什么是外部振蕩器和內部振蕩器?配置操作看這里
來源：http://www.benpai.com.cn 作者：金洛鑫電子 2019年09月19
大多數人認為晶體振蕩器的工作模式就是振蕩,提供精準的信號,這樣說也并沒有錯,只是不夠全面,其實應用到系統里的貼片振蕩器,還分為外部振蕩器和內部振蕩器,通過正確的配置和操作,才能使二者之間相互工作.本技術資料的目的是描述如何配置和使用內部和外部振蕩器.提供了配置描述,設置示例和示例代碼.
內部振蕩器頻率可由用戶軟件配置,有四種設置可將振蕩器頻率除以1,2,4或8.除了四種主要設置外,某些器件還有一個校準的±2％內部振蕩器,帶有精細可調諧頻率,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.系統時鐘可以在內部和外部振蕩器之間自由切換.此外,在選擇內部振蕩器時可以使外部振蕩器保持使能,以避免在系統時鐘切換回外部振蕩器時啟動延遲.復位時,內部振蕩器除以8作為系統時鐘.內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部振蕩器分頻因子.
內部振蕩器本身的功耗與所選頻率無關;然而,整個貼片晶振的功耗取決于頻率.內部振蕩器的精度在采用未校準的16MHz振蕩器的器件上的工藝,電源和溫度變化范圍內為±20％,在具有a的器件上為±2％.校準24.5MHz振蕩器.
外部振蕩器:
外部振蕩器具有高度可配置性,為系統設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,當需要精確的時基時,需要晶體,例如,當ADC的絕對采樣率很關鍵或必須生成標準UART波特率時.請注意,在帶有校準的24.5MHz內部振蕩器的設備上,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,然后可根據系統要求將控制切換到高頻內部振蕩器.只要適當設置負載電容參數和振蕩器驅動電平,晶體振蕩器的精度和穩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RC組合得到,如圖1所示.當電容器電壓(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,比較器就會產生一條到AGND的路徑并使電容器放電.該操作在XTAL1處產生鋸齒型波形,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,其輸出變為系統時鐘.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的內部可編程電流源提供.這是最不準確的時基模式;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的電容器進行持續充電和放電來產生信號.如圖3所示,電容器從恒定的電流源線性充電.當電容上的電壓達到VDD/3時,比較器會產生接地路徑,使電容器放電.電容器放電后,比較器打開開關并重復循環.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內部電流源的精度.在工藝,電源和溫度變化范圍內,內部電流源的精度約為±30％.
圖4.C模式波形生成
內部振蕩器配置示例:
復位時,選擇內部振蕩器除以8作為系統時鐘.硬件連接:如果系統設計僅使用內部振蕩器且不使用外部振蕩器,則貼片晶振XTAL1引腳應在外部接地,如圖5所示,或者通過將XOSCMD位(OSCXCN.6-4)設置為“000”來內部接地.如果系統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)編程內部振蕩器頻率.可選擇四個除法設置,如表1所示.如果器件具有校準的24.5MHz內部振蕩器,則可以通過遞增或遞減OSCICL寄存器來微調頻率.
內部振蕩器的啟動和穩定時間幾乎是瞬時的.此外,內部振蕩器的頻率可以隨時任意改變.由于內部振蕩器在執行下一條指令之前穩定在新編程的頻率,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定后,系統時鐘就可以使用CLKSL位從內部振蕩器切換到外部振蕩器.有關更多信息和CLKSL位的位置,請查看相應的數據手冊.
在基于晶體的設計中,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)標志可用于確定外部振蕩器何時穩定.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應該懸空,如圖6所示.SYSCLK頻率可以按原樣從輸入信號中導出,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適當的偏置.在啟用振蕩器和檢查XTLVLD標志之間引入1ms的延遲將阻止早期切換到外部振蕩器作為系統時鐘.在完全穩定之前切換到外部振蕩器會導致不可預測的行為.
注意:負載電容(圖7中的Cx1和Cx2)應連接到模擬地平面.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.將系統時鐘切換到外部振蕩器.
確定XFCN:
XFCN控制晶體振蕩器驅動器的驅動電平.從本質上講,驅動電平應該足夠強大以激發晶體振蕩,但不能強烈地強調晶體使其過早降解.對于3MHz及以上的晶體,基于XFCN設置過高的降級通常不是問題,可以使用最大XFCN值,但這會導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,過度驅動晶體確實存在可靠性問題.此外,如果驅動電平太高,音叉晶體可能根本不會振蕩.
內部振蕩器頻率可由用戶軟件配置,有四種設置可將振蕩器頻率除以1,2,4或8.除了四種主要設置外,某些器件還有一個校準的±2％內部振蕩器,帶有精細可調諧頻率,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.系統時鐘可以在內部和外部振蕩器之間自由切換.此外,在選擇內部振蕩器時可以使外部振蕩器保持使能,以避免在系統時鐘切換回外部振蕩器時啟動延遲.復位時,內部振蕩器除以8作為系統時鐘.內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部振蕩器分頻因子.
表1.OSCICN寄存器中的內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,為系統設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,當需要精確的時基時,需要晶體,例如,當ADC的絕對采樣率很關鍵或必須生成標準UART波特率時.請注意,在帶有校準的24.5MHz內部振蕩器的設備上,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,然后可根據系統要求將控制切換到高頻內部振蕩器.只要適當設置負載電容參數和振蕩器驅動電平,晶體振蕩器的精度和穩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RC組合得到,如圖1所示.當電容器電壓(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,比較器就會產生一條到AGND的路徑并使電容器放電.該操作在XTAL1處產生鋸齒型波形,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,其輸出變為系統時鐘.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的內部可編程電流源提供.這是最不準確的時基模式;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的電容器進行持續充電和放電來產生信號.如圖3所示,電容器從恒定的電流源線性充電.當電容上的電壓達到VDD/3時,比較器會產生接地路徑,使電容器放電.電容器放電后,比較器打開開關并重復循環.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內部電流源的精度.在工藝,電源和溫度變化范圍內,內部電流源的精度約為±30％.
圖4.C模式波形生成
復位時,選擇內部振蕩器除以8作為系統時鐘.硬件連接:如果系統設計僅使用內部振蕩器且不使用外部振蕩器,則貼片晶振XTAL1引腳應在外部接地,如圖5所示,或者通過將XOSCMD位(OSCXCN.6-4)設置為“000”來內部接地.如果系統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.
內部振蕩器的啟動和穩定時間幾乎是瞬時的.此外,內部振蕩器的頻率可以隨時任意改變.由于內部振蕩器在執行下一條指令之前穩定在新編程的頻率,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定后,系統時鐘就可以使用CLKSL位從內部振蕩器切換到外部振蕩器.有關更多信息和CLKSL位的位置,請查看相應的數據手冊.
在基于晶體的設計中,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)標志可用于確定外部振蕩器何時穩定.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應該懸空,如圖6所示.SYSCLK頻率可以按原樣從輸入信號中導出,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適當的偏置.在啟用振蕩器和檢查XTLVLD標志之間引入1ms的延遲將阻止早期切換到外部振蕩器作為系統時鐘.在完全穩定之前切換到外部振蕩器會導致不可預測的行為.
注意:負載電容(圖7中的Cx1和Cx2)應連接到模擬地平面.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.將系統時鐘切換到外部振蕩器.
確定XFCN:
XFCN控制晶體振蕩器驅動器的驅動電平.從本質上講,驅動電平應該足夠強大以激發晶體振蕩,但不能強烈地強調晶體使其過早降解.對于3MHz及以上的晶體,基于XFCN設置過高的降級通常不是問題,可以使用最大XFCN值,但這會導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,過度驅動晶體確實存在可靠性問題.此外,如果驅動電平太高,音叉晶體可能根本不會振蕩.
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