什么是外部振蕩器和內(nèi)部振蕩器?配置操作看這里
來源：http://www.djbyg.com 作者：金洛鑫電子 2019年09月19
大多數(shù)人認(rèn)為晶體振蕩器的工作模式就是振蕩,提供精準(zhǔn)的信號,這樣說也并沒有錯,只是不夠全面,其實應(yīng)用到系統(tǒng)里的貼片振蕩器,還分為外部振蕩器和內(nèi)部振蕩器,通過正確的配置和操作,才能使二者之間相互工作.本技術(shù)資料的目的是描述如何配置和使用內(nèi)部和外部振蕩器.提供了配置描述,設(shè)置示例和示例代碼.
內(nèi)部振蕩器頻率可由用戶軟件配置,有四種設(shè)置可將振蕩器頻率除以1,2,4或8.除了四種主要設(shè)置外,某些器件還有一個校準(zhǔn)的±2％內(nèi)部振蕩器,帶有精細(xì)可調(diào)諧頻率,步長約為50kHz.外部振蕩器使用其4種工作模式,有源晶振在頻率選擇,功耗和精度方面提供了更大的靈活性.系統(tǒng)時鐘可以在內(nèi)部和外部振蕩器之間自由切換.此外,在選擇內(nèi)部振蕩器時可以使外部振蕩器保持使能,以避免在系統(tǒng)時鐘切換回外部振蕩器時啟動延遲.復(fù)位時,內(nèi)部振蕩器除以8作為系統(tǒng)時鐘.內(nèi)部振蕩器和典型頻率如表1所示.通過改變IFCN位,可以在運行中改變內(nèi)部振蕩器分頻因子.
內(nèi)部振蕩器本身的功耗與所選頻率無關(guān);然而,整個貼片晶振的功耗取決于頻率.內(nèi)部振蕩器的精度在采用未校準(zhǔn)的16MHz振蕩器的器件上的工藝,電源和溫度變化范圍內(nèi)為±20％,在具有a的器件上為±2％.校準(zhǔn)24.5MHz振蕩器.
外部振蕩器:
外部振蕩器具有高度可配置性,為系統(tǒng)設(shè)計人員提供了多種選擇.時基可以來自外部CMOS電平時鐘源,附加晶體或陶瓷諧振器,附加RC組合或外部電容.
外部CMOS時鐘模式:
系統(tǒng)時鐘可以由連接到XTAL1引腳的外部CMOS電平時鐘源提供,例如石英晶體振蕩器模塊或來自另一個MCU的時鐘信號.
注意:XTAL1引腳不耐5V.
外部水晶模式:
通常,當(dāng)需要精確的時基時,需要晶體,例如,當(dāng)ADC的絕對采樣率很關(guān)鍵或必須生成標(biāo)準(zhǔn)UART波特率時.請注意,在帶有校準(zhǔn)的24.5MHz內(nèi)部振蕩器的設(shè)備上,UART通信不需要晶體.或者,一種低頻音叉晶體,例如,一個32.768kHz的手表晶振,可用于在低功耗模式下操作器件,然后可根據(jù)系統(tǒng)要求將控制切換到高頻內(nèi)部振蕩器.只要適當(dāng)設(shè)置負(fù)載電容參數(shù)和振蕩器驅(qū)動電平,晶體振蕩器的精度和穩(wěn)定性幾乎完全由附加的晶體或陶瓷諧振器控制.晶體振蕩器電路設(shè)計用于并行模式指定的晶體.
外部RC:
外部振蕩器時基也可以從外部串聯(lián)RC組合得到,如圖1所示.當(dāng)電容器電壓(Vc)小于VDD/3時,電容器通過電阻器充電.一旦電容器電壓達到VDD/3,比較器就會產(chǎn)生一條到AGND的路徑并使電容器放電.該操作在XTAL1處產(chǎn)生鋸齒型波形,如圖2所示,其周期由電容器上電壓的上升時間決定;對于100pF電容,放電時間小于10ns.比較器的輸出被緩沖并饋送到二分頻級,其輸出變?yōu)橄到y(tǒng)時鐘.外部RC模式中時基的精度由R和Ccom的容差決定.
圖1.RC模式概述
圖2.RC模式波形生成
外部C模式:
該模式與上述外部RC模式的操作類似,不同之處在于電容器的充電電流由XTAL2的內(nèi)部可編程電流源提供.這是最不準(zhǔn)確的時基模式;然而,它是最靈活的,因為單個無源元件可以提供多達八個不同的工作頻率,最高頻率幾乎比最低頻率高3000倍.
C模式下的外部振蕩器通過對連接到XTAL2的電容器進行持續(xù)充電和放電來產(chǎn)生信號.如圖3所示,電容器從恒定的電流源線性充電.當(dāng)電容上的電壓達到VDD/3時,比較器會產(chǎn)生接地路徑,使電容器放電.電容器放電后,比較器打開開關(guān)并重復(fù)循環(huán).得到的波形如圖4所示.外部C模式下時基的貼片晶振精度主要取決于電容器的容差和XTAL2內(nèi)部電流源的精度.在工藝,電源和溫度變化范圍內(nèi),內(nèi)部電流源的精度約為±30％.
圖4.C模式波形生成
內(nèi)部振蕩器配置示例:
復(fù)位時,選擇內(nèi)部振蕩器除以8作為系統(tǒng)時鐘.硬件連接:如果系統(tǒng)設(shè)計僅使用內(nèi)部振蕩器且不使用外部振蕩器,則貼片晶振XTAL1引腳應(yīng)在外部接地,如圖5所示,或者通過將XOSCMD位(OSCXCN.6-4)設(shè)置為“000”來內(nèi)部接地.如果系統(tǒng)要求長時間保持低電平的器件的/RST線,則建議在外部接地XTAL1.
IFCN位(OSCICN.1-0)編程內(nèi)部振蕩器頻率.可選擇四個除法設(shè)置,如表1所示.如果器件具有校準(zhǔn)的24.5MHz內(nèi)部振蕩器,則可以通過遞增或遞減OSCICL寄存器來微調(diào)頻率.
內(nèi)部振蕩器的啟動和穩(wěn)定時間幾乎是瞬時的.此外,內(nèi)部振蕩器的頻率可以隨時任意改變.由于內(nèi)部振蕩器在執(zhí)行下一條指令之前穩(wěn)定在新編程的頻率,因此不需要IFRDY輪詢.
外部振蕩器配置示例:
外部振蕩器支持四種不同的配置:CMOS時鐘,晶振,RC和C模式.可以使用OSCXCN寄存器配置外部振蕩器.一旦外部振蕩器配置并穩(wěn)定后,系統(tǒng)時鐘就可以使用CLKSL位從內(nèi)部振蕩器切換到外部振蕩器.有關(guān)更多信息和CLKSL位的位置,請查看相應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊.
在基于晶體的設(shè)計中,啟動晶體振蕩器可能需要幾毫秒,具體取決于晶振頻率.較慢的晶體往往比較快的晶體具有更長的啟動時間.XTLVLD(晶體振蕩器有效)標(biāo)志可用于確定外部振蕩器何時穩(wěn)定.在外部RC和外部C模式下,外部振蕩器的啟動時間是瞬時的.
外部CMOS時鐘:
外部振蕩器時鐘可由連接到XTAL1輸入的外部CMOS電平源提供.在這種配置中,XTAL2應(yīng)該懸空,如圖6所示.SYSCLK頻率可以按原樣從輸入信號中導(dǎo)出,或者通過二分頻階段傳遞.
注:與某些端口I/O引腳不同,有源貼片晶振XTAL1和XTAL2引腳不具有5V容差.這些引腳的電壓應(yīng)保持在AV+和AGND之間.
圖6.外部CMOS時鐘連接
圖7.外部
外部水晶:
外部振蕩器時基可以從連接在XTAL1和XTAL2引腳上的晶體或陶瓷諧振器得到,如圖7所示.外部振蕩器可以配置為按原樣使用晶振頻率,或者除以2.XTLVLD檢測電路需要一個建立時間來實現(xiàn)適當(dāng)?shù)钠?在啟用振蕩器和檢查XTLVLD標(biāo)志之間引入1ms的延遲將阻止早期切換到外部振蕩器作為系統(tǒng)時鐘.在完全穩(wěn)定之前切換到外部振蕩器會導(dǎo)致不可預(yù)測的行為.
注意:負(fù)載電容(圖7中的Cx1和Cx2)應(yīng)連接到模擬地平面.另請注意,石英振蕩器逆變器的反饋電阻是在芯片上提供的,不需要外部電阻.
水晶啟動程序:
1.配置OSCXCN寄存器以選擇所需的外部振蕩器模式.
2.等待至少1ms.
3.對XTLVLD進行輪詢=>'1'.
4.將系統(tǒng)時鐘切換到外部振蕩器.
確定XFCN:
XFCN控制晶體振蕩器驅(qū)動器的驅(qū)動電平.從本質(zhì)上講,驅(qū)動電平應(yīng)該足夠強大以激發(fā)晶體振蕩,但不能強烈地強調(diào)晶體使其過早降解.對于3MHz及以上的晶體,基于XFCN設(shè)置過高的降級通常不是問題,可以使用最大XFCN值,但這會導(dǎo)致振蕩器的工作電流更高.對于低頻振蕩叉晶體,例如32.768K和100K,過度驅(qū)動晶體確實存在可靠性問題.此外,如果驅(qū)動電平太高,音叉晶體可能根本不會振蕩.
內(nèi)部振蕩器頻率可由用戶軟件配置,有四種設(shè)置可將振蕩器頻率除以1,2,4或8.除了四種主要設(shè)置外,某些器件還有一個校準(zhǔn)的±2％內(nèi)部振蕩器,帶有精細(xì)可調(diào)諧頻率,步長約為50kHz.外部振蕩器使用其4種工作模式,有源晶振在頻率選擇,功耗和精度方面提供了更大的靈活性.系統(tǒng)時鐘可以在內(nèi)部和外部振蕩器之間自由切換.此外,在選擇內(nèi)部振蕩器時可以使外部振蕩器保持使能,以避免在系統(tǒng)時鐘切換回外部振蕩器時啟動延遲.復(fù)位時,內(nèi)部振蕩器除以8作為系統(tǒng)時鐘.內(nèi)部振蕩器和典型頻率如表1所示.通過改變IFCN位,可以在運行中改變內(nèi)部振蕩器分頻因子.
表1.OSCICN寄存器中的內(nèi)部振蕩器頻率控制位
| IFCN | 典型頻率(16MHz振蕩器) | 典型頻率(24.5MHz校準(zhǔn)振蕩器) |
| 00b | 2MHz | 3.0625MHz |
| 01b | 4MHz | 6.125MHz |
| 10b | 8MHz | 12.25MHz |
| 11b | 16MHz | 24.5MHz |
外部振蕩器:
外部振蕩器具有高度可配置性,為系統(tǒng)設(shè)計人員提供了多種選擇.時基可以來自外部CMOS電平時鐘源,附加晶體或陶瓷諧振器,附加RC組合或外部電容.
外部CMOS時鐘模式:
系統(tǒng)時鐘可以由連接到XTAL1引腳的外部CMOS電平時鐘源提供,例如石英晶體振蕩器模塊或來自另一個MCU的時鐘信號.
注意:XTAL1引腳不耐5V.
外部水晶模式:
通常,當(dāng)需要精確的時基時,需要晶體,例如,當(dāng)ADC的絕對采樣率很關(guān)鍵或必須生成標(biāo)準(zhǔn)UART波特率時.請注意,在帶有校準(zhǔn)的24.5MHz內(nèi)部振蕩器的設(shè)備上,UART通信不需要晶體.或者,一種低頻音叉晶體,例如,一個32.768kHz的手表晶振,可用于在低功耗模式下操作器件,然后可根據(jù)系統(tǒng)要求將控制切換到高頻內(nèi)部振蕩器.只要適當(dāng)設(shè)置負(fù)載電容參數(shù)和振蕩器驅(qū)動電平,晶體振蕩器的精度和穩(wěn)定性幾乎完全由附加的晶體或陶瓷諧振器控制.晶體振蕩器電路設(shè)計用于并行模式指定的晶體.
外部RC:
外部振蕩器時基也可以從外部串聯(lián)RC組合得到,如圖1所示.當(dāng)電容器電壓(Vc)小于VDD/3時,電容器通過電阻器充電.一旦電容器電壓達到VDD/3,比較器就會產(chǎn)生一條到AGND的路徑并使電容器放電.該操作在XTAL1處產(chǎn)生鋸齒型波形,如圖2所示,其周期由電容器上電壓的上升時間決定;對于100pF電容,放電時間小于10ns.比較器的輸出被緩沖并饋送到二分頻級,其輸出變?yōu)橄到y(tǒng)時鐘.外部RC模式中時基的精度由R和Ccom的容差決定.
圖1.RC模式概述
圖2.RC模式波形生成
該模式與上述外部RC模式的操作類似,不同之處在于電容器的充電電流由XTAL2的內(nèi)部可編程電流源提供.這是最不準(zhǔn)確的時基模式;然而,它是最靈活的,因為單個無源元件可以提供多達八個不同的工作頻率,最高頻率幾乎比最低頻率高3000倍.
C模式下的外部振蕩器通過對連接到XTAL2的電容器進行持續(xù)充電和放電來產(chǎn)生信號.如圖3所示,電容器從恒定的電流源線性充電.當(dāng)電容上的電壓達到VDD/3時,比較器會產(chǎn)生接地路徑,使電容器放電.電容器放電后,比較器打開開關(guān)并重復(fù)循環(huán).得到的波形如圖4所示.外部C模式下時基的貼片晶振精度主要取決于電容器的容差和XTAL2內(nèi)部電流源的精度.在工藝,電源和溫度變化范圍內(nèi),內(nèi)部電流源的精度約為±30％.
圖4.C模式波形生成
復(fù)位時,選擇內(nèi)部振蕩器除以8作為系統(tǒng)時鐘.硬件連接:如果系統(tǒng)設(shè)計僅使用內(nèi)部振蕩器且不使用外部振蕩器,則貼片晶振XTAL1引腳應(yīng)在外部接地,如圖5所示,或者通過將XOSCMD位(OSCXCN.6-4)設(shè)置為“000”來內(nèi)部接地.如果系統(tǒng)要求長時間保持低電平的器件的/RST線,則建議在外部接地XTAL1.
內(nèi)部振蕩器的啟動和穩(wěn)定時間幾乎是瞬時的.此外,內(nèi)部振蕩器的頻率可以隨時任意改變.由于內(nèi)部振蕩器在執(zhí)行下一條指令之前穩(wěn)定在新編程的頻率,因此不需要IFRDY輪詢.
外部振蕩器配置示例:
外部振蕩器支持四種不同的配置:CMOS時鐘,晶振,RC和C模式.可以使用OSCXCN寄存器配置外部振蕩器.一旦外部振蕩器配置并穩(wěn)定后,系統(tǒng)時鐘就可以使用CLKSL位從內(nèi)部振蕩器切換到外部振蕩器.有關(guān)更多信息和CLKSL位的位置,請查看相應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊.
在基于晶體的設(shè)計中,啟動晶體振蕩器可能需要幾毫秒,具體取決于晶振頻率.較慢的晶體往往比較快的晶體具有更長的啟動時間.XTLVLD(晶體振蕩器有效)標(biāo)志可用于確定外部振蕩器何時穩(wěn)定.在外部RC和外部C模式下,外部振蕩器的啟動時間是瞬時的.
外部CMOS時鐘:
外部振蕩器時鐘可由連接到XTAL1輸入的外部CMOS電平源提供.在這種配置中,XTAL2應(yīng)該懸空,如圖6所示.SYSCLK頻率可以按原樣從輸入信號中導(dǎo)出,或者通過二分頻階段傳遞.
注:與某些端口I/O引腳不同,有源貼片晶振XTAL1和XTAL2引腳不具有5V容差.這些引腳的電壓應(yīng)保持在AV+和AGND之間.
圖6.外部CMOS時鐘連接
圖7.外部
外部振蕩器時基可以從連接在XTAL1和XTAL2引腳上的晶體或陶瓷諧振器得到,如圖7所示.外部振蕩器可以配置為按原樣使用晶振頻率,或者除以2.XTLVLD檢測電路需要一個建立時間來實現(xiàn)適當(dāng)?shù)钠?在啟用振蕩器和檢查XTLVLD標(biāo)志之間引入1ms的延遲將阻止早期切換到外部振蕩器作為系統(tǒng)時鐘.在完全穩(wěn)定之前切換到外部振蕩器會導(dǎo)致不可預(yù)測的行為.
注意:負(fù)載電容(圖7中的Cx1和Cx2)應(yīng)連接到模擬地平面.另請注意,石英振蕩器逆變器的反饋電阻是在芯片上提供的,不需要外部電阻.
水晶啟動程序:
1.配置OSCXCN寄存器以選擇所需的外部振蕩器模式.
2.等待至少1ms.
3.對XTLVLD進行輪詢=>'1'.
4.將系統(tǒng)時鐘切換到外部振蕩器.
確定XFCN:
XFCN控制晶體振蕩器驅(qū)動器的驅(qū)動電平.從本質(zhì)上講,驅(qū)動電平應(yīng)該足夠強大以激發(fā)晶體振蕩,但不能強烈地強調(diào)晶體使其過早降解.對于3MHz及以上的晶體,基于XFCN設(shè)置過高的降級通常不是問題,可以使用最大XFCN值,但這會導(dǎo)致振蕩器的工作電流更高.對于低頻振蕩叉晶體,例如32.768K和100K,過度驅(qū)動晶體確實存在可靠性問題.此外,如果驅(qū)動電平太高,音叉晶體可能根本不會振蕩.
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