工程师在开发一个电路系统,往往会需要用到中央处理器,比如单片机、FPGA、或者 DSP 等等;当然一些简单的纯硬件电路项目方案例外,如充电器、热水壶等等。

 

作为单片机研发设计的项目,它的最小电路工作系统包含电源电路、复位电路、时钟频率电路;其中电源电路与复位电路,相信工程师都非常容易理解与设计。然而时钟频率电路,由于不同的开发项目功能需求不一样,设计的方案选择也不尽相同,很难得到有效的统一设计。

 

比如:


A 项目对研发成本要求较严格,功能较简单;


B 项目电路系统需要与外界电路系统完成串口通信,通信数据要求不能出错;


C 项目包含一个时钟万年历功能,时间要求不能间断而且精度要求高。

 

针对单片机的时钟频率电路,工程师依据不同的项目要求去设计与选择匹配的方案,具体的选择方案包含三类。

 

01 外部晶振方案


所谓外部晶振方案,是指在单片机的时钟引脚 X1 与 X2 外部连接一个晶振。

 


单片机外部晶振图

 

优点:时钟频率精度高,稳定性能好;对于一些数据处理能力要求较高的项目,尤其是多个电路系统彼此需要信息通讯,如包含 USB 通讯、CAN 通讯的项目,选用外部晶振的方案较多。

 

缺点:由于增加了外部晶振,所以研发的 BOM 表元器件成本增加扩大了。

 

02 内部晶振方案


所谓内部晶振方案,是指单片机利用内部集成的 RC 振荡电路产生的时钟频率。

 


单片机内部晶振图

 

优点:省去外部晶振,工程师可以有效的节约研发 BOM 元器件成本。

 

缺点:RC 振荡电路产生的时钟频率精度比较低,误差较大,容易引起一些高频率通信的数据交互错误。

 

03 时钟芯片方案


所谓时钟芯片方案,是指在单片机外部加入一个专门处理时钟的时钟芯片,用来给单片机提供精准的时钟信号。


单片机与时钟芯片电路

 

优点:精度高,误差小;适用于一些要求较高的电路项目。

 

缺点:电路设计复杂,工程师开发难度较高,研发 BOM 元器件成本高。

 

关于时钟芯片的一些电路特性,以美信的 DS1338 型号为例说明:

 


DS1338 时钟芯片

(1)供电


时钟芯片的供电电源包含两个部分:


VCC 供电,是指电路项目系统的电源,同时也是单片机的电源。


Vbat 供电,是指电池供电的电源,由于某种原因在 VCC 供电突然失去的条件下,时钟芯片自动启用 Vbat 电池电源,用以保持时钟芯片内部的时钟信号处理,不必因为电路系统电源 VCC 断电而失去电路工作。

 

(2)功能


时钟芯片内部集成时间的“秒”“分”“时”“日”“周”“月”和“年”详细信息计时电路功能,通过 IIC 通信方式将时间的信息发送至单片机,单片机即可获得高精度的时钟信息。

 

(3)接口


时钟芯片与单片机的接口是 IIC 通信接口,此接口方式为串口通信,工程师开发设计较为简单,容易实现电路功能;

 

(4)精度


精度,是指时钟芯片在正常工作条件下产生的时钟误差;例如美信的 DS1338 时钟芯片精度控制在 10PPM,换算成一天 24 小时误差精度在 0.8 秒左右。

 

(5)应用


时钟芯片,一般用来处理精确计算时间的电路项目,如时间万年历。

 

结语

 

当然这三个方案都是针对一些工业与民用领域,如果涉及到航空航天应用领域,比如卫星导航与遥感测量等,则需要选择更高精度的时钟频率电路,如原子钟方案。