相同的時(shí)鐘速度來(lái)編碼和解碼數(shù)據(jù)流。但是，這些時(shí)鐘不需要同步；他們只需要有足夠相等的時(shí)鐘頻率。這是因?yàn)榻邮掌髟跈z測(cè)到信號(hào)線上的第一個(gè)邊沿時(shí)開(kāi)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。所需的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)位都可能對(duì)其信號(hào)有一個(gè)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)，在兩個(gè)邊沿之間留下一個(gè)周期。
該采樣周期將取決于通信鏈路的類(lèi)型和長(zhǎng)度。長(zhǎng)傳輸長(zhǎng)度和高電容電纜會(huì)增加上升和下降時(shí)間。噪聲的存在也會(huì)增加信號(hào)穩(wěn)定所需的時(shí)間。
它還取決于時(shí)鐘速度和消息格式。對(duì)于短數(shù)據(jù)流，精度要求可能非常寬松，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，所需的精度可以變得更加精確。例如，CAN 總線協(xié)議對(duì)時(shí)鐘偏差非常敏感，以至于使用任何基于非晶振的時(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)?UART 接收器會(huì)在每一幀開(kāi)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)
在為任何特定單片機(jī)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)取決于您將使用的單片機(jī)時(shí)鐘的品牌和型號(hào)，因此我們將在此處討論所有標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng)。
不同選項(xiàng)的主要區(qū)別在于其準(zhǔn)確性、成本和組件數(shù)量。使用所有好的單片機(jī)都包含的內(nèi)部時(shí)鐘源將是最便宜和最簡(jiǎn)單的選擇，但通常是最不準(zhǔn)確的。使用外部時(shí)鐘源將提高精度，但代價(jià)是需要在電路板上添加額外的組件并增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。
您選擇哪個(gè)選項(xiàng)將取決于您需要的性能以及在電路板空間和預(yù)算方面的限制。由于總是有幾個(gè)替代選項(xiàng)可以為任何給定的單片機(jī)生成時(shí)鐘信號(hào)，因此請(qǐng)研究特定設(shè)備的數(shù)據(jù)表。這通常會(huì)提供一些關(guān)于您可以使用哪些類(lèi)型的時(shí)鐘源以及如何最好地實(shí)現(xiàn)它們的重要信息。
內(nèi)部振蕩器
單片機(jī)通常帶有一個(gè)內(nèi)部電阻電容振蕩器以生成基本時(shí)鐘信號(hào)和一個(gè)鎖相環(huán)以提供倍頻功能。使用內(nèi)部振蕩器的問(wèn)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(jù)定義，單片機(jī)芯片內(nèi)部不是放置任何 RC 電路的理想位置。這來(lái)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(jī)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)處理可能已經(jīng)足夠了。盡管如此，在大多數(shù)典型應(yīng)用中，這還是太不準(zhǔn)確了。
值得一提的是，內(nèi)部振蕩器的性能可以通過(guò)使用鎖相環(huán)來(lái)提高，以允許更準(zhǔn)確的外部時(shí)鐘信號(hào)來(lái)校正內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)。但是，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)鐘是有意義的，除非單片機(jī)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(jī)的時(shí)鐘源有兩種主要類(lèi)型：機(jī)械諧振設(shè)備，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，它模擬內(nèi)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(shù)將組件與微控制器時(shí)鐘和電路的任何其他熱元件產(chǎn)生的熱量隔離開(kāi)來(lái)。雖然這可以將精度提高至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，但它是迄今為止外部振蕩器最不準(zhǔn)確的選擇，并且在成本和占位面積相對(duì)相似的情況下，可以使用更好的解決方案。 RC 電路產(chǎn)生的時(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)用中的用途。
晶體振蕩器是需要精確時(shí)鐘信號(hào)的最常見(jiàn)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(gè)典型的低成本晶體振蕩器的精度可以超過(guò)百萬(wàn)分之一，這對(duì)于除了對(duì)時(shí)間最敏感的應(yīng)用之外的所有應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。但是，石英晶體可能會(huì)受到可能需要額外保護(hù)的環(huán)境因素的影響。石英晶體的支持電路也可能導(dǎo)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(yù)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(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，使與電路設(shè)計(jì)的其余部分的集成更簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)，精度約為 0.05%。略好于外部 RC 電路，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，非常適合設(shè)備可能受到嚴(yán)重機(jī)械振動(dòng)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(zhǔn)確。基于壓電陶瓷材料，它們使用共振機(jī)械振動(dòng)來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。它們的主要優(yōu)點(diǎn)是它們采用簡(jiǎn)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(duì)環(huán)境因素很敏感，包括溫度、濕度、振動(dòng)和電氣干擾。
選擇外部振蕩器時(shí)，選項(xiàng)的功耗可能是您決定的一個(gè)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(fù)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(shè)備到消耗幾十毫安的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。
結(jié)論
總而言之，您的單片機(jī)需要使用哪種類(lèi)型的時(shí)鐘信號(hào)主要取決于它所嵌入的設(shè)備的性質(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)的接口將推動(dòng)對(duì)精確時(shí)鐘信號(hào)的需求。假設(shè)設(shè)備需要在惡劣的環(huán)境中運(yùn)行，無(wú)論是在很寬的溫度范圍內(nèi)、在高水平的電磁干擾中還是受到機(jī)械振動(dòng)的影響。在這種情況下，它可以限制可用的選擇。沒(méi)有這種時(shí)間敏感或環(huán)境挑戰(zhàn)要求的單片機(jī)時(shí)鐘可以使用更便宜的解決方案。
外部高頻晶振時(shí)鐘(4MHz~20MHz) 異步串行通信 11.0592MHz 18.432MHz 22.1184MHz
外部低頻晶振時(shí)鐘(32.768KHz) RTC 低功耗
內(nèi)部高頻RC時(shí)鐘(32MHz)
內(nèi)部低頻RC時(shí)鐘(44KHz)
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