Mặt tốt và mặt xấu của bộ tạo dao động nội MCU

Bài viết này mô tả các lợi ích và yêu cầu của bộ dao động RC bên trong thường có sẵn bên trong nhiều bộ Vi điều khiển giá rẻ, bao gồm cả quy trình hiệu chuẩn để có được độ chính xác tốt nhất có thể.

Các bộ vi điều khiển giá rẻ thường đi kèm với một bộ dao động RC bên trong để bạn sử dụng thay vì một bộ dao động tinh thể gốm hoặc thạch anh bên ngoài. Tuy nhiên, bạn phải tinh chỉnh bộ dao động này.

Rất có thể, MCU yêu thích của bạn có bộ dao động RC bên trong. Có rất nhiều họ vi điều khiển từ tất cả các nhà sản xuất lớn bao gồm mô-đun này, bao gồm cả họ từ Texas Instruments, STMicroelectronics và Microchip. Ngoài ra còn có các ghi chú ứng dụng đi kèm trực tuyến từ hầu hết các nhà sản xuất về cách hiệu chỉnh bộ dao động bên trong MCU của họ.

Sử dụng bộ tạo dao động bên trong có một số lợi ích và bạn có thể không thực sự cần bộ tạo dao động bằng gốm hoặc pha lê bên ngoài. Tuy nhiên, có một số ứng dụng quan trọng cần thời gian rất chính xác như cổng nối tiếp, bộ hẹn giờ và giao diện USB. Ngay cả đối với hầu hết các ứng dụng này, một bộ dao động bên trong có thể sẽ đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về thời gian nếu bạn tinh chỉnh nó.

Đọc tiếp để tìm hiểu về bộ dao động bên trong và quy trình hiệu chuẩn dễ dàng để có được hiệu suất tốt nhất của tín hiệu đồng hồ của bạn.

Một ứng dụng GPIO của vi điều khiển 9S08SH8 của NXP. Chú ý sự vắng mặt của một bộ dao động bên ngoài.

Để biết thêm về bộ tạo dao động MCU, bạn nên đọc bài viết Chọn bộ dao động phù hợp cho bộ vi điều khiển của bạn  của Robert Keim.

Lợi ích của Bộ tạo dao động nội bộ

Các bộ dao động nội ở khắp mọi nơi là có lý do. Dưới đây là một số lợi ích của chúng:

1. Họ yêu cầu ít thành phần bên ngoài hơn . Mạch dao động bên ngoài hoặc mạch phản hồi của nó không còn cần thiết nữa. Điều này có tác động tích cực đến ngân sách, diện tích PCB và kích thước tổng thể của thiết bị hoàn thiện của bạn.

2. Họ để lại một hoặc hai chân có sẵn cho I / O.  Hầu hết các MCU có số pin thấp đều gán một số chức năng cho mỗi chân để người dùng lựa chọn mục đích của nó. Vì vậy, nếu bạn chọn sử dụng bộ dao động bên trong trong MCU của mình, bạn sẽ giải phóng chân đầu vào của đồng hồ hoặc hai chân mà bộ cộng hưởng bằng pha lê hoặc gốm sẽ đi đến.

Sơ đồ chân DIP28 của MCU ATmega328, cốt lõi của Arduino Uno. Các chân 9 và 10 được thiết kế cho bộ cộng hưởng tinh thể và thay thế cho các chân GPIO PB6 và PB7, tương ứng. Hình ảnh được sử dụng với sự cho phép của Mediaquark [ CC BY-SA 4.0 ],

3. Chúng giữ các tần số cao bên trong vi mạch.  Mặc dù một số vi điều khiển sử dụng bộ cộng hưởng bằng tinh thể hoặc gốm ở tần số thấp dưới 100kHz, nhưng việc sử dụng bộ dao động bên ngoài ở hoặc trên 10MHz phổ biến hơn nhiều. Tần số xung nhịp cao này hầu như luôn được sử dụng riêng bởi CPU và được điều chỉnh sẵn bên trong MCU cho các mô-đun ngoại vi của nó (ADC, UART, SPI, USB, GPIO, v.v.)

Có tần số cao bên ngoài chip có thể là một vấn đề trong một số PCB, vì vậy việc giữ tần số cao bên trong thường là một ý kiến ​​hay.

Mặt hạn chế của bộ tạo dao động nội

Bộ dao động bên trong được làm bằng điện trở và tụ điện bên trong mạch tích hợp. Sản xuất các thiết bị thụ động bên trong chip có những hạn chế của nó, đặc biệt là khi nói đến độ chính xác và độ lặp lại . Điều này có nghĩa là hai chip vi điều khiển giống hệt nhau có thể sẽ cho thấy sự khác biệt có ý nghĩa về tần số dao động bên trong của chúng, giống như hai cây guitar giống nhau sẽ chơi ở các âm vực hơi khác nhau sau khi được điều chỉnh tại hai bữa tiệc tối khác nhau.

Để biết thêm về bộ dao động RC, bạn có thể muốn đọc bài báo tôi đã viết về Cách hoạt động của bộ tạo dao động Schmitt Trigger .

Bên cạnh việc nhận được chính xác các giá trị dự định của điện trở và điện dung bên trong chip (độ chính xác) và nhận được chính xác các giá trị giống nhau cho tất cả các chip (độ lặp lại), còn có vấn đề về nhiệt độ. Nó chỉ ra rằng điện dung và điện trở đều có những thay đổi nhỏ theo nhiệt độ và điều này đặc biệt quan trọng đối với các bộ dao động bên trong. Vì vậy, bạn không chỉ  phải lo lắng về các chip khác nhau hoạt động ở các tần số hơi khác nhau mà còn về tần số của chúng thay đổi theo nhiệt độ.

Nếu bạn không mong đợi nhiệt độ xung quanh thay đổi đột ngột, bạn không nên lo lắng về bộ dao động bên trong của mình sau khi đã hiệu chỉnh nó. Tuy nhiên, nếu bạn mong đợi sự thay đổi nhiệt độ đáng kể và hệ thống của bạn rất nhạy cảm với sự thay đổi tần số (như đồng hồ thời gian thực hoặc hệ thống truyền thông tốc độ cao), thì bộ dao động bên ngoài là một lựa chọn tốt hơn.

Nếu bộ tạo dao động RC quá tệ, tại sao các nhà sản xuất không nhúng một bộ tạo dao động bằng tinh thể hoặc gốm vào bên trong MCU?

Quy trình sản xuất vi mạch rất hạn chế trong danh sách các vật liệu có thể thu nhỏ, và như bạn có thể đoán, thạch anh và gốm không nằm trong danh sách đó. Vì vậy, mặc dù phương pháp lai là  có thể tưởng tượng, nó không phải là thực tế. 

RC tạo dao động là không thực sự là xấu. Trên thực tế, hướng dẫn sử dụng cho các MCU hiện đại báo cáo độ chính xác của tần số dao động bên trong thường dưới ± 10%, có thể được tinh chỉnh xuống dưới ± 0,5%. Vì vậy, điểm mấu chốt là bạn sẽ bỏ qua rất nhiều ứng dụng nếu bạn không thèm tinh chỉnh bộ dao động bên trong và với hầu hết các ứng dụng nếu bạn làm vậy.

Phần kết luận

Mặc dù các bộ dao động tinh thể và gốm có độ tin cậy cao vì độ chính xác và ổn định của chúng, bộ dao động RC khá tốt cho nhiều ứng dụng khiêm tốn và mang lại những lợi ích quan trọng.

Mặt khác, bộ tạo dao động RC không hoàn hảo, vì vậy bạn phải luôn đánh giá ứng dụng của mình để có thể biết khi nào nên sử dụng bộ dao động bên trong và khi nào bạn nên sử dụng bộ tạo dao động bằng tinh thể hoặc gốm.

Trong bài viết tiếp theo có tiêu đề Hiệu chuẩn Bộ tạo dao động nội MCU , chúng ta sẽ khám phá cơ chế hiệu chuẩn, quy trình hiệu chuẩn đơn giản và một số ví dụ về hiệu chuẩn tự động. Sau đó, chúng ta sẽ xem xét thuật toán quy trình cắt tỉa tự làm ví dụ  để biến lý thuyết thành thực hành.