Частота тактового генератора определяет частоту - NEVINKA-INFO.RU

Частота тактового генератора определяет частоту

Тактовый генератор – электронная схема, производящая тактовый сигнал для синхронизации работы цифровых схем. Такой сигнал может иметь любую форму: и простую прямоугольную, и более сложную. Основными элементами генератора являются резонансная схема и усилитель.

Частота тактового генератора определяет частоту

Тактовый генератор: устройство, принцип работы, применение

Тактовый генератор – электронная схема, производящая тактовый сигнал для синхронизации работы цифровых схем. Такой сигнал может иметь любую форму: и простую прямоугольную, и более сложную. Основными элементами генератора являются резонансная схема и усилитель.

Тактовые сигналы

В электронике, в особенности в синхронных цифровых сетях, тактовый сигнал – это сигнал, имеющий постоянную частоту, два устойчивых состояния (верхнее и нижнее), предназначенных для согласования работы цифровых схем.

Тактовые сигналы создаются тактовыми генераторами. Наиболее распространенной формой тактового сигнала является меандр (сигнал с рабочим циклом 50%). Рабочий цикл – отношение длительности к периоду импульса. Другими словами, это часть периода, в течение которой сигнал активен.

Схемы, использующие тактовые сигналы, могут становиться активными во время переднего фронта, заднего фронта, или, в случае удвоенной скорости передачи данных, переднего и заднего фронтов импульса.

Принцип формирования тактового сигнала

Источником тактовых колебаний является кварцевый кристалл, расположенный в оловянном корпусе. При подаче на кварцевую пластинку напряжения, он начинает совершать механические колебания. Под действием пьезоэлектрического эффекта на электродах кристалла наводится ЭДС. Колебания электротока следуют на генератор, который, собственно, и преобразует их в импульсы.

Генератор тактовых импульсов для компьютера

В компьютере генератор отвечает за синхронную работу всех его устройств: процессора, оперативной памяти, шин данных. Работу процессора при этом можно сравнить с работой часов. Исполнение инструкции центральным процессором осуществляется за определенное число тактов. Точно также функционируют и часы. Такты в механических часах определяются колебаниями маятника.

Производительность процессора напрямую зависит от частоты тактов. Чем больше частота тактов, тем больше инструкций процессор способен выполнить за определенный промежуток времени. Одна команда или инструкция может выполняться процессором за часть такта или за несколько сотен тактов. Общая тенденция современного развития компьютерной техники заключается в снижении количества тактов, выделяемых для выполнения одной простейшей инструкции.

Оверклокинг

Особый интерес тактовый генератор процессора представляет для оверклокеров. К оверклокерам относят специалистов в области компьютерных технологий и просто любителей, стремящихся повысить производительность своей техники. В настоящее время оверклокинг доступен даже простым пользователям. Для изменения настроек компонентов компьютера иногда достаточно просто зайти в BIOS.

Прежде всего необходимо ответить на вопрос: за счет чего будет повышаться производительность? Здесь все очень просто. Производители компьютерных комплектующих для повышения надежности своих компонентов закладывают в них технологический запас. Именно этот запас и привлекает любителей выжать максимум из своего компьютера.

Одним из способов разгона компьютера будет замена кварцевого резонатора на кристалл, имеющий более высокую частоту. Или, например, можно убрать дополнительные элементы в виде делителей частоты из схемы генератора.

В современных компьютерах генераторы, как правило, реализуются на одной интегральной схеме. Значения тактовой частоты и множителя процессора, как уже было отмечено выше, можно изменить непосредственно из BIOS.

Начинающие оверклокеры нередко задаются вопросом, как определить модель тактового генератора. Программными средствами это сделать невозможно. Остается только открывать системный блок и искать генератор визуально.

С другой стороны, программным способом определяется модель материнской платы (AIDA64, Everest и другие). Затем для данной модели ищется подробная инструкция, а в ней вполне возможно будет найти информацию о названии генератора. А как узнать для тактового генератора значение тактовой частоты, установленное по умолчанию, и значение после разгона? Эти сведения также можно почерпнуть из инструкции для материнской платы.

Основные элементы

В качестве резонансной схемы генератора часто выступает кварцевый пьезо-электрический возбудитель. В то же время могут использоваться более простые схемы параллельного резонансного контура и RC-цепь (схема состоящая из конденсатора и резистора).

Генератор может иметь дополнительные схемы для изменения основного сигнала. Так процессор 8088 использует только две трети от рабочего цикла тактового сигнала. Это требует наличия в генераторе тактовых импульсов. И встроенной логической схемы для преобразования рабочего цикла.

По мере усложнения формы выходного синхросигнала в схеме генератора тактовых импульсов могут использоваться смеситель, делитель или умножитель частоты. Смеситель частоты генерирует сигнал, частота которого равна сумме или разности двух частот входных сигналов.

Схема фазовой автоподстройки частоты

Многие устройства используют схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) для сравнения фазы сигнала с выхода генератора с фазой частоты и регулировки частоты генератора таким образом, чтобы значения фаз совпали.

На рисунке приведена схема фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Устройство сравнения фаз (компаратор) имеет 2 входа и 1 выход. В качестве входных сигналов используется сигнал от задающего генератора (сигнал на входе схемы ФАПЧ) и сигнал с выхода генератора, управляемого напряжением (ГУН). Компаратор сравнивает фазы двух сигналов и формирует сигнал ошибки, который следует на фильтр нижних частот (ФНЧ), а с него – на ГУН, управляя его частотой.

Виды тактовых генераторов

1. Генераторы общего назначения

Генераторы общего назначения, как правило, используют схемы ФАПЧ для генерирования выходных сигналов из общей входной частоты. Они для получения опорной частоты используют простые недорогие кварцевые кристаллы. Из сигнала опорной частоты они генерируют выходные тактовые сигналы с низким уровнем дрожания фронта сигнала.

2. Программируемые генераторы

Позволяют изменять коэффициент, используемый делителем или умножителем. Благодаря этому можно выбрать любую из множества выходных частот без изменения аппаратной части.

Применение генераторов синхронизирующих сигналов в сетях SONET

Это тактовый генератор, используемый сетями поставщиков услуг часто в виде встроенного источника сигналов (BITS) для центрального офиса.

Цифровые коммутационные системы и некоторые системы передачи (например, системы синхронной цифровой иерархии SONET) зависят от надежной высококачественной синхронизации. Чтобы обеспечить такое состояние, большинство поставщиков услуг применяют схемы распределения сигналов синхронизации между офисами и реализуют концепцию BITS для обеспечения синхронизации внутри офиса.

На вход генератора тактовой частоты поступают входные сигналы синхронизации, а из выхода следуют выходные сигналы синхронизации. В качестве входных опорных сигналов могут выступать сигналы синхронизации DS-1 или CC (составные сигналы), выходными сигналами также могут быть сигналы DS-1 или CC.

  • входной интерфейс синхронизации, принимающий входные сигналы DS-1 или CC;
  • схема генерирования синхросигналов, которая создает синхросигналы, используемые схемой распределения выходной схемой распределения сигналов;
  • выходная схема распределения сигналов синхронизации, создающая множество сигналов DS-1 и CC;
  • схема контроля характеристик, предназначенная для контроля параметров синхронизации входных сигналов;
  • интерфейс аварийной сигнализации, подсоединенный к системе управления аварийной сигнализацией центрального офиса;
  • служебный интерфейс, предназначенный для использования местным обслуживающим персоналом и поддерживающий связь с удаленными служебными системами.

Тактовый генератор: устройство, принцип работы, применение

Тактовый генератор – электронная схема, производящая тактовый сигнал для синхронизации работы цифровых схем. Такой сигнал может иметь любую форму: и простую прямоугольную, и более сложную. Основными элементами генератора являются резонансная схема и усилитель.

Тактовые сигналы

В электронике, в особенности в синхронных цифровых сетях, тактовый сигнал – это сигнал, имеющий постоянную частоту, два устойчивых состояния (верхнее и нижнее), предназначенных для согласования работы цифровых схем.

Вам будет интересно: Как поставить макрос на мышку Bloody A4Tech

Тактовые сигналы создаются тактовыми генераторами. Наиболее распространенной формой тактового сигнала является меандр (сигнал с рабочим циклом 50%). Рабочий цикл – отношение длительности к периоду импульса. Другими словами, это часть периода, в течение которой сигнал активен.

Схемы, использующие тактовые сигналы, могут становиться активными во время переднего фронта, заднего фронта, или, в случае удвоенной скорости передачи данных, переднего и заднего фронтов импульса.

Принцип формирования тактового сигнала

Источником тактовых колебаний является кварцевый кристалл, расположенный в оловянном корпусе. При подаче на кварцевую пластинку напряжения, он начинает совершать механические колебания. Под действием пьезоэлектрического эффекта на электродах кристалла наводится ЭДС. Колебания электротока следуют на генератор, который, собственно, и преобразует их в импульсы.

Генератор тактовых импульсов для компьютера

Вам будет интересно: Как подключить «Икс Бокс 360» к интернету: пошаговая инструкция

В компьютере генератор отвечает за синхронную работу всех его устройств: процессора, оперативной памяти, шин данных. Работу процессора при этом можно сравнить с работой часов. Исполнение инструкции центральным процессором осуществляется за определенное число тактов. Точно также функционируют и часы. Такты в механических часах определяются колебаниями маятника.

Производительность процессора напрямую зависит от частоты тактов. Чем больше частота тактов, тем больше инструкций процессор способен выполнить за определенный промежуток времени. Одна команда или инструкция может выполняться процессором за часть такта или за несколько сотен тактов. Общая тенденция современного развития компьютерной техники заключается в снижении количества тактов, выделяемых для выполнения одной простейшей инструкции.

Оверклокинг

Особый интерес тактовый генератор процессора представляет для оверклокеров. К оверклокерам относят специалистов в области компьютерных технологий и просто любителей, стремящихся повысить производительность своей техники. В настоящее время оверклокинг доступен даже простым пользователям. Для изменения настроек компонентов компьютера иногда достаточно просто зайти в BIOS.

Прежде всего необходимо ответить на вопрос: за счет чего будет повышаться производительность? Здесь все очень просто. Производители компьютерных комплектующих для повышения надежности своих компонентов закладывают в них технологический запас. Именно этот запас и привлекает любителей выжать максимум из своего компьютера.

Одним из способов разгона компьютера будет замена кварцевого резонатора на кристалл, имеющий более высокую частоту. Или, например, можно убрать дополнительные элементы в виде делителей частоты из схемы генератора.

В современных компьютерах генераторы, как правило, реализуются на одной интегральной схеме. Значения тактовой частоты и множителя процессора, как уже было отмечено выше, можно изменить непосредственно из BIOS.

Начинающие оверклокеры нередко задаются вопросом, как определить модель тактового генератора. Программными средствами это сделать невозможно. Остается только открывать системный блок и искать генератор визуально.

С другой стороны, программным способом определяется модель материнской платы (AIDA64, Everest и другие). Затем для данной модели ищется подробная инструкция, а в ней вполне возможно будет найти информацию о названии генератора. А как узнать для тактового генератора значение тактовой частоты, установленное по умолчанию, и значение после разгона? Эти сведения также можно почерпнуть из инструкции для материнской платы.

Основные элементы

В качестве резонансной схемы генератора часто выступает кварцевый пьезо-электрический возбудитель. В то же время могут использоваться более простые схемы параллельного резонансного контура и RC-цепь (схема состоящая из конденсатора и резистора).

Читайте также  Чем заменить регулятор напряжения генератора

Генератор может иметь дополнительные схемы для изменения основного сигнала. Так процессор 8088 использует только две трети от рабочего цикла тактового сигнала. Это требует наличия в генераторе тактовых импульсов. И встроенной логической схемы для преобразования рабочего цикла.

По мере усложнения формы выходного синхросигнала в схеме генератора тактовых импульсов могут использоваться смеситель, делитель или умножитель частоты. Смеситель частоты генерирует сигнал, частота которого равна сумме или разности двух частот входных сигналов.

Схема фазовой автоподстройки частоты

Многие устройства используют схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) для сравнения фазы сигнала с выхода генератора с фазой частоты и регулировки частоты генератора таким образом, чтобы значения фаз совпали.

На рисунке приведена схема фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Устройство сравнения фаз (компаратор) имеет 2 входа и 1 выход. В качестве входных сигналов используется сигнал от задающего генератора (сигнал на входе схемы ФАПЧ) и сигнал с выхода генератора, управляемого напряжением (ГУН). Компаратор сравнивает фазы двух сигналов и формирует сигнал ошибки, который следует на фильтр нижних частот (ФНЧ), а с него – на ГУН, управляя его частотой.

Виды тактовых генераторов

1. Генераторы общего назначения

Генераторы общего назначения, как правило, используют схемы ФАПЧ для генерирования выходных сигналов из общей входной частоты. Они для получения опорной частоты используют простые недорогие кварцевые кристаллы. Из сигнала опорной частоты они генерируют выходные тактовые сигналы с низким уровнем дрожания фронта сигнала.

2. Программируемые генераторы

Позволяют изменять коэффициент, используемый делителем или умножителем. Благодаря этому можно выбрать любую из множества выходных частот без изменения аппаратной части.

Применение генераторов синхронизирующих сигналов в сетях SONET

Это тактовый генератор, используемый сетями поставщиков услуг часто в виде встроенного источника сигналов (BITS) для центрального офиса.

Цифровые коммутационные системы и некоторые системы передачи (например, системы синхронной цифровой иерархии SONET) зависят от надежной высококачественной синхронизации. Чтобы обеспечить такое состояние, большинство поставщиков услуг применяют схемы распределения сигналов синхронизации между офисами и реализуют концепцию BITS для обеспечения синхронизации внутри офиса.

На вход генератора тактовой частоты поступают входные сигналы синхронизации, а из выхода следуют выходные сигналы синхронизации. В качестве входных опорных сигналов могут выступать сигналы синхронизации DS-1 или CC (составные сигналы), выходными сигналами также могут быть сигналы DS-1 или CC.

  • входной интерфейс синхронизации, принимающий входные сигналы DS-1 или CC;
  • схема генерирования синхросигналов, которая создает синхросигналы, используемые схемой распределения выходной схемой распределения сигналов;
  • выходная схема распределения сигналов синхронизации, создающая множество сигналов DS-1 и CC;
  • схема контроля характеристик, предназначенная для контроля параметров синхронизации входных сигналов;
  • интерфейс аварийной сигнализации, подсоединенный к системе управления аварийной сигнализацией центрального офиса;
  • служебный интерфейс, предназначенный для использования местным обслуживающим персоналом и поддерживающий связь с удаленными служебными системами.

Генератор тактовых импульсов

Генератор тактовой частоты (генератор тактовых импульсов) генерирует электрические импульсы заданной частоты (обычно прямоугольной формы) для синхронизации различных процессов в цифровых устройствах — ЭВМ, электронных часах и таймерах, микропроцессорной и другой цифровой технике. Тактовые импульсы часто используются как эталонная частота — считая их количество, можно, например, измерять временные интервалы.

В микропроцессорной технике один тактовый импульс, как правило, соответствует одной атомарной операции. Обработка одной инструкции может производиться за один или несколько тактов работы микропроцессора, в зависимости от архитектуры и типа инструкции. Частота тактовых импульсов определяет скорость вычислений.

Содержание

Типы генераторов

В зависимости от сложности устройства, используют разные типы генераторов.

Классический

В несложных конструкциях, не критичных к стабильности тактового генератора, часто используется последовательное включение нескольких инверторов через RC-цепь. Частота колебаний зависит от номиналов резистора и конденсатора. Основной минус данной конструкции — низкая стабильность. Плюс — предельная простота.

Кварцевый

Кварц + микросхема генерации

Микросхема генерации представляет собой специальную микросхему, которая при подключении к её входам кварцевого резонатора будет выдавать на остальных выводах частоту, делённую или умноженную на исходную. Данное решение используется в часах, а также на старых материнских платах (где частоты шин были заранее известны, только внутренняя частота центрального процессора умножалась коэффициентом умножения).

Программируемая микросхема генерации

В современных материнских платах необходимо большое количество разных частот, помимо опорной частоты системной шины, которые, по возможности, не должны быть зависимы друг от друга. Хотя базовая частота всё же формируется кварцевым резонатором (частота — 14,3 МГц), она необходима лишь для работы самой микросхемы. Выходные же частоты корректируются самой микросхемой. Например, частота системной шины может быть всегда равна стандартным 33 МГц, AGP — 66 МГц и не зависеть от частоты FSB процессора.

Если в электронной схеме необходимо разделить частоту на 2 используют Т-триггер в режиме счётчика импульсов. Соответственно, для увеличения делителя увеличивают количество счётчиков (триггеров).

Тактовый генератор

Тактовый генератор — автогенератор, формирующий рабочие такты процессора («частоту»). В некоторых процессорах (например, Z80) выполняется встроенным.

Кроме тактовки процессора в обязанности тактового генератора входит организация циклов системной шины. Поэтому его работа часто тесно связана с циклами обновления памяти, контроллером ПДП и дешифратором сигналов состояния процессора.

См. также

  • Кварцевый резонатор
  • Кварцевый генератор
  • Блокинг-генератор
  • Генератор (электроника)
  • Автогенератор

  • Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное.
  • Проставив сноски, внести более точные указания на источники.

Wikimedia Foundation . 2010 .

  • Инвентаризация
  • Удивительный доктор Клиттерхаус

Полезное

Смотреть что такое «Генератор тактовых импульсов» в других словарях:

генератор тактовых импульсов — генератор синхроимпульсов — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы генератор синхроимпульсов EN clock … Справочник технического переводчика

генератор тактовых импульсов — takto impulsų generatorius statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. clock pulse generator; timing pulse generator vok. Taktimpulsgenerator, m rus. генератор тактовых импульсов, m pranc. générateur d impulsions de rythme, m … Automatikos terminų žodynas

генератор тактовых импульсов — taktų impulsų generatorius statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Generatorius, kuriantis stabilaus periodo impulsus, kurie naudojami tam tikrų įtaisų ar grandinių veikai sinchronizuoti. atitikmenys: angl. cycle repeat timer; … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

генератор тактовых импульсов — taktų impulsų generatorius statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. clock pulse generator; timing pulse generator vok. Impulszeitgeber, m; Taktimpulsgeber, m rus. генератор тактовых импульсов, m pranc. générateur d’impulsions de rythme, m;… … Fizikos terminų žodynas

задающий генератор (тактовых импульсов) — Ведущий опорный генератор, формирующий тактовые или синхронизирующие импульсы, используемые для управления другими генераторами, которые называются ведомыми. [Л.М. Невдяев. Телекоммуникационные технологии. Англо русский толковый словарь… … Справочник технического переводчика

опорный генератор тактовых импульсов — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999] Тематики электротехника, основные понятия EN reference clock … Справочник технического переводчика

Генератор сигналов — Генератор сигналов это устройство, позволяющее получать сигнал определённой природы (электрический, акустический или другой), имеющий заданные характеристики (форму, энергетические или статистические характеристики и т. д.).… … Википедия

генератор синхроимпульсов, управляемый напряжением — генератор тактовых импульсов, управляемый напряжением — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы… … Справочник технического переводчика

Генератор колебаний электрический — Электронные генераторы большое множество устройств в радиотехнике и электронике (радиоэлектронике). Генератор представляет собой электронный усилитель охваченный цепью положительной обратной связи с фильтром. Содержание 1 Виды генераторов 2… … Википедия

Электронный генератор — Электронные генераторы большое множество устройств в радиотехнике и электронике (радиоэлектронике). Генератор представляет собой электронный усилитель охваченный цепью положительной обратной связи с фильтром. Содержание 1 Виды электронных… … Википедия

25. Тактовый генератор

Тактовый генератор имеет в своем составе низкочастотный RC-генератор, Основной тактовый генератор и модуль ФАПЧ (PLL). Он вырабатывает следующие тактовые сигналы:

  • SLCK, низкочастотный тактовый сигнал, постоянен в пределах системы
  • MAINCK выход основного тактового генератора
  • PLLCK выход модуля ФАПЧ и делителя частоты

Интерфейс тактового генератора встроен в контроллер управления потребляемой мощности PMC и описан в главе 26.9. Однако имена регистров тактового генератора объединены в группе CKGR_.

25.2 Низкочастотный RC генератор

Низкочастотный RC генератор — единственный постоянный тактовый сигнал в пределах системы, включая контроллер управления потребляемой мощности PMC. Это необходимый сигнал для работы PMC. Пользователь должен учитывать возможный дрейф RC генератора. Более подробная информация приведена в секции характеристик по постоянному току.

25.3 Основной тактовый генератор

На рис.25-1 приведена структурная схема тактового генератора .


Рис. 25-1. Структурная схема тактового генератора

25.3.1 Включение основного тактового генератора

Тактовый генератор включает в себя основной тактовый генератор, работающий с кварцевым резонатором частотой от 3 до 20 МГц. Типовая схема включения кварца приведена на рис.25-2. При работе с кварцем на частотах до 8 МГц требуется установка резистора номиналом 1 кОм. К выводам XIN и XOUT подключаются конденсаторы емкостью по 25 пФ. Следовательно, емкости CL1 и CL2 можно не устанавливать, при использовании кварца с входной емкостью равной 12,5 пФ. Более подробная информация по электрическим характеристикам приведена в секции характеристик по постоянному току.


Рис. 25-2. Типовая схема включения кварцевого резонатора

25.3.2 Время запуска основного тактового генератора

Время запуска основного тактового генератора приведено в секции характеристик по постоянному току. Время запуска зависит от частоты кварца и уменьшается с ростом частоты.

25.3.3 Управление основным тактовым генератором

Для уменьшения потребления мощности при запуске системы основной тактовый генератор отключен, при этом выбран низкочастотный RC генератор.

Программно возможно включить/отключить основной тактовый генератор для уменьшения потребляемой мощности. Для этого производится сброс MOSCEN бита в регистре основного генератора (CKGR_MOR).

Отключение основного тактового генератора сбросом MOSCEN бита в CKGR_MOR приводит к автоматическому сбросу MOSCS бита в регистре PMC_SR, сообщая, что основной тактовый генератор отключен.

При разрешенном основном генераторе, пользователь должен инициализировать счетчик основного генератора значением, соответствующим времени запуска генератора. Время запуска зависит от частоты подключенного кварца.

После записи MOSCEN бита и значения OSCOUNT в регистр CKGR_MOR для разрешения основного генератора, MOSCS бит в регистре статуса PMC_SR сбрасывается. Счетчик начинает отсчет на убывание от значения OSCOUNT с частотой сигнала в 8 раз меньшей частоты сигнала SLCK. Так как значение OSCOUNT кодируется 8-ю битами, то максимальное время старта составляет примерно 62 мс.

Читайте также  Трассоискатель rd8100pdl в комплекте с генератором частот тх 10

При достижении счетчиком нуля, MOSCS устанавливается, сообщая, что частота основного генератора установилась. Установка MOSCS бита в PMC_IMR может быт источником прерывания для процессора.

25.3.4 Счетчик установки частоты основного генератора

Счетчик установки частоты основного генератора позволяет точно определить частоту подключенного кварцевого резонатора. Это может быть полезно для программы бут загрузчика для конфигурации микроконтроллера правильным значением тактового сигнала, независимо от приложения.

Счетчик установки частоты основного генератора начинает счет на скорости основного тактового генератора после появления положительного фронта низкочастотного генератора (сигнала SLCK), после стабилизации основного тактового генератора, то есть, как только установлен MOSCS бит. Затем по 16-ому отрицательному фронту сигнала SLCK устанавливается MAINRDY бит в регистре основной тактовой частоты CKGR_MCFR (Main Clock Frequency Register) и счетчик останавливает счет. Это значение может быть считано в поле MAINF регистра CKGR_MCFR и равно числу циклов основного тактового генератора за 16 периодов сигнала SLCK. Таким образом, может быть определена частота подключенного кварцевого резонатора.

25.3.5 Подключение внешнего генератора

Вместо подключения кварца к контроллеру можно подключить внешний генератор. В этом случае внешний тактовый сигнал подается на вывод XIN. Входные характеристики вывода XIN в этих условиях приведены в секции электрических характеристик. Программист должен не забыть установить OSCBYPASS бит в 1, а MOSCEN бит в 0 в регистре основного генератора CKGR_MOR (Main OSC Register) для правильной работы с внешним тактовым сигналом.

25.4 ФАПЧ и Делитель частоты

ФАПЧ включена во входной делитель для увеличения точности результирующего тактового сигнала. Тем не менее, пользователь должен выбрать минимальное значение частоты на входе ФАПЧ при программировании делителя.

На рис.25-3. приведена структурная схема ФАПЧ и Делителя частоты.


Рис. 25-3. Структурная схема ФАПЧ и Делителя частоты

25.4.1 Фильтр ФАПЧ

Схема ФАПЧ требует подключения внешнего фильтра 2-го порядка через вывод PLLRC. На рис.25-4 приведена схема такого фильтра.


Рис. 25-4. Схема фильтра для ФАПЧ

Номиналы R, C1 и C2 ,подключенные к выводу PLLRC, рассчитываются как функции входной частоты ФАПЧ, выходной частоты ФАПЧ и фазы. Выбор оптимального значения осуществляется по сдвигу выходного сигнала и времени запуска.

25.4.2 Программирование схемы ФАПЧ и Делителя частоты

Делитель может быть установлен в диапазоне от 1 до 255. При записи в поле делителя DIV нуля, на выходах соответствующего делителя и ФАПЧ устанавливается сигнал низкого уровня. После сброса, в каждое поле DIV записывается нуль, что приводит к установке нуля на соответствующих тактовых входах ФАПЧ.

Схема ФАПЧ допускает умножение сигналов с выходов делителей. Частота тактового сигнала ФАПЧ зависит от частоты исходного сигнала и параметров DIV и MUL. Значение выходной частоты определяется выражением (MUL + 1)/DIV. Запись в поле MUL нуля приводит к отключению ФАПЧ. Включение схемы ФАПЧ осуществляется записью в поле MUL значения большего нуля.

После включения ФАПЧ или изменения одного из ее параметров LOCK бит в регистре PMC_SR автоматически сбрасывается. Значения, записанные в поле PLLCOUNT в регистре CKGR_PLLR, загружаются в счетчик ФАПЧ. Счетчик ФАПЧ после этого декрементируется на скорости сигнала SLCK до достижения нуля. В этот момент LOCK бит в регистре PMC_SR установлен и может сформировать прерывание для процессора. Пользователь должен загрузить число тактов сигнала SLCK в поле PLLCOUNT, что определяет время перекрытия переходного процесса ФАПЧ. Длительность переходного процесса зависит от фильтра ФАПЧ. Начальные параметры ФАПЧ и выходная частота могут быть вычислены с использованием специальной утилиты предоставляемой фирмой Atmel.

Частота тактового генератора определяет частоту

Тактовая частота, на которой работает микроконтроллер AVR, определяет скорость его работы. Для некоторых realtime приложений (например для библиотеки V-USB) тактовая частота критически важный параметр, от которого зависит — будет программа работоспособна или нет. Поэтому важно уметь определять тактовую частоту, на которой работает микроконтроллер.

[На что влияет тактовая частота микроконтроллера?]

Ответ на этот вопрос прост — на скорость работы. Длительность каждого такта микроконтроллера AVR обычно соответствует времени выполнения одной инструкции на языке ассемблера (хотя есть инструкции ассемблера, время выполнения которых составляет 2, 3, и даже 4 такта). То есть чем выше тактовая частота, тем быстрее микроконтроллер работает, тем точнее его реакция на внешние события. Для приложений реального времени (например для программной работы с протоколом USB через библиотеку V-USB) бывает нужно очень точно знать длительность выполнения каждой инструкции программы.

Кроме того, в ядро AVR встроено множество периферийных аппаратных устройств — АЦП, UART, SPI, I2C и многое другое. Работа всех этих узлов зависит от тактовой частоты. Например, Вы не сможете точно задать скорость работы UART (RS-232), если не знаете его тактовую частоту.

Для вычисления задержек в программе часто используют удобные макросы-функции delay_us и delay_ms. Корректность их работы напрямую зависит от того, насколько рабочая частота микроконтроллера AVR соответствует программной константе F_CPU.

Таким образом, важно знать, как формируется тактовая частота, и уметь определять её действительное значение. Давайте разберем самые популярные варианты тактирования микроконтроллера AVR, чтобы научиться определять рабочую тактовую частоту.

[Кварцевый резонатор]

Очень часто (и это относится к макетным платам AVR-USB-MEGA16, AVR-USB162, AVR-USB162MU, metaboard, userial [1]) рабочая тактовая частота AVR точно равна частоте кварцевого резонатора (или просто кварца), который подключен к микроконтроллеру. В этом случае фьюзами (или программно) выключен встроенный предделитель тактовой частоты (prescaler). Ниже представлены примеры внешнего вида кварцевых резонаторов с маркировкой, где цифрами указана рабочая частота кварцевого резонатора.

На фотографии слева показан фрагмент старого варианта макетной платы AVR-USB-MEGA16 с кварцевым резонатором на 16 МГц. Многие примеры программ и готовые прошивки скомпилированы именно для этой частоты кварца. Справа показан новый вариант AVR-USB-MEGA16 с кварцем на 12 МГц.

В программе тактовая частота задается специальными константами (например F_CPU), которые потом проверяются препроцессором компилятора — чтобы правильно подключить нужный модуль кода. Константа F_CPU часто задается в makefile, и передается компилятору через опции командной строки. Константа может быть также задана в заголовочном файле программы на языке C (так называемом хедере, файле с расширением *.h).

Будьте внимательны, когда выбираете в программе тактовую частоту для микроконтроллера — если Вы случайно запрограммируете микроконтроллер, который работает на частоте 12 МГц, не той прошивкой (например, которая рассчитана на работу с частотой 16 МГц), то получите неработоспособное устройство USB, которое не будет определяться операционной системой. Очень много вопросов пользователей (почему мое устройство USB не работает. ) связано с некорректной тактовой частотой прошивки.

На этом фото показана макетная плата metaboard с микроконтроллером ATmega328-PU и кварцевым резонатором на 16 МГц. Здесь тоже для приложений USB используется программная обработка протокола на основе библиотеки V-USB. Поэтому все, что было сказано по поводу частоты кварца для макетной платы AVR-USB-MEGA16, в равной степени относится и к metaboard.

На этой фотографии показан фрагмент макетной платы AVR-USB162 с установленным кварцем на 16 МГц. Здесь используется микроконтроллер AT90USB162 с аппаратным интерфейсом USB, поэтому он намного быстрее справляется с задачей обработки протокола USB, чем обычный микроконтроллер AVR. Здесь тоже важна тактовая частота, на которой работает микроконтроллер — для приложений USB можно использовать кварцы на частоты 8 или 16 МГц, но программа очень строго должна это учитывать.

[Работа микроконтроллера от внутреннего тактового генератора]

Для приложений, где не нужно точно генерировать нужные интервалы времени, или когда не надо получить максимальное быстродействие микроконтроллера AVR, можно использовать встроенный в микроконтроллер RC-генератор. Частота этого генератора равна 8 МГц, по умолчанию она поделена на 8, и в результате микроконтроллер работает на частоте 1 МГц. Делитель может быть запрограммирован на разные коэффициенты деления, и также может быть отключен, так что максимальная рабочая тактовая частота микроконтроллера может быть 8 МГц. Достоинство такого генератора в том, что не нужно использовать внешний кварцевый резонатор, схема упрощается, конечное радиоэлектронное устройство можно сделать дешевле в производстве. Недостаток в том, что неточность RC-генератора ограничивает область применения такого варианта получения тактовой частоты.

Вариант работы генератора (RC-генератор, внешний кварц, коэффициент деления частоты) определяется фьюзами микроконтроллера AVR. Фьюзы микроконтроллера AVR могут быть изменены только с помощью внешнего программатора (интерфейсы ISP, JTAG, или может быть применен так называемый «параллельный» интерфейс программирования). Большинство микроконтроллеров AVR, которые выходят с заводов Atmel, поставляются настроенными на работу от внутреннего генератора, с включенным делителем на 8, т. е. при подаче питания они сразу заработают на частоте 1 МГц. В некоторых пределах тактовую частоту можно подстраивать программно с помощью записи значений констант в специальный настроечный регистр. Подробнее про фьюзы и настройку тактирования микроконтроллера AVR Вы можете узнать из даташита на Ваш микроконтроллер.

[Использование PLL]

Некоторые микроконтроллеры позволяют для получения тактовой частоты использовать PLL. Эта аббревиатура расшифровывается как Phase Locked Loop, что означает фазовая автоподстройка частоты, ФАПЧ. Смысл этого всего в том, что микроконтроллер работает от внутренней тактовой частоты, которая генерируется путем умножения и деления частоты внутреннего RC-генератора, причем частота RC-генератора подстраивается программно. Хороший пример использования такого генератора — приложения V-USB с микроконтроллером ATtiny45 (или ATtiny85), например USBrelay [2]. Микроконтроллер работает на частоте 16.5 МГц, которая получена с помощью RC-генератора и PLL. Частота точно подстраивается программно по синхросигналам начала фрейма USB (так называемый сигнал SOF, Start Of Frame), которые имеют очень точную периодичность 1 мс. Подробнее про PLL см. даташит микроконтроллера и исходный код USB-Relay [2].

[Определение тактовой частоты с помощью осциллографа]

В некоторых сложных случаях трудно заранее знать, на какой частоте работает микроконтроллер. Например, не промаркирован внешний резонатор, или Вы сомневаетесь в том, как запрограммировали фьюзами внутренний RC-генератор.

Если используется внешний резонатор (кварцевый или керамический), то тактовую частоту можно определить, подключившись к выходной ножке тактового генератора — коснувшись щупом одного из ножек резонатора. Будьте внимательны, подключиться надо именно к выходу генератора, и щуп осциллографа должен иметь малую входную емкость (чем меньше, тем лучше, желательно не более 20 пФ). Обычно малая входная емкость щупа получается, когда щуп осциллографа переключен на коэффициент деления 1:10). Чтобы точно узнать, какая ножка микроконтроллера является выходом, обратитесь к даташиту микроконтроллера. Осциллограф покажет тактовую частоту на выходе генератора, и рабочая тактовая частота микроконтроллера будет равна этой частоте с учетом коэффициента предделителя (если он включен фьюзами или программно).

Читайте также  Щетки генератора я213а2 v7

Когда используется внутренний RC-генератор, и когда Вы не уверены в том, насколько правильно запрограммировали фьюзы предделителя, может помочь измерение длительности выполнения команд программы. Для этого случае Вы можете вставить в главный цикл main программы две простые команды установки и сброса любого выбранного порта микроконтроллера, и потом осциллографом измерить полученную длительность выходного сигнала на этом порте. Вот простой пример такой программы (приведен только фрагмент кода, управляющей ножкой порта PB0):

Принцип определения тактовой частоты прост. В этом примере кода Вы видите две команды, управляющие разрядом 0 порта B, которые следуют друг за другом (запись константы в регистр PORTB). Первая команда устанавливает выходной уровень ножки PB0 в состояние лог. 1, вторая команда в лог. 0. Это измерение уровней можно проконтролировать осциллографом, подсоединив щуп к ножке порта PB0. Каждая команда записи в регистр PORTB компилируется в одну команду ассемблера, длительность которой можно узнать из даташита на микроконтроллер. В данном примере будут использоваться команды ORI и ANDI, имеющие длительность выполнения 1 цикл. Таким образом, между первой и второй командой пройдет время одного цикла, одного периода тактовой частоты микроконтроллера, т. е. длительность импульса лог. 1 будет равна длительности периода рабочей тактовой частоты. На рисунке упрощенно показана форма сигнала на выходе порта PB0 и соответствующая ей тактовая частота.

Длительность импульса лог. 1 на выходе порта PB0 можно измерить с помощью осциллографа, и по ней определить тактовую частоту, на которой работает микроконтроллер.

Как тактировать AVR

Введение

Прежде чем разбирать, какие бывают источники тактирования, чем они отличаются, их плюсы и минусы и тд, нам нужно определиться, что вообще означает словосочетание тактовая частота. Да и вообще, что означает термин «частота»?

Как нам говорит учебник физики, частота — это количество колебаний, произведенных за определенный промежуток времени. Чаще всего этот промежуток времени называют периодом и для удобства измерений его берут равным одной секунде.

Какие можно привести примеры подобных колебаний? Это могут быть часы с кукушкой, маятник, качели

и даже круги на воде от камушка, который мы кинули в воду:

Более подробно про частоту и период можно прочитать в статье Электрические сигналы и их виды.

Так, теперь ближе к делу. Что же такое тактовая частота?

Любая операция МК или его мегакрутого брата-микропроцессора состоит из отдельных элементарных действий, то есть тактов.

Получается, тактовая частота — это сколько тактов в секунду может выполнить наш МК или процессор. Отсюда напрашивается вывод, чем больше тактовая частота, тем больше количество операций за секунду может сделать МК или микропроцессор.

В МК AVR тактовая частота в основном измеряется в МегаГерцах. Как помните, приставка «Мега» означает один миллион. Если у нашего МК тактовая частота 8 МегаГерц, то это означает, что он может выполнять 8 000 000 тактов в секунду, или, грубо говоря, около 8 000 000 различных операций в секунду ;-). Пусть вас не пугает это число, потому что ваши настольные компьютеры, телефоны и планшеты уже работают на частоте в несколько ГигаГерц. Гига — это уже миллиард! Например, если частота процессора вашего компа 2 ГГц, это означает, что он может произвести 2 миллиарда операций в секунду). Мало? Как оказалось на практике, уже стает мало)).

Вернемся к нашим баранам), а именно, к тактовой частоте. Допустим, мы имеем МК Tiny 2313, сконфигурированный на работу 8 МегаГерц и который может выполнять при этом 8 миллионов тактов в секунду. Каждая операция процессора состоит из тактов. А когда процессор выполняет нашу программу, записанную во Flash память, он тоже производит определенные операции которые указаны в программе. Граничная частота МК Tiny 2313, как говорит нам Datasheet, довольно высокая и составляет аж целых 20 МГц! Это довольно много по меркам МК

Правда, это только с применением внешнего кварцевого резонатора.

Кварцевый резонатор, называемый часто просто кварц, может выглядеть по-разному:

На схемах он обозначается так:

На кварце часто указана частота, на которой он работает. Ниже на фото мы видим кварц, который работает на частоте 8 МегаГерц (8.000MHz)

В большинстве случаев стараются указывать частоту на корпусе кварца. Если у вас есть какое-либо ненужное цифровое устройство, вы вполне можете выпаять кварц на нужную частоту прямо оттуда. Но в большинстве случаев в этом нет необходимости, так как новый кварцевый резонатор в радиомагазине стоит порядка 20-30 рублей.

Есть один нюанс, любезно предоставленный нам производителями микроконтроллера. Если нам нужно, чтобы программа выполнялась медленнее в восемь раз, мы можем этого добиться даже не переписывая программу и не выставляя задержки по новой, то есть в 8 раз длиннее. Нам достаточно уменьшить частоту МК в восемь раз и программа будет для нас выполняться медленнее в восемь раз. Забегая вперед, скажу, что сделать это мы можем очень легко, выставив всего одну галочку при программировании фьюз-битов, в бите CKDIV 8. Также легко мы можем отменить все наши изменения.

Этот способ мы использовали при прошивке МК в прошлой статье.

Существуют 4 варианта, которые применяются для тактирования МК:

— тактирование от внутреннего RC-генератора

— тактирование от внешнего кварца

— тактирование от внешнего генератора

— тактирование от RC-цепочки

Тактирование от внутреннего RC-генератора

На тактирование от внутреннего RC генератора МК настроен сразу с завода и не требует внешних деталей. Это означает, что с помощью МК, питания +5 Вольт и одного светодиода с резистором, мы уже можем заставить наш МК работать и выполнять программу без всяких сложных настроек и дополнительных деталей, задав скорость программно, путем выставления задержки «Delay». Имейте ввиду, что встроенный RC-генератор может работать только на четырех частотах: 1, 2, 4 или 8 МегаГерц, поэтому если вам требуется какая-нибудь эксклюзивная частота, типа 1 638 000 Герц, то такой способ не прокатит.

Тактирование от внешнего кварца

Тактирование от внешнего кварца чуточку сложнее. Как же нам подключить внешний кварц? Для начала нам надо найти цоколевку МК, которую мы собираемся тактировать от внешнего кварца. Пусть в нашем примере это будет Тiny 2313. Чтобы подключить внешний кварц, достаточно найти ножки микросхемы с названием «XTAL1» и «XTAL2».

Потом подсоединить кварц вот по такой схеме:

Потом при прошивке надо правильно выставить фьюзы. О них мы с вами поговорим в следующих статьях.

На реальных платах можно увидеть примерно вот такие схемы расположения элементов с тактированием от кварца. Здесь изображен МК AVR в корпусе TQFP , конденсаторы в SMD исполнении, скорее всего в корпусе 0805, и кварц.

А здесь изображен МК в корпусе DIP , два керамических конденсатора, так называемые “желтые капельки”, и кварц.

Как видно на схеме подключения кварца к МК, номинал нужных нам конденсаторов должен составлять 15-22 пикофарада. Расшифровать номинал таких конденсаторов, можно с помощью этого рисунка:

Тактирование от внешнего генератора

К тактированию от внешнего генератора прибегают тогда, когда требуется синхронизовать МК с внешними цепями, либо этот МК тактируют какой-либо своей частотой от генератора частоты. Тактирующий сигнал подают на ножку XTAL1:

Тактирование от RC-цепи

Тактирование от RC-цепочки осуществляется вот по такой схеме:

Здесь мы берем конденсатор емкостью не менее 22 пФ, а резистор от 10 Ом и до 100 КилоОм. По простой формуле можно с легкостью рассчитать частоту, на которой будет тактироваться наш МК:

R — сопротивление резистора, Ом.

С — емкость, Фарад.

Внутренний RC-генератор и внешняя RC-цепь дают нестабильную частоту, которая «гуляет» и зависит от температуры. Для того чтобы помигать светодиодом и прочих неответственных действий, нам это будет не принципиально. В наших проектах, поначалу не требующих особой точности, мы будем использовать тактирование от внутреннего RC-генератора.

Но чтобы получить очень точную частоту тактирования, которая почти не гуляет, надо использовать кварц. Тактирование от кварца важно при создании точных измерительных приборов, электронных часов, устройств сложной и точной автоматики, да и вообще любых устройств, где важна точность и не допустимы малейшие отклонения.

Итак, как мы помним из предыдущей статьи, некоторые ножки имеют двойное назначение, и помимо того, что могут использоваться как порты ввода-вывода, также используются для обеспечения расширения функций МК. Действительно, если МК сконфигурирован для работы от внутреннего RC-генератора, вам достаточно подать на него питание +5 Вольт и землю, и микроконтроллер включится и начнет выполнять программу. Но если вы выпаяли микроконтроллер из какого-либо устройства и он должен был в нем тактироваться от кварца, или по ошибке выставляя биты конфигурации, вы выставили тактирование от кварца, МК перестанет у вас быть виден в программе оболочке, и не сможет выполнять программу, даже если вы подадите на него +5 Вольт и землю.

Что же делать в таком случае? В первую очередь не паниковать) и собрать схему с тактированием от кварца, и тогда мы сделаем видимым наш МК, который вдруг может быть переставать у вас определяться оболочкой программатора и работать в схеме, если вы ошибочно переведете МК в режим тактирования от кварца, путем выставления определенных фьюзов. Об этом мы как-нибудь еще поговорим ;-)

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: