Источники тактирования микроконтроллеров AVR

06.10.2015 18:50

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-цепочки

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:

где

F - частота, Гц.

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 ;-)

 

Читайте далее:

Atmel Studio 6. Создание HEX-файла