Controller Tipp PLL, FLL oder konventionell

Zur Abarbeitung von Instruktionen in einem Mikrocontroller ist ein chipinternes komplexes Taktsystem erforderlich. Abhängig von der in der Applikation geforderten Geschwindigkeit und...

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Zur Abarbeitung von Instruktionen in einem Mikrocontroller ist ein chipinternes komplexes Taktsystem erforderlich. Abhängig von der in der Applikation geforderten Geschwindigkeit und Frequenzstabilität kommen verschiedene Lösungen zum Einsatz. Für Applikationen, bei denen es lediglich darauf ankommt, das Programm abzuarbeiten ohne spezielle Anforderung an Maschinenzykluszeit, Frequenzstabilität, Wiederholgenauigkeit usw., genügt ein R/C-Oszillator. Dabei kann das frequenzbestimmende externe Bauteil ein Widerstand bzw. ein Kondensator oder beides sein.Kostenorientierte Applikationen können auf µC zurückgreifen, die die frequenzbestimmenden R/C-Elemente bereits auf dem Chip integrieren. Dadurch ist die weitere Frequenzabstimmung des On-Chip-integrierten R/C-Oszillators per Software mittels bestimmter Steuerbits im Control-Register möglich. Im Allgemeinen ist bei nicht trimmbaren R/C-Oszillatoren mit einer Frequenzabweichung bis zu 650% im „Worst-Case“-Fall zu rechnen.Abstimmbare R/C-Oszillatoren hingegen weisen eine Genauigkeit von 65% auf. Durch „dynamisches Trimmen“ kann die Genauigkeit erhöht werden. Dazu ist aber eine Programmroutine nötig, die in periodischen Zeitabständen die Sollfrequenz mit der tatsächlichen Istfrequenz vergleicht. Bei gesteigerten Anforderungen an Frequenzreproduzierbarkeit und -stabilität wird der Keramikresonator bzw. der Quarzresonator als frequenzbestimmendes Element eingesetzt.Die üblichen Oszillatorschaltungen basieren auf dem „Pierce-Oszillator“-Schaltungsprinzip. Dieser Typ hat sich in der HCMOS-Technologie als prob-lemloser und robuster Oszillator durchgesetzt. Der On-Chip-Verstärker ist als Inverter ausgebildet, der zum einen das Oszillatoreingangssignal verstärkt (A-Betrieb) und gleichzeitig dessen Phase um 180° dreht, sodass die „Barkhausen“-Beziehung erfüllt ist (stationäre Schwingung). Das Ausgangssignal wird bis nahezu VDD ausgesteuert. Daneben wird auch der „Colpitts-Oszillator“ angewandt, wenn es auf minimierte Verlustleistung des µC-Oszillatorsystems ankommt (MC9S12-Serie). Das Oszillatorausgangssignal weist eine geringere Amplitude auf (rd. 1 bis 1,3 V). Der Oszillator verhält sich empfindlicher in Bezug auf eingekoppelte Störungen. Das PCB-Schaltungslayout ist mit Sorgfalt auszulegen.Bei der HC(S)08- bzw. HCS12-µC-Serie handelt es sich ausschließlich um Oszillatorschaltungen, die den Resonator in seiner Grundschwingung anregen. In einer entsprechend modifizierten externen Beschaltung lässt sich auch ein Oszillator aufbauen, der z.B. die dritte Oberschwingung des Resonators ausnützt. Der erhöhte externe Schaltungsaufwand (ein zusätzlicher Kondensator und eine Induktivität), verbunden mit einem teureren Oberwellenquarz, wirkt sich nachteilig aus.Moderne µC-Taktsysteme bieten ein integriertes PLL- oder FLL-System an. Mittels kostengünstigem Standardquarz (4 bis 16 MHz) lassen sich per Software verschiedene interne Systembusfrequenzen einstellen. Die Arbeitsgeschwindigkeit des µC kann optimal auf das Anforderungsprofil der Applikation abgestimmt werden. Ein PLL-System benötigt extern zusätzlich lediglich ein analoges Tiefpassfilter, das die Frequenz- bzw. Phasenabweichungen in ein Gleichspannungssignal umwandelt und den VCO des PLL-Systems steuert.Die jüngste Entwicklung der µC-MC9S08-Familie ist ein FLL-System, das wie das PLL-System aus einer Regelschleife besteht. Hierbei wird der interne VCO direkt vom digitalen Frequenzvergleicher angesteuert. Ein externes R/C-Tiefpassfilter entfällt.(Günther Auderer/jw)

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