Тактовые генераторы МК

Современные МК содержат встроенные тактовые генераторы, которые требуют минимального числа внешних времязадающих элементов. На практике используются три основных способа определения тактовой ча­стоты генератора: с помощью кварцевого резонатора, керамического ре­зонатора и внешней RС-цепи.

Типовая схема подключения кварцевого или керамического резонато­ра приведена на рис. 10.1а.

Рис. 10.1. Тактирование с использованием кварцевого или керамического резонаторов (а) и с использованием RC-цепи (б).

Кварцевый или керамический резонатор Q подключается к выводам XTAL1 и XTAL2, которые обычно представляют собой вход и выход ин­вертирующего усилителя. Номиналы конденсаторов С1 и С2 определя­ются производителем МК для конкретной частоты резонатора. Иногда требуется включить резистор порядка нескольких мегаОМ между выводами XTAL1 и XTAL2 для стабильной работы генератора.

Использование кварцевого резонатора позволяет обеспечить вы­сокую точность и стабильность тактовой частоты (разброс частот кварцевого резонатора обычно составляет менее 0,01%). Такой уро­вень точности требуется для обеспечения точного хода часов реаль­ного времени или организации интерфейса с другими устройствами. Основными недостатками кварцевого резонатора являются его низ­кая механическая прочность (высокая хрупкость) и относительно высокая стоимость.

При менее жестких требованиях к стабильности тактовой частоты воз­можно использование более стойких к ударной нагрузке керамических резонаторов. Многие керамические резонаторы имеют встроенные кон­денсаторы, что позволяет уменьшить количество внешних подключаемых элементов с трех до одного. Керамические резонаторы имеют разброс ча­стот порядка нескольких десятых долей процента (обычно около 0,5 %).

Самым дешевым способом задания тактовой частоты МК является ис­пользование внешней RC-цепи, как показано на рис. 10.1. Внешняя RC-цепь не обеспечивает высокой точности задания тактовой частоты (раз­брос частот может доходить до десятков процентов). Это неприемлемо для многих приложений, где требуется точный подсчет времени. Однако имеется масса практических задач, где точность задания тактовой частоты не имеет большого значения.

Зависимость тактовой частоты МК от номиналов RC-цепи зависит от конкретной реализации внутреннего генератора и приводится в руковод­стве по применению контроллера.

Практически все МК допускают работу от внешнего источника такто­вого сигнала, который подключается ко входу XTAL1 внутреннего усили­теля. При помощи внешнего тактового генератора можно задать любую тактовую частоту МК (в пределах рабочего диапазона) и обеспечить син­хронную работу нескольких устройств.

Некоторые современные МК содержат встроенные RC или кольцевые генераторы, которые позволяют контроллеру работать без внешних цепей синхронизации. Работа внутреннего генератора обычно разрешается путем программирования соответствующего бита регистра конфигурации МК.

В большинстве моделей МК частота времязадающего элемента (резонато­ра или RC-цепи) и частота тактирования f_BUS жестко связаны коэффициентом деления встроенного делителя частоты. Поэтому изменение частоты программным путем не представляется возможным. Однако ряд последних семейств МК (например, НС08 фирмы Motorola) имеют в своем составе схему тактирования, основанную на принципе синтезатора частоты с контуром фазовой автоподстройки (PLL — phase loop lock). Такая схема работает как умножитель частоты и позволяет задавать тактовую частоту с помощью низкочастотного кварцевого резонатора, что снижает уровень электромагнитного излучения МК Коэффициенты деления контура PLL могут быть изменены программным путем, что позволяет снизить тактовую частоту (и, соответственно, потребляемую мощность) в промежутки времени, когда высокое быстродействие не требуется.

В некоторых МК семейства AVR фирмы Atmel тактовая частота кон­троллера, задаваемая внутренней RC-цепью, также может изменяться про­граммными средствами.