Любому HART FSK-модему нужна стабильная опорная частота, чтобы формировать тоны 1,2 кГц и 2,2 кГц с правильными частотами. Физический уровень HART к этому требователен — если частоты тонов уйдут слишком далеко, запасы по обнаружению несущей и демодуляции сократятся. Способ задания этой опорной частоты — реальное проектное решение, и на таком модеме, как Microcyber HT5700, его можно реализовать тремя способами: внешним кварцем, внешним CMOS-генератором или встроенным RC-генератором микросхемы. Каждый по-своему балансирует стоимость, площадь платы, ток и точность частоты.
В этой статье разбираются три варианта на HT5700 и область применения каждого.
Почему важна тактовая частота
HT5700 передаёт и принимает данные, переключаясь между «меткой» 1200 Гц и «пробелом» 2200 Гц. Эти тоны звукового диапазона формируются из гораздо более высокочастотного опорного тактового сигнала, поэтому точность опорного сигнала задаёт точность тонов. У HT5700 погрешность частоты тонов нормируется как ±0,5 % в диапазоне −40…+85 °C и ±1 % во всём диапазоне −40…+125 °C при использовании внутреннего генератора; при кварце или внешнем тактировании точность тонов следует за точностью этого источника.
Формирование тактового сигнала выбирается тремя выводами — XTAL_EN, CLK_CFG0 и CLK_CFG1 — и тот же блок может опционально выводить буферизированный тактовый сигнал на вывод CLKOUT.
Вариант 1: внешний кварц
Кварц 3,6864 МГц между выводами XTAL1 и XTAL2 обеспечивает самую точную и самую стабильную опорную частоту. В эталонной разработке Microcyber используется ABLS-3.6864MHZ-L4Q-T, в техническом описании которого рекомендуются два нагрузочных конденсатора 18 пФ. Чтобы сохранить низкий ток и минимизировать паразитную ёмкость, кварц, его конденсаторы и землю следует располагать как можно ближе к модему.
Цена — это ток и компоненты. Кварцевый генератор добавляет типично 33 мкА (максимум 60 мкА) при нагрузке 16 пФ и занимает на плате место под кварц и два конденсатора. Есть также задержка запуска — типовое время выхода кварцевого генератора на режим составляет 2,1 мс при нагрузке 16 пФ.
Применяйте, когда приоритетна точность частоты тонов, а дополнительный компонент и время запуска приемлемы.
Вариант 2: внешний CMOS-генератор
Если в хост-системе уже есть чистый тактовый сигнал, его можно подать прямо в модем: подайте сигнал на вывод XTAL1 от внешнего источника, а XTAL2 оставьте свободным. Ожидаемая частота источника на HT5700 — 3,6864 МГц (в пределах окна 3,6496–3,7232 МГц).
Это полностью убирает выделенный кварц из модема — точность тогда определяется тем, что формирует системный тактовый сигнал. Одно ограничение: при использовании CMOS-генератора буферизированный выход на CLKOUT недоступен.
Применяйте, когда хост уже предоставляет подходящий тактовый сигнал и вы хотите избежать кварца, специфичного для модема. Это та же идея, что и тактирование HART-модема от тактового выхода MCU — подробно для HT1200M рассмотрено в нашем руководстве по тактированию HT1200M; разница в том, что HT5700 принимает тактовый сигнал на XTAL1, а не через отдельную схему входного вывода.
Вариант 3: внутренний RC-генератор
HT5700 содержит RC-генератор с точностью 0,5 %, работающий на частоте 1,2288 МГц. Чтобы его использовать, соедините XTAL1 с землёй, а XTAL2 оставьте свободным. Это полностью убирает внешний кварц и его конденсаторы — этот вариант стоит выбирать, когда определяющим фактором является площадь платы или стоимость BOM.
Компромиссы — точность и ток. Погрешность частоты тонов расширяется до ±1 % на температурных границах, а внутренний генератор потребляет типично 87 мкА (максимум 110 мкА) — больше, чем кварцевый генератор. Его преимущество по части временных характеристик — быстрый запуск: типовое время выхода внутреннего генератора на режим составляет 25 мкс против примерно 2,1 мс у кварца.
Применяйте, когда минимизация компонентов и площади платы важнее, чем удержание самой высокой точности частоты тонов во всём температурном диапазоне.
CLKOUT: повторное использование тактового сигнала модема
Какой бы источник ни был выбран (кроме CMOS-генератора), HT5700 может выводить буферизированный тактовый сигнал на CLKOUT для использования остальной частью платы:
- С кварцевым генератором: 3,6864 МГц, 1,8432 МГц или 1,2288 МГц
- С внутренним RC-генератором: только 1,2288 МГц
Работа CLKOUT добавляет ток, поскольку выводу приходится нагружать то, что подключено к нему, — эту нагрузку следует держать ниже 30 пФ для чистых фронтов и низкого потребления.
Краткое сравнение
| Внешний кварц | CMOS-генератор | Внутренний RC-генератор | |
|---|---|---|---|
| Частота источника | кварц 3,6864 МГц | внешние 3,6864 МГц | 1,2288 МГц на кристалле |
| Точность тонов | следует за кварцем | следует за источником | ±0,5 % (до +85 °C), ±1 % (до +125 °C) |
| Добавочный ток (тип.) | 33 мкА | — (тактирование от хоста) | 87 мкА |
| Время запуска (тип.) | 2,1 мс (16 пФ) | — | 25 мкс |
| Внешние компоненты | кварц + 2 конденсатора | нет (тактирование от хоста) | нет |
| Доступность CLKOUT | да | нет | да (1,2288 МГц) |
Выбор для вашей разработки
Решение обычно сводится к трём вопросам. Есть ли у вас уже чистый системный тактовый сигнал? Если да, вариант с CMOS-генератором убирает компонент бесплатно. Является ли площадь платы или стоимость BOM связывающим ограничением? Если да, внутренний RC-генератор убирает кварц ценой некоторой точности и тока. Нужна ли вам максимальная точность тонов во всём температурном диапазоне? Если да, внешний кварц — безопасный выбор.
HT5700 поддерживает все три варианта на одном кристалле, поэтому схему тактирования можно выбирать для каждого изделия без замены модема. О схожем подходе к тактированию HART-модема HT1200M от MCU см. наше руководство по тактированию HT1200M. Описание выводов HT5700, таблицу конфигурации тактирования и схемы подключения см. в руководстве пользователя HT5700 или обратитесь в Microcyber по адресу info@microcyber.cn.