标签: 时钟源

STM32F3xx系列是高集成和易于开发的32位MCU，整合了带有DSP与FPU指令、工作频率为72MHz的32位ARM Cortex-M4内核、高级模拟外设以及嵌入式Flash和SRAM存储器。由于实时功能、数字信号处理、低功耗与低电压操作特性，STM32F3xx能有效处理三相电机控制器、生化和工业传感器以及音频滤波器等电路的混合信号，可广泛用于消费、医疗、便携式健身、系统监控与测量的实际应用。 时钟方面，STM32F3xx使用两个时钟源：LSE采用的X1是一个32.768kHz晶振，用于嵌入式RTC；HSE采用的X2为8MHz晶振，用于STM32F3xx MCU运行。每个时钟源在未使用时，都可单独打开或者关闭，以降低功耗。 1. HSE时钟 高速外部时钟信号（HSE）OSC时钟有2个时钟源：HSE外部晶振 / 陶瓷谐振器，HSE用户外部时钟。 PCB布线时，谐振器和负载电容必须尽可能地靠近振荡器的引脚，以尽量减小输出失真和起振稳定时间。负载电容值必须根据所选振荡器的不同做适当调整。 （1）外部晶振/陶瓷谐振器（HSE晶振） 4-32MHz外部振荡器的优点是精度非常高。时钟控制寄存器中的HSERDY标志（RCC_CR）指示了HSE振荡器是否稳定。在启动时，硬件将此位置1后，此时钟才可以使用。如在时钟中断寄存器（RCC_CIR）中使能中断，则可产生中断。 HSE晶振可通过时钟控制寄存器（RCC_CR）中的HSEON位打开或关闭。 （2）外部源（HSE旁路） 在此模式下，必须提供外部时钟源，最高频率不超过32MHz。此模式通过将时钟控制寄存器（RCC_CR）中的HSEBYP和HSEON位置1进行选择。必须使用占空比为40-60%的外部时钟信号（方波、正弦波或三角波）来驱动OSC_IN引脚，具体取决于频率，同时OSC_OUT引脚可用作GPIO。 2. LSE时钟 LSE晶振是32.768kHz低速外部晶振或陶瓷谐振器，可作为实时时钟（RTC）的时钟源来提供时钟 / 日历或其它定时功能，具有功耗低且精度高的优点。 LSE晶振通过备份域控制寄存器（RCC_BDCR）中的LSEON位打开和关闭。使用备份域控制寄存器（RCC_BDCR）中的LSEDRV 位，可在运行时更改晶振驱动强度，以实现稳健性、短启动时间和低功耗之间的最佳平衡。 备份域控制寄存器（RCC_BDCR）中的LSERDY标志指示了LSE晶振是否稳定。在启动时，硬件将此位置1后，LSE晶振输出时钟信号才可以使用。如在时钟中断寄存器（RCC_CIR）中使能中断，则可产生中断。 在此模式下，必须提供外部时钟源，最高频率不超过1MHz。此模式通过将备份域控制寄存器（RCC_BDCR）中的LSEBYP和LSEON位置1进行选择。必须使用占空比约为50%的外部时钟信号（方波、正弦波或三角波）来驱动OSC32_IN引脚，同时OSC32_OUT引脚可用作GPIO。 3. HSI时钟 HSI时钟信号由内部8MHz RC振荡器生成，可直接用作系统时钟（SYSCLK），或者用作PLL输入。HSI RC振荡器的优点是成本较低（无需使用外部元件）。此外，其启动速度也要比HSE晶振块，但即使校准后，其频率精度也不及外部晶振或陶瓷谐振器。 因为生产工艺不同，不同芯片的RC振荡器频率也不同，ST对每个器件进行出厂校准，达到TA= 25 ℃时1%的精度。此外，可将HSI时钟接至MCO复用器。时钟可连接至F30x中定时器16的输入及F37x中定时器14的输入，以允许用户校准振荡器。 4. LSI时钟 低速内部RC时钟（LSI RC）频率约为40kHz（30kHz到60kHz之间）。LSI时钟可作为低功耗时钟源在停机和待机模式下保持运行，用于驱动独立看门狗（IWDG）和RTC，也可选择提供给RTC用于停机 / 待机模式下的自动唤醒。 5. 外围元器件参考 根据意法半导体提供的STM32F303VCT/358VCT6、STM32F373VCT6/378VCT6外围元器件参考数据，前三项为必备项，其他为备选元器件。 BOM表中，32kHz石英晶振用于LSE，频点为32.768kHz，两个匹配电容选择10pF的MLCC电容器，无需匹配电阻。8MHz石英晶振用于HSE，两个匹配电容C14、C15选择20pF的MLCC电容器，匹配电阻R4选择390Ω，具体应以晶振参数和涉及要求为准。

USB（通用串行总线）经过几十年发展，已经成为一种在个人电脑领域大量使用的标准。记忆棒、移动硬盘、鼠标和网络摄像头都通过USB连接。本文将深入分析USB音频：一种用来将PC、智能手机和平板电脑中所使用的电子音频与扬声器、麦克风或调音台等音频外设连接在一起的标准。本文将描述USB音频的工作原理，需要注意什么事项，以及对于高保真多通道输入输出，应如何使用USB音频等。 USB基本原理 USB是一种由PC（USB主机）发起一次传输，设备（例如一套USB扬声器）继而响应的通信协议。每次传输都寻址到一个特定设备，并寻址到该设备的一个特定端点。IN传输将数据发送至PC。当主机发起一次IN传输时，设备必须用主机所需的数据做出响应。OUT传输将数据传输至设备。当主机执行一次OUT传输时，它发送设备必须捕获的数据包。在USB音频领域，IN传输和OUT传输可以用于传输音频样本：一个OUT传输将音频数据从PC发送至扬声器，而IN传输用于将音频数据从麦克风发送至PC。 作者：XMOS首席技术专家Henk Muller USB规范中有4种类型的IN传输和OUT传输：批量传输、同步传输、中断传输和控制传输。 批量传输用于在主机和设备之间可靠地传输数据。所有USB传输都带有CRC（校验和），它表明是否有错误发生。在一次批量传输中，数据的接收端必须验证CRC。如果CRC正确，传输被应答，数据被假定已经传输无误。如果CRC不正确，传输不会被应答，然后将会重试。如果设备未准备好接收数据，它将传送一个否定应答（NAK）信号，该信号将会使主机重试传输。批量传输不被认为对时间要求严格，因此将会安排在以下将要讨论的、对时间要求严格的各种传输的周边时间。 同步传输用于在主机和设备之间实时传输数据。若主机建立了同步端点，主机会为同步端点分配一定数量的带宽，并且它将在该端点上规律地执行IN传输或OUT传输。例如，主机可以每125μs对该设备OUT 1KB数据。由于分配了固定的、有限数量的带宽，如果出现了任何异常，都将没有时间重发数据。数据具有正常的CRC，但是如果接收端检测到错误，将没有重发机制。 中断传输被主机用于定期探询设备，以发现是否有值得做的事情发生。例如，主机可以探询音频设备，核对静音（MUTE）按钮是否已被按下。“中断”传输这个名称有一点混淆视听，因为其并不中断任何事情。然而，数据的定期探询给出了主机中断将会提供的相同类型的功能。 控制传输与批量传输非常相似。控制传输会被应答（即可以被NAK），并且以非实时方式传送。控制传输用于正常数据流以外的操作，例如询问设备功能或端点状态。设备功能描述的说明在本文范畴之外，本文仅陈述诸如“USB音频类”或“USB大容量存储类”等预定义的类型，它们能够实现跨平台的互操作性。 USB帧中制定了所有的传输类型。高速USB帧的长度为125μs（Full Speed USB帧为1ms），并由主机发送帧起始（SOF）消息进行标记。同步传输和中断传输每帧至多发送一次。 USB音频 USB音频使用了同步传输、中断传输和控制传输。所有音频数据通过同步传输来传输；中断传输用于转发关于音频时钟可用性的信息；控制传输用于设置音量、请求采样率等（参见图1）。 图1：主机和USB设备之间的传输——同步IN和OUT用于音频数据，控制用于设置参数，中断用于状态监视。 USB音频系统的数据需求取决于通道数、代表每个样本的位数，以及采样率。典型的通道数为2（立体声）、6（5.1声道）或者更高（用于录音室或DJ应用）。尽管传统音频可用16位，典型的采样率为24位，而高质量音频为32位。典型的采样率为44.1、48、96及192kHz，后者为高质量音频所使用。 这里假设去设计一个具有96kHz采样率和24位样本的立体声音频扬声器系统，为了简化主机和设备上的数据编组，24位值一般用一个零字节填充，因此，总数据吞吐速率为96,000×2通道×4B=768,000Bps。同步端点以每125μs进行一次传输（或8000次传输/s）的速率工作。用所需的字节速率除以帧速率，可以得到每次同步传输的字节数：768,000/8,000=每次传输96B。 假若使用例如44,000Hz 的CD唱片速率，传输速率经计算为44.1次传输/s。在USB音频中，每次传输总是运送整数个样本；传输在48B和40B（6个和5个立体声样本）之间交替进行，以至于平均速率算出为每次传输44.1B。 单次同步传输可运送1024B，最多能够运送256个样本（在24/32位时）。这意味着，单个同步端点在48kHz时能传输42个通道，或者在192kHz时能传输10个通道——假定使用的是高速USB（High Speed USB）——全速USB（Full Speed USB）在48kHz时无法运送多于一个立体声IN和OUT对。 当发送数字音频时，将会有延迟引入。在高速USB的情况下，延迟为250μs。数据包在每个125μs窗口中传输一次，但是考虑到它可能会在该窗口中的任何时候发送，需要有一个250μs的缓冲器。在该250μs延迟的顶端，操作系统（O/S）驱动程序和编解码器（CODEC）中可能引起额外延迟。注意：全速USB的固有延迟远远更高（为2ms），因为数据在每个1ms窗口中仅发送一次。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 1s在“朋友”之间是什么？ 在数字音频中，商定一个共同的时间概念是大问题。上文已经定义了USB帧的传输速率为8,000次/s，并设定了扬声器播放样本的速率为96,000次/s。仅当扬声器和主机约定了1s的长度，这才能够奏效。USB音频提供了3种模式，来确保主机和扬声器共同约定时序： ● 在同步模式中，1s的长度由主机设备定义。这就是说，主机以某个速率发送数据，设备必须精确匹配这个速率。 ● 在异步模式中，这正好相反——设备设置1s的定义，主机必须对设备进行匹配。 ● 在自适应模式中，数据流决定时钟。 自适应模式和同步模式并不理想，因为PC保持时钟稳定的能力非常差，而且经常有其他音频源介入，例如一台外部数字录音机。异步模式使外部时钟源（或是设备内的低抖动时钟）能够用作主时钟。一般两者都依赖于基于晶振的锁相环（PLL），如图2所示。 图2：一款带有一个晶振用于稳定音频频率的USB音频板，并且有一个低抖动PLL用于产生任何所需的频率信号。 因此，系统中至少有2个不同的时钟：USB时钟由主机产生，频率为8,000次传输/s；采样时钟由外部产生，例如，其采样率为96,000Hz。 这些时钟的频率会略有不同，其差别会随时间略微变化。因此，每帧音频样本的平均数会稍微高于或低于期望的比率。例如，在本文96,000Hz采样率的情况下，样本的平均数为12.001。为了确保主机发送正确数量的数据，并且不会太多或太低，主机向中断端点请求当前的采样率。每隔几个毫秒，上一个周期的平均采样率将以16.16位定点数格式回报。如果上一个周期取平均数为12.001帧，那么报告值将为0x000C0041（65536×12.001）。 给定该平均速率，主机将能计算出在一次传输中在何时发送额外样本；在此例中，每秒8次传输将运送一个额外样本。此外，主机能够利用该值与音频设备进行同步。这使得DVD播放器等主机应用能够将视频保持为与音频同步。如果没有同步，音频会慢慢地跑到视频前面，两个小时以后，音频将会有1s误差。 为了保持反馈回路较短，诀窍是不对音频包和反馈包做不必要的缓冲。任何附加的缓冲都会产生报告延迟，该延迟使得保持通信流的平滑变得更加困难。这意味着，底层USB栈和USB音频栈应紧密集成，而无需在它们之间缓冲。尽管这在应用处理器上难以达到，但是把软件在执行时间可预测的嵌入式处理器上来实现，这点将非常容易达到。诸如XMOS等公司现在可以提供这种可预测的嵌入式处理器，如XMOS的xCORE多核MCU等处理器系列。借助其丰富的内置USB接口，它们紧密地将底层USB栈和USB音频栈集成在一起。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 多个时钟源 以上方案仅考虑了两个时钟源——或者USB设备提供时钟，或是主机提供时钟。在调音台等更复杂的设备中，可能还有其他设备提供采样率，例如，通过ADAT或S/PDIF等数字接口，或通过携带字时钟的BNC连接器提供。对于这样的系统，USB音频标准使设计人员能够在设备当中置入时钟选择器。 时钟选择器规定采用哪个时钟作为采样率。时钟选择器有多个输入时钟（例如，一个S/PDIF接口上的输入时钟、本地晶振、以及一个ADAT接口上的输入时钟），并带有一个用户可选择哪个时钟用作输入的控制传输，例如S/PDIF接口上的输入时钟。 符合性及原生支持 一旦一款设备符合USB音频类协议，它将会很便捷地集成到操作系统中。图3显示了USB音频设备插入到Mac OS/X系统中的控制界面截屏。它表明，时钟选择、采样率选择、通道音量控制以及静音控制等都是可以控制的，就像对于任何其他的音频设备那样。 图3：一款可互操作的设备出现在标准O/S对话框（例如本例中的OS/X）中，并且O/S可以设置音量和采样率等。 设备的标准符合性使其可以实现互操作。O/S供应商能够提供一种单独的USB音频驱动程序，该驱动程序可驱动大量设备，并具有众多功能。 的确，相同的USB音频实现能够进行参数化，以实现不同数量的通道，并且相同的驱动程序能够用于连接设备。 小结与展望 USB-Audio Class 2.0利用了高速USB 2.0标准，支持在PC和一台所连接的音频设备之间对音频进行低延迟传输。高速USB 2.0的高吞吐率可用于实现多个音频通道，并且具有高的音频质量。USB音频类标准可服务于多种设备的，从复杂的、具备多个通道、多个时钟源和复杂控制的调音台，到环绕立体声系统、PC扬声器和麦克风。 目前，顶级的消费性音频产生已经推出了各种USB-Audio产品，并且受到了市场的好评，如Sony和OPPO已经推出了基于XMOS公司xCORE多核MCU产品的USB-Audio耳机放大器和音响组合单元。预计该项应用将在不远的将来为更多用户所选用。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载

USB（通用串行总线）经过几十年发展，已经成为一种在个人电脑领域大量使用的标准。记忆棒、移动硬盘、鼠标和网络摄像头都通过USB连接。本文将深入分析USB音频：一种用来将PC、智能手机和平板电脑中所使用的电子音频与扬声器、麦克风或调音台等音频外设连接在一起的标准。本文将描述USB音频的工作原理，需要注意什么事项，以及对于高保真多通道输入输出，应如何使用USB音频等。 USB基本原理 USB是一种由PC（USB主机）发起一次传输，设备（例如一套USB扬声器）继而响应的通信协议。每次传输都寻址到一个特定设备，并寻址到该设备的一个特定端点。IN传输将数据发送至PC。当主机发起一次IN传输时，设备必须用主机所需的数据做出响应。OUT传输将数据传输至设备。当主机执行一次OUT传输时，它发送设备必须捕获的数据包。在USB音频领域，IN传输和OUT传输可以用于传输音频样本：一个OUT传输将音频数据从PC发送至扬声器，而IN传输用于将音频数据从麦克风发送至PC。 作者：XMOS首席技术专家Henk Muller USB规范中有4种类型的IN传输和OUT传输：批量传输、同步传输、中断传输和控制传输。 批量传输用于在主机和设备之间可靠地传输数据。所有USB传输都带有CRC（校验和），它表明是否有错误发生。在一次批量传输中，数据的接收端必须验证CRC。如果CRC正确，传输被应答，数据被假定已经传输无误。如果CRC不正确，传输不会被应答，然后将会重试。如果设备未准备好接收数据，它将传送一个否定应答（NAK）信号，该信号将会使主机重试传输。批量传输不被认为对时间要求严格，因此将会安排在以下将要讨论的、对时间要求严格的各种传输的周边时间。 同步传输用于在主机和设备之间实时传输数据。若主机建立了同步端点，主机会为同步端点分配一定数量的带宽，并且它将在该端点上规律地执行IN传输或OUT传输。例如，主机可以每125μs对该设备OUT 1KB数据。由于分配了固定的、有限数量的带宽，如果出现了任何异常，都将没有时间重发数据。数据具有正常的CRC，但是如果接收端检测到错误，将没有重发机制。 中断传输被主机用于定期探询设备，以发现是否有值得做的事情发生。例如，主机可以探询音频设备，核对静音（MUTE）按钮是否已被按下。“中断”传输这个名称有一点混淆视听，因为其并不中断任何事情。然而，数据的定期探询给出了主机中断将会提供的相同类型的功能。 控制传输与批量传输非常相似。控制传输会被应答（即可以被NAK），并且以非实时方式传送。控制传输用于正常数据流以外的操作，例如询问设备功能或端点状态。设备功能描述的说明在本文范畴之外，本文仅陈述诸如“USB音频类”或“USB大容量存储类”等预定义的类型，它们能够实现跨平台的互操作性。 USB帧中制定了所有的传输类型。高速USB帧的长度为125μs（Full Speed USB帧为1ms），并由主机发送帧起始（SOF）消息进行标记。同步传输和中断传输每帧至多发送一次。 USB音频 USB音频使用了同步传输、中断传输和控制传输。所有音频数据通过同步传输来传输；中断传输用于转发关于音频时钟可用性的信息；控制传输用于设置音量、请求采样率等（参见图1）。 图1：主机和USB设备之间的传输——同步IN和OUT用于音频数据，控制用于设置参数，中断用于状态监视。 USB音频系统的数据需求取决于通道数、代表每个样本的位数，以及采样率。典型的通道数为2（立体声）、6（5.1声道）或者更高（用于录音室或DJ应用）。尽管传统音频可用16位，典型的采样率为24位，而高质量音频为32位。典型的采样率为44.1、48、96及192kHz，后者为高质量音频所使用。 这里假设去设计一个具有96kHz采样率和24位样本的立体声音频扬声器系统，为了简化主机和设备上的数据编组，24位值一般用一个零字节填充，因此，总数据吞吐速率为96,000×2通道×4B=768,000Bps。同步端点以每125μs进行一次传输（或8000次传输/s）的速率工作。用所需的字节速率除以帧速率，可以得到每次同步传输的字节数：768,000/8,000=每次传输96B。 假若使用例如44,000Hz 的CD唱片速率，传输速率经计算为44.1次传输/s。在USB音频中，每次传输总是运送整数个样本；传输在48B和40B（6个和5个立体声样本）之间交替进行，以至于平均速率算出为每次传输44.1B。 单次同步传输可运送1024B，最多能够运送256个样本（在24/32位时）。这意味着，单个同步端点在48kHz时能传输42个通道，或者在192kHz时能传输10个通道——假定使用的是高速USB（High Speed USB）——全速USB（Full Speed USB）在48kHz时无法运送多于一个立体声IN和OUT对。 当发送数字音频时，将会有延迟引入。在高速USB的情况下，延迟为250μs。数据包在每个125μs窗口中传输一次，但是考虑到它可能会在该窗口中的任何时候发送，需要有一个250μs的缓冲器。在该250μs延迟的顶端，操作系统（O/S）驱动程序和编解码器（CODEC）中可能引起额外延迟。注意：全速USB的固有延迟远远更高（为2ms），因为数据在每个1ms窗口中仅发送一次。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 1s在“朋友”之间是什么？ 在数字音频中，商定一个共同的时间概念是大问题。上文已经定义了USB帧的传输速率为8,000次/s，并设定了扬声器播放样本的速率为96,000次/s。仅当扬声器和主机约定了1s的长度，这才能够奏效。USB音频提供了3种模式，来确保主机和扬声器共同约定时序： ● 在同步模式中，1s的长度由主机设备定义。这就是说，主机以某个速率发送数据，设备必须精确匹配这个速率。 ● 在异步模式中，这正好相反——设备设置1s的定义，主机必须对设备进行匹配。 ● 在自适应模式中，数据流决定时钟。 自适应模式和同步模式并不理想，因为PC保持时钟稳定的能力非常差，而且经常有其他音频源介入，例如一台外部数字录音机。异步模式使外部时钟源（或是设备内的低抖动时钟）能够用作主时钟。一般两者都依赖于基于晶振的锁相环（PLL），如图2所示。 图2：一款带有一个晶振用于稳定音频频率的USB音频板，并且有一个低抖动PLL用于产生任何所需的频率信号。 因此，系统中至少有2个不同的时钟：USB时钟由主机产生，频率为8,000次传输/s；采样时钟由外部产生，例如，其采样率为96,000Hz。 这些时钟的频率会略有不同，其差别会随时间略微变化。因此，每帧音频样本的平均数会稍微高于或低于期望的比率。例如，在本文96,000Hz采样率的情况下，样本的平均数为12.001。为了确保主机发送正确数量的数据，并且不会太多或太低，主机向中断端点请求当前的采样率。每隔几个毫秒，上一个周期的平均采样率将以16.16位定点数格式回报。如果上一个周期取平均数为12.001帧，那么报告值将为0x000C0041（65536×12.001）。 给定该平均速率，主机将能计算出在一次传输中在何时发送额外样本；在此例中，每秒8次传输将运送一个额外样本。此外，主机能够利用该值与音频设备进行同步。这使得DVD播放器等主机应用能够将视频保持为与音频同步。如果没有同步，音频会慢慢地跑到视频前面，两个小时以后，音频将会有1s误差。 为了保持反馈回路较短，诀窍是不对音频包和反馈包做不必要的缓冲。任何附加的缓冲都会产生报告延迟，该延迟使得保持通信流的平滑变得更加困难。这意味着，底层USB栈和USB音频栈应紧密集成，而无需在它们之间缓冲。尽管这在应用处理器上难以达到，但是把软件在执行时间可预测的嵌入式处理器上来实现，这点将非常容易达到。诸如XMOS等公司现在可以提供这种可预测的嵌入式处理器，如XMOS的xCORE多核MCU等处理器系列。借助其丰富的内置USB接口，它们紧密地将底层USB栈和USB音频栈集成在一起。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 多个时钟源 以上方案仅考虑了两个时钟源——或者USB设备提供时钟，或是主机提供时钟。在调音台等更复杂的设备中，可能还有其他设备提供采样率，例如，通过ADAT或S/PDIF等数字接口，或通过携带字时钟的BNC连接器提供。对于这样的系统，USB音频标准使设计人员能够在设备当中置入时钟选择器。 时钟选择器规定采用哪个时钟作为采样率。时钟选择器有多个输入时钟（例如，一个S/PDIF接口上的输入时钟、本地晶振、以及一个ADAT接口上的输入时钟），并带有一个用户可选择哪个时钟用作输入的控制传输，例如S/PDIF接口上的输入时钟。 符合性及原生支持 一旦一款设备符合USB音频类协议，它将会很便捷地集成到操作系统中。图3显示了USB音频设备插入到Mac OS/X系统中的控制界面截屏。它表明，时钟选择、采样率选择、通道音量控制以及静音控制等都是可以控制的，就像对于任何其他的音频设备那样。 图3：一款可互操作的设备出现在标准O/S对话框（例如本例中的OS/X）中，并且O/S可以设置音量和采样率等。 设备的标准符合性使其可以实现互操作。O/S供应商能够提供一种单独的USB音频驱动程序，该驱动程序可驱动大量设备，并具有众多功能。 的确，相同的USB音频实现能够进行参数化，以实现不同数量的通道，并且相同的驱动程序能够用于连接设备。 小结与展望 USB-Audio Class 2.0利用了高速USB 2.0标准，支持在PC和一台所连接的音频设备之间对音频进行低延迟传输。高速USB 2.0的高吞吐率可用于实现多个音频通道，并且具有高的音频质量。USB音频类标准可服务于多种设备的，从复杂的、具备多个通道、多个时钟源和复杂控制的调音台，到环绕立体声系统、PC扬声器和麦克风。 目前，顶级的消费性音频产生已经推出了各种USB-Audio产品，并且受到了市场的好评，如Sony和OPPO已经推出了基于XMOS公司xCORE多核MCU产品的USB-Audio耳机放大器和音响组合单元。预计该项应用将在不远的将来为更多用户所选用。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载

　　 硅与MEMS振荡器正在加入到高度分化的振荡器市场中石英晶体与陶瓷谐振器的行列。选择正确的应用器件不需要水晶球，不过一些相关事实会有所帮助。 　　 提示 　　* 陶瓷谐振器的精度为1%至0.1%，与之相比石英晶振为1ppm（百万分之一）至100ppm，硅器件为1.5ppm至100ppm。 　　* 与陶瓷器件相比，硅与MEMS（微机电系统）振荡器更能承受冲击，并且能装入更小的封装。 　　* 石英振荡器要花较长的起动时间，不过通常功耗低于其它种类。 　　* 任何一种振荡器的功耗都依赖于输出负载。 　　振荡器就像电子系统中的电源一样无处不在，有人认为它们的重要性等同于电源，在任何需要时序信号的东西中都能发现它们的应用，从数字手表到电视和PC。由于它们在电子设备时序中扮演重要角色，它们的失效会导致整个系统的停机。例如，调查人员通过分析1972年加州Fremont火车撞车事故，发现起因是一块控制板上的晶振故障。晶振储能电容取值不当，使晶体过驱，器件跳入一种泛音振荡频率。于是，火车进站时没有减速缓行而是加速，造成了多人受伤的撞车事故。鉴于这种问题，很多工程师不再使用纯晶体作自己的振荡器。他们转而选择市售的成品，其封装中包含了放大器、储能电容和其它元件。 　　一切数字设备都需要时钟源，如硅与MEMS（微机电系统）振荡器、石英晶体或陶瓷诣振器。例如，电信与服务器的一块PCB（印制电路板）上就可能需要十几种时钟。设计者实现传统时钟源时采用的是石英晶体振荡器，但MEMS和纯硅振荡器正在这个高度分化的市场中获得立足点。另外，精度不高的振荡器也采用陶瓷材料，如锆钛酸铅。应用推动着一种技术的适用性。例如，如果你需要一个精度优于1 ppb（十亿分之一）的时钟源，则必须放弃MEMS而使用原子振荡器件，如铷时钟或铯时钟源。这些器件有1ppt（万亿分之一）的精度。例如，GPS（全球定位系统）卫星需要这种精度来保持与系统其它部分的同步（图1）。 　　在精度谱的另一端是简陋的陶瓷谐振器。这些器件的精度测量要用百分数，因为用十亿分之一作单位得到的数值过于庞大而难以使用。一只陶瓷谐振器的典型初始精度在0.5%至0.1%范围内，老化或温度变化所致的漂移可能改变这一区间。因此，廉价陶瓷谐振器的公差只有±1.1%，较高端的汽车与商务产品精度则分别为±0.25%和±0.3%。这些公差较严格陶瓷谐振器的目标是商用USB（通用串行总线）2.0电路及汽车CAN（控制器局域网络）总线应用，工作温度为?40°C至+125°C。频率为200 kHz至约1 GHz的低成本陶瓷谐振器适用于对时序要求不严格的嵌入系统。陶瓷器件起动较快，一般体积小于石英器件。它们也更能承受冲击与振动。提供陶瓷谐振器的制造商有Murata、Oscilent、AVX、TDK和Panasonic等。 　　对于使用UART（通用同步/异步收发器）的数字系统，应对其作误差预算（error-budget）分析，以确保从谐振器频率得到的波特率符合规格要求。如果你只在代码开发期间使用UART，则能够在制造期间转而采用陶瓷谐振器，以节省成本。 　　注意，有些硅振荡器要使用RC（电阻/电容）或LC（电感/电容）储能器件，而不用陶瓷或石英晶体。这些振荡器随不同的价格而有广泛的精度范围。意法半导体等公司制造的这类振荡器具备陶瓷谐振器的全部优点，而体积更小，价格更低。该公司产品营销工程师Louis Grantham称：“硅振荡器的重点在于它比脆弱晶体更健壮。此外，晶体的可制造性要比IC更困难。” 　　 从石英起步 　　石英振荡器采用一种压电材料振荡晶体的机械共振方式，建立一个有精密频率的电信号。该频率一般用于跟踪时间，如石英手表中的频率；为数字集成电路提供稳定的时钟信号；以及稳定射频发射机与接收机的频率。自上世纪20年代起，工程师们就开始将这些晶体用于建立射频频率，当时贝尔电话实验室的AM Nicholson和Wesleyan大学的WG Cady教授一起研究酒石酸钾晶体，他们发现了一个驱动电路中石英晶片的谐振反应（参考文献1）。不过在二战以前，研究人员还没有研究出大批量制造的方法（参考文献2）。如果在一块石英晶体上以相对晶格点阵正确的角度切割出振荡器元件，则可以消除温度的效应。有些切割晶体具有零温度系数，而LC切割则用于温度计（图2）。 　　因为你是从一种矿物得到石英晶体，不要假定一个石英振荡器是低技术性器件（参考文献3）。今天石英晶体的制造商都采用大型反应炉（或高压釜）作石英晶体的生长，使用高温和30000 psi（磅每平方英寸）以上的高压（参考文献4和图3）。石英晶体在一个高压釜中的生长要花数月时间，任何地震活动或加热器供电上最微小的降级或损失都会毁掉整个批次。一家日本公司NDK已有几十年制造石英晶体的历史，现在伊利诺伊州的Belvidere拥有高压釜。基于上述原因，该公司决定在中西部开设新工厂，因为那里电网的可靠性很高，并且地震发生率很低。 　　该公司业务与应用发展总经理Craig Taylor称：“我们将石英矿置入一个大型容器内，该容器采用了军舰主炮的技术。然后，我们将种子石英放在石英矿上方的筐内。加入（碳酸钠或氢氧化钠）电极并施以高温高压，所有的天然石英就都分解并向上迁移。它自己会附着于种子石英上，而各种脏物与杂质则留在容器的底部。” 　　加入放大与缓冲就使一只晶体成为一个XO（晶体振荡器）。增加温度补偿电路就得到一个精度为1 ppm（百万分之一）的TCXO（温控晶体振荡器），将整个振荡器置入一个控温的封装中，就得到一个OCXO（恒温晶体振荡器），精度可达十亿分之一区间。一个有1 ppm精度的30 MHz振荡器，随时间与温度变化的误差只有30 Hz。只有铷和铯原子钟才更精准，主要原因是原子振荡源与温度无关。有些公司还提供PXCO（可编程晶体振荡器），你可以写入芯片中的数字寄存器，调整频率。 　　Pericom公司产品营销经理Nancy Zhang表示，给一个晶体增加PLL（锁相环），就能以低于石英晶体的成本得到更高的频率。该公司高级营销总监Kay Annamalai认为一个三次泛音晶体只能产生150 MHz频率。当需求超出该频率时，设计者一般会加PLL。他描述了Pericom的一种不用PLL实现倍频的专利技术。这种方法同样可降低晶体成本，而且也改进了抖动特性。该公司的XP技术避免使用PLL，而频率可超过150 MHz。 　　Epson Electronics America公司总监CS Lam认为PLL也可以提高性能。Lam指出，该公司使用分数PLL电路实现了优于10 ppm的精度。他还指出，第一款在12 kHz至20 MHz区间内相位抖动低于1 ps-rms的PLL晶体振荡器出现于2004年（参考文献5）。 　　增加PLL亦可以通过电控修改工作频率，有助于符合FCC（联邦通信委员会）和CE（欧共体市场标准）的辐射标准。当PLL改变时钟频率时，EMR（电磁辐射）或EMI（电磁干扰）的高振幅尖峰将辐射分散到一个频段中。注意该技术并没有降低辐射量；而只是将其扫过一个频段，使能量测量仪器获得一个较低的读数。EMI留出了频谱分析仪的测量带宽，减少了测量读数，能帮助你的产品通过符合性测试。 　　扩频时钟亦在振荡器选择中扮演着一种角色。它有两种广泛的应用：计算机与通信中的电源和系统时钟。电源可以使用最多变动10%的振荡器，将能量散布在一个宽频带上，大大降低测量值。这些设备采用了环形振荡器或LC储能，不需要石英级的精度。振荡电路的PLL部分用硅振荡器的输出来建立扩频时钟。与其它纯硅振荡器一样，这些器件更能承受冲击，并有更快的上电起动时间。由于LC储能器或环形振荡器有低得多的Q（质量）值，优于任何石英晶体或MEMS振荡器，也许你会认为硅振荡器的振荡维持要花更多的能量。然而，它只需要毫瓦级能量，因为振荡器中的功耗取决于PLL以及温度补偿电路的工艺与架构。 　　扩频时钟的另一个应用是抖动或噪声所占百分比较少的数字系统。它们必须保持严格的时序，但甚至少量的扩频时钟就可以使一块系统板通过FCC测试。Pericom公司的Annamalai指出，扩频时钟尤其适用于存储子系统。他说：“存储器有越来越快的趋势，因此你会希望分散这种单一频谱。”该公司使用的是Hershey’s Kiss扩展数据曲线，这一名称取自流行的巧克力。 　　Lexmark公司发现并申请了这种数据曲线的专利。要理解这种响应曲线，设想一个正弦频率正在对系统时钟的工作频率作调制；振荡器花费在两端频率的平均时间将大于两端之间的时间。换句话说，时钟会在频率区间的外边界处停留，正弦调制在此处缓慢改变方向。这种改变产生了“蝙蝠耳”式频域数据曲线（图4）。使用了Hershey’s Kiss波形后，制造商可以消除蝙蝠耳，使你的系统通过FCC测试。 　　Pericom采用高Q源低抖动的石英作为系统时钟。通过这种晶体与高性能低抖动PLL的结合，该公司提供一种扫频振荡器，它消耗能量最低，并结合了石英与硅的优点。 　　选择振荡器时的另一个考虑因素是功耗。新兴公司Mobius Microsystems提供一种纯硅振荡器，它提供接近石英的精度、快速起动，以及高的耐受冲击能力。不过，该公司的实现方式是使硅储能电容运行在高频下，然后作分频，于是功耗高于石英器件。不过，硅工艺与硅设计技术正在快速进步，因此硅振荡器的各种规格几乎都应很快得到改善。 　　Silicon Laboratories是另一家在硅技术上领先的公司，它同时制造纯硅振荡器，以及为石英晶体配合PLL的器件（参考文献6）。这些器件的精度适合于低端晶振。该公司时序产品营销总监Mike Petrowski称：“无需使用机械式振荡器是最终梦想。如果消除了机械式振荡器，就可以提高可靠性、简化制造流程，并易于大批量生产。”Petrowski坚持认为硅振荡器不会消耗过多能量，因为他们采用温度补偿方法去获得精度，而不是对较高频率作分频的PLL。 　　注意硅振荡器可以有很多意义，例如它是一个可替代陶瓷谐振器的廉价器件，以及品质可与石英相媲美的器件。一定要对功耗作评估，以确保使用的技术适合于自己的应用。要注意一些细微之处，如石英晶体或MEMS振荡器会在上电起动的数毫秒内拉入更多电流。对于微功耗应用或需要不断起动和停机的应用，这种超额电流可能会产生问题。 　　除了精度和功耗以外，振荡器的另一个重要规格就是抖动，或相位噪声，它会随频率而逐周期地改变。例如，一款稳定器件可能在一个周期工作在1 MHz，而在下个周期工作在2 MHz，平均频率为1.5 MHz。然而，这种循环频率的巨大变化可能在多数应用中使器件无法使用；一个开关电源可能不会工作在这么宽的范围内，而一个PLL很难锁定这种高抖动的频率源。任何采用这种振荡器的系统都不可能包括ADC或DAC，因为频率的变化会毁掉数字处理，即使平均频率是稳定的。因此，很多公司的振荡器设计小组都在公司的模拟部门。PLL是一种模拟元件，很多规格（如抖动）对模拟电路都很重要。 　　尽管抖动与相位噪声分别是时域和频域表述，据Linear Technology公司信号调整产品设计部主任Doug LaPorte的说法，在相同条件下，很容易将抖动规格作出错误表述。他说，有些公司仅在某个频率范围上确定抖动的规格。这些公司提供的相位噪声图可能只包括特定数量的相位噪声，而忽略了噪声的其它位。SONET（同步光纤网络）这类光通信标准会传输，作PLL，然后再传输。循环有一个设计带宽，使系统拒绝循环外的相位噪声，而允许循环内的噪声。LaPorte指出：“ 给出的规格为20 kHz到10 MHz。超出这个他们就不关心了。” 　　在五年以前，任何振荡器中PLL的存在都对设计的抖动性能有负面作用。Silicon Labs的Petrowski称，该公司过去担心老式PLL的不良名声。他说：“当我们推出自己基于PLL的振荡器时，我们都担心会有一些负面意义。我们对这些器件作了大量研发工作，并申请了大量专利，做一个低抖动PLL是绝对有可能的，尤其是在更精细的IC尺度下。” 　　一款PLL的特性及其模拟滤波、相位检测和VCO（压控振荡器），在电路的各个点都引起更多抖动。过去五年来，设计者开始采用打线作为IC上的小型导体，替代IC片芯上分散的空间导体。现在，IC设计者可以用电感和电容作为电抗元件，滤波器与储能电路都可以有更高Q值，有更多的极性和零点。例如，Maxim Integrated Products公司在自己的设计中采用基于LC的振荡器，而不是环形振荡器。该公司精密振荡器业务经理Paul Nunn表示：“环形振荡器要比LC型振荡器有更多的抖动。”很多公司采用这些高质量的PLL，因为他们可以使振荡器有可调频率和低抖动。这些公司包括Pericom、Silicon Labs、SiTime、安塞美半导体公司与Fox Electronics。 　　 MEMS器件 　　MEMS振荡器也用于石英振荡器的放大器，也许还有PLL，但它采用的是振荡的小型硅质量，而不是石英晶体。这种方案有更好的MTBF（平均故障时间）、抗冲击性以及可靠性。例如，SiTime营销副总裁Piyush Sevalia说，对硅作JEDEC（联合电子器件工程委员会）与HTOL（高温工作寿命）测试，可得到5亿小时MTBF，而石英只有1000万至3000万小时，并且，尽管1 kHz振动在石英振荡器的抖动特性中很容易表现出来，但MEMS和硅振荡器都对这种振动不敏感。MEMS器件谐振在一个基频上，这种模式下意外振动不会调制。但是，MEMS和石英振荡器的起动速度慢于纯硅振荡器。 　　制造MEMS振荡器的一个挑战是保持振荡硅元件的原子级洁净。即使振荡臂上有一个原子厚的层，也会造成器件规格失效，制造商用各种方法来克服这一挑战。例如，Discera使用“getter”活性吸气材料，去除在器件生命周期中吸收的任何气体或材料痕迹。另一方面，SiTime则采用了Bosch公司率先开发的一种技术（参考文献4）。 　　SiTime并未在MEMS元件上覆盖玻璃或环氧罩，而是在一个玻璃模型中建立起硅臂，用多晶硅覆盖模型，再用氢氟酸将玻璃溶解。然后，该公司用一层更厚的多晶硅将臂密封起来。所有工作都在一个外延反应堆中完成，这个高度真空的半导体装置有地球上最洁净的环境。这种特殊工艺使SiTime能够提供品质与石英振荡器相匹敌的产品。该公司的产品将一种MEMS谐振器片芯和一个CMOS片芯整合在一个封装内，比石英振荡器更小也更薄（图5）。 　　Discera和SiTime两家公司的振荡器都是全可编程产品，因为它们集成了PLL。Discera还提供一种不到500美元的工具包，包括一个手持编程器和200个器件；编程器连接到计算机的USB端口。Discera公司销售与营销副总裁Gerry Beemiller称，用这个工具包可以建立起1MHz至150MHz频率的高精度振荡器。反之，SiTime则在推销快速周转概念，而不是现场编程能力。由于它采用的是无石英工艺，因此声称它可以在数天内提供工作于任意频率的器件。 　　在数据采集数字系统中，精确无误的时间永远是关键。如果性能略微不良的陶瓷谐振器时基或低性能的硅振荡器不能满足你的需求，那么可以从整个石英技术系列产品中选择一款器件。为Silicon Labs公司的高性能硅振荡器和SiTime与Discera的MEMS振荡器增加了这些选择后，你会看到振荡器的选择非常关键。要了解所有的权衡因素，包括精度、功耗、抖动和可编程能力，以及任何扩频需求。要记住，如果你未能通过FCC测试，为电源或系统时钟选择一种扩频振荡器总是可取的方法。这种情况总是出现在最糟不过的时候：正当你准备好交付产品时，拥有一款可替代固定振荡器的高级品总是一个很好的保险措施。经过对所有这些因素的权衡，并明白它们如何与应用需求相匹配，选择振荡器就应成为一种明明白白的工作。 参考文献 1. Botton, Virgil E, “A History of the Quartz Crystal Industry in the USA,” Proceedings of the 35th Annual Frequency Control Symposium, 1981, pg 3. 2. Thompson, Richard J, Jr, Crystal Clear: The Struggle for Reliable Communications Technology in World War II, John Wiley & Sons Inc, 2007, ISBN-13: 978-0-470-04606-7, ISBN-10: 0-470-04606-6. 3. Travis, Bill, “Crystal oscillators: looking good in wireless systems,” EDN, Nov 20, 1997, pg 39. 4. Conner, Margery, “Crystal grinding: when electronics were really hands-on,” EDN, April 4, 2008. 5. Lam, CS, “A Review of the Recent Development of MEMS and Crystal Oscillators and Their Impacts on the Frequency Control Products Industry,” 2008 IEEE International Ultrasonics Symposium, 2008. 6. Prophet, Graham, “'Crystal’ oscillator comes without the crystal,” EDN, Oct 30, 2008, pg 20.