P O D Z E S P O A
Y
AVR-owe
Artykuł jest przeznaczony
przede wszystkim
dla Czytelników
 fusy początkujących
w dziedzinie
mikrokontrolerów. Opisano
Sygnał zegarowy  wiadomości
podstawowe
w nim różnice pomiędzy
Sygnał zegarowy jest dla proce-
sora tym, czym dla nas bicie serca. cyklem zegarowym
Powoduje, że procesor w ogóle funk-
i cyklem maszynowym
cjonuje. Często jednak zdarza się, że
sygnał zegarowy doprowadzany z ze-
oraz opcje nastaw z
ródeł
wnątrz ma inną częstotliwość niż sy-
sygnału zegarowego
gnał wewnętrzny, sterujący pobiera-
niem i realizacją przez CPU poleceń.
(sprawiającą często
W związku z tym wprowadzono dwa
pojęcia: cykl zegarowy i cykl maszy-
kłopoty konfigurację
nowy. Ten pierwszy jest po prostu może tak być, jednak w większości
bezpieczników
odwrotnością częstotliwości genera- popularnych mikrokontrolerów, reali-
tora zegarowego. Ten drugi uzyskuje zacja pojedynczej instrukcji zajmuje
konfigurujących, tzw.
się w wyniku uwzględnienia ewen- od dwóch do kilku cykli maszyno-
tualnych wewnętrznych podziałów wych i od 8 do kilkudziesięciu cykli
fuse ów) w procesorach
sygnału zegarowego. Bardzo dobrym zegarowych.
AVR. Przedstawiono
przykładem jest popularny mikrokon- Mikrokontroler AVR większość
troler 8051, który w podstawowym instrukcji wykonuje w czasie po-
wady i zalety różnych
wykonaniu ma cykl maszynowy 12- jedynczego cyklu zegarowego. Jego
-krotnie dłuższy, niż cykl zegarowy. nowoczesna konstrukcja jest jednym rozwiązań, wskazano
Również, chociaż nastawa domyślna z przykładów, gdy cykl zegarowy
także potencjalne
jest inna, procesor AVR może mieć jest równy cyklowi maszynowemu.
cykl maszynowy różny od zegarowe- Jak łatwo wywnioskować, im szyb-
przyczyny problemów
go. Będzie o tym mowa w dalszej szy jest zegar procesora, tym więcej
oraz sposoby radzenia
części artykułu. instrukcji jest on w stanie wykonać
Pojęcia cyklu maszynowego nie w jednostce czasu. Można z tego
sobie z nimi.
należy utożsamiać z czasem realizacji twierdzenia korzystać, jeśli porównu-
instrukcji. W pewnych przypadkach je się procesory o identycznych lub
bardzo zbliżonych architekturach. Dla
różnych architektur wynik porówna-
Cykl zegarowy to okres wytwarzanego na bazie
nia może być diametralnie różny.
rezonatora kwarcowego, elementów RC itp. sygnału
Wybór z
ródła sygnału zegarowego
zegarowego. Można go obliczyć jako odwrotność
Konstrukcja mikrokontrolerów
częstotliwości generatora zegarowego.
AVR umożliwia wybór różnych me-
tod generowania sygnału zegarowego.
cykl zegarowy = 1/FGEN
Można używać zewnętrznego gene-
ratora, rezonatora kwarcowego lub
Cykl maszynowy to okres wewnętrznego sygnału
ceramicznego, niektóre z układów
posiadają wewnętrzny generator, któ-
zegarowego. Oblicza się go po uwzględnieniu we-
rego częstotliwość może być ustalana
wnętrznych podziałów częstotliwości sygnału zegaro-
za pomocą elementów RC dołącza-
wego. W mikrokontrolerze AVR cykl maszynowy =
nych z zewnątrz lub wbudowanych
cyklowi zegarowemu. w strukturę mikrokontrolera.
Zewnętrzny generator zegarowy to
cykl maszynowy = wewnętrzny podział x 1/FGEN
nic innego jak dołączane z zewnątrz
Elektronika Praktyczna 9/2004
85
P O D Z E S P O A
Y
czenia kondensatorów o ściśle okre-
Dla uproszczenia porównań różnych procesorów
ślonych wartościach. Jak wspomnia-
łem wcześniej, ich wartość wyno-
wprowadzono pojęcie mocy obliczeniowej, dla
si ok. 30 pF i jest porównywalna
której zwykło się używać jednostki zwanej MIPS.
z wartościami wnoszonych, często
1 MIPS to nic innego, jak 1 milion operacji na
szkodliwych, pojemności montażo-
sekundę. W związku z tym, że w mikrokontrolerze wych. Czasami może się zdarzyć,
że po zmontowaniu układu oscylator
AVR cykl maszynowy jest równy cyklowi zegaro-
kwarcowy nie startuje. Gdy zaczyna-
wemu, AVR taktowany sygnałem o częstotliwości
my poszukiwanie usterki i dotykamy
8 MHz ma moc obliczeniową w przybliżeniu równą
wyprowadzeń mikrokontrolera np.
8 MIPS. Standardowy 8051, przy takich samych sondą logiczną  ten w cudowny
sposób  ożywa . Po oddaleniu sondy
parametrach sygnału zegarowego, ma moc oblicze-
i upływie bliżej nieokreślonego czasu
niową około 0,667 MIPS.
 ponownie układ zamiera. W jaki
sposób upewnić się, że przynajmniej
z
ródło sygnału o poziomach takich, różnych wartości częstotliwości. Na teoretycznie dobraliśmy właściwe po-
jakich wymaga mikrokontroler. Może rys. 2 pokazano sposób dołączenia jemności do stosowanego rezonatora?
być zbudowany z użyciem elemen- rezonatora kwarcowego. Mikrokon- Jeśli posiadamy kartę katalogową
tów TTL lub CMOS, może być rów- troler AVR posiada układ generatora rezonatora, należy odszukać parametr
nież gotowym, zapewniającym bardzo wbudowany w strukturę. Kwarc do- o nazwie Load Capacitance (przykła-
wysoką stabilność częstotliwości do- łącza się pomiędzy wyprowadzenia dowe parametry rezonatorów produk-
prowadzanego sygnału (np. z własną XTAL1 i XTAL2. cji firmy CQ zestawiono w tab. 1).
stabilizacją termiczną oraz stabiliza- Jest to chyba jedna z najpow- Może on być dla przykładu równy
cją napięcia zasilającego) modułem szechniej stosowanych metod gene- 20 pF. Oznacza to, że dla poprawnej
generatora zegarowego. rowania sygnału zegarowego. Stosu- pracy rezonator kwarcowy powinien
Sygnał z zewnętrznego generato- jąc ją, nie można jednak zapominać mieć dołączoną pojemność o takiej
ra musi być doprowadzony na nóż- o podstawowych właściwościach fi- wartości. Rezonator nie rozróżnia,
kę oznaczoną jako XTAL1 (rys. 1). zycznych i elektrycznych rezonato- czy jest to pojemność montażowa,
Nóżkę XTAL2 pozostawia się w ta- ra. Bez żadnych problemów można czy dołączona celowo. W związku
kim przypadku niepodłączoną. Ze- kupić rezonator kwarcowy na pożą- z tym nasuwa się jeden wniosek:
wnętrzny sygnał zegarowy powinien daną częstotliwość. Należy wybierać wartość pojemności podana przez
mieć bardzo krótkie czasy zboczy takie, które pracują z rezonansem producenta rezonatora nie odpowia-
(do kilkudziesięciu ns) i w celu równoległym. Jak wynika z rysunku, da wartości pojemności dołączanych
zapewnienia stabilnej pracy mikro- do poprawnej pracy wymagają one kondensatorów. Powinno się również
kontrolera musi mieć czysty kształt dodatkowo dwóch kondensatorów uwzględnić wnoszoną pojemność
prostokątny. o pojemności (według materiałów montażową wynikającą ze sposobu
Rezonator kwarcowy dołączany firmy Atmel) 30 pFą10 pF. Każdy ułożenia ścieżek drukowanych, poło-
z zewnątrz to jedna z najczęściej jest w stanie kupić kwarc i dołączyć żenia punktów lutowniczych, prowa-
wykorzystywanych metod taktowania go wraz z dwoma kondensatorami dzenia mas, pojemności wejściowej
mikrokontrolerów. Jej zaletą są wła- do mikrokontrolera. Nie ma w tym doprowadzeń mikrokontrolera itp.
ściwości samego rezonatora, to jest żadnego problemu. Otóż może się Typowo w układach amatorskich
duża stabilność generowanej często- okazać, że pojemności dołączone do wartość tej dodanej pojemności waha
tliwości w funkcji czasu oraz tem- rezonatora są mimo wszystko proble- się pomiędzy 6 a 10 pF. Uwzględ-
peratury otoczenia przy jednocześnie mem. niając powyższy opis, aby wyznaczyć
umiarkowanej cenie. Rezonatory do- Rezonator kwarcowy do popraw- właściwą wartość pojemności kon-
stępne są w wielu rozmiarach i dla nej, stabilnej pracy wymaga dołą- densatorów dołączanych do kwarcu,
Rys. 2. Sposób dołączenia rezonatora kwar-
cowego do popularnego mikrokontrolera
Rys. 1. Dołączenie zewnętrznego generatora zegarowego
AT90S2313
Elektronika Praktyczna 9/2004
86
P O D Z E S P O A
Y
Tab. 1. Parametry rezonatorów
należy skorzystać z następującej za-
kwarcowych produkcji firmy CQ
leżności (uwzględnia ona wzajemne
Częstotliwość
oddziaływanie na siebie pojemności):
CL RS Rezonans
rezonansowa
[pF] [V]
CX = 2 x (CL  CM),
[MHz]
1,8432 32 650 gdzie:
2 32 650
CX  wartość pojemności dołączanej
2,097152 32 550
2,4576 32 350
do kwarcu,
3 32 150
CL  parametr Load Capacitance,
3,2768 32 150
3,57561 18 100
CM  pojemność montażowa (średnio
3,57954 16 90
3,58205 18 100 8 pF).
3,58269 16 100
Wykonajmy obliczenia dla poda-
3,6 30 100
3,6864 20 100
nych wyżej parametrów (CL = 20 pF,
3,8392 15 100 Rys. 3. Sposób dołączenia zewnętrz-
CM = 8 pF):
3,84 32 100
nego rezonatora ceramicznego
3,848 15 100
CX = 2 x (20  8) pF =
3,93216 20 100
= 2 x 12 pF = 24 pF Rezonator ceramiczny
3,98 12 100
3,9936 32 100
Jak wynika z obliczeń, obie war- o 3 wyprowadzeniach
4 20 100
4,032 20 100 tości pojemności dołączonych do mi- Ma on identyczne właściwości,
4,096 16 100
krokontrolera powinny mieć wartość jak opisywany poprzednik 2-wypro-
4,1943 12 100
4,4336 16 80
24 pF. Może się jednak zdarzyć, że wadzeniowy. Różnica polega jedynie
4,5 20 8080
dysponujemy rezonatorem, o którym na tym, że ma wbudowane do we-
4,8 32 80
4,9152 32 70
nie wiemy nic za wyjątkiem wydru- wnątrz pojemności tak, że nie mu-
5 32 60
kowanej na jego obudowie często- szą być one dołączane z zewnątrz.
5,0688 32 50
5,6448 32 50
tliwości. Niestety w takiej sytuacji Sposób dołączenia tego typu rezona-
6 32 40
6,144 32 40 skazani będziemy na eksperymento- tora pokazano na rys. 3. Przeważnie
6,4 32 40
wanie. Osobiście używam w takich skrajne wyprowadzenia podłącza się
6,5536 32 40
7,159 20 40
przypadkach kondensatorów o pojem- odpowiednio do XTAL1 i XTAL2,
7,2 20 40
ności około 27 pF przy częstotliwo- a środkowe do masy. Jedna uwaga:
7,3728 32 40
7,68 32 40
ści do 8 MHz. Powyżej tej częstotli- ważne jest, aby masa była dołączo-
8 32 35
8,192 20 35 wości używam kondensatorów o po- na właściwie, wyprowadzenia XTAL1
8,4672 20 35
jemności 22 pF. i XTAL2 mogą być zamieniane.
8,867238 20 35
9,216 32 30
Powyższe informacje również na-
9,6 32 30
leży traktować jako wskazówkę przy Wewnętrzny generator RC
9,8304 32 30
10 32 30
samodzielnym rozwiązywaniu proble- Jest on wbudowany w niektóre
10,24 18 30
mów. Normalnie większość rezonato- mikrokontrolery AVR z serii AT90
10,245 32 30
10,7 32 30
rów kwarcowych działa od razu po i wszystkie ATmega. Niektóre z AVR
10,752 32 30
11 32 30 załączeniu zasilania, przy dołączo- posiadają pojedynczy oscylator, pod-
11,0592 32 30
nych pojemnościach z zakresu od czas gdy inne mają aż cztery róż-
11,15 30 30
11,503 20 30
22 do 33 pF. ne do wyboru. Zakres generowanych
12 32 30
częstotliwości można ustawić w gra-
12,288 32 30
12,8 16 25
Ceramiczny rezonator nicach od 4 do 9,6 MHz. W tab. 2
13,875 32 30
o 2 wyprowadzeniach
14 32 25
14,1875 22 25
Funkcjonalnie rezonator ceramicz- Tab. 2. Zestawienie mikrokontrolerów
14,318 32 25
14,7456 32 25 ny zbliżony jest do kwarcowego,
AVR wyposażonych w wewnętrzny
15 32 25
z tym że jest znacznie tańszy. Kon- generator RC
15,36 32 25
16 32 20
sekwencją ceny jest również jakość
Częstotliwość
16,9344 12 20 Nazwa
generowana przez
pracy, to jest stabilność i dokładność
17,472 32 20
mikrokontrolera
oscylator RC [MHz]
17,7344 32 20
generowanej częstotliwości. W związ-
18 32 20
ATtiny12 1,2
18,432 32 20 ku z tym nie zawsze będzie się on
19,6608 32 20
ATtiny15 1,6
nadawał do taktowania pracą interfej-
20 32 20
22,1184 32 25
su asynchronicznego (UART), ale za- ATmega163 1,0
24 32 25
ATmega323 1,0
leży to od jakości oferowanej przez
24,576 32 40
26,601 18 50
danego producenta. Ma on jednak ATmega8 1,0; 2,0; 4,0; 8,0
27 20 50
i swoje zalety. Rezonator ceramiczny
27,095 20 50 ATmega16 1,0; 2,0; 4,0; 8,0
27,125 20 50
nie jest tak delikatny jak kwarcowy
ATmega32 1,0; 2,0; 4,0; 8,0
27,145 20 50
27,195 20 50 i w związku z tym dobrze nadaje się
ATmega64 1,0; 2,0; 4,0; 8,0
28 32 50
do środowisk pracy, gdzie występują
28,322 32 50 ATmega128 1,0; 2,0; 4,0; 8,0
29,4912 32 50
duże wibracje. Układ pracy rezona-
ATmega8515 1,0; 2,0; 4,0; 8,0
32 32 50
tora ceramicznego 2-wyprowadzenio-
33,8688 20 50
ATmega8535 1,0; 2,0; 4,0; 8,0
34,922 32 50
wego jest identyczny, jak rezonatora
35,2412 18 50 ATmega162 8,0
kwarcowego, jednak wymaga dołącze-
36 32 50
ATmega169 8,0
36,864 16 50
nia większych pojemności. Materiały
40 32 50
ATtiny13 4,8; 9,6
44,560 16 50 firmy Atmel podają dla rezonatorów
45,470 16 50 ATtiny2313 4,0; 8,0
ceramicznych wartość 40 pFą10 pF.
48 32 50
ATmega48 8,0
49,86 32 50
Elektronika Praktyczna 9/2004
87
Częstotliwość podstawowa
3-harmoniczna
P O D Z E S P O A
Y
umieszczono zestawienie współcześnie i charakterystyki robocze. Zaintereso- ści zegarowej. Praktycznie można ją
produkowanych mikrokontrolerów AVR wanych tematem odsyłam do lektury polecić już od ok. 30 MHz wzwyż.
wyposażonych w oscylator RC. AVR053 (http://www.atmel.com/). Bardzo dużą dokładność i stabilność
Oscylator RC może być różny Aby włączyć wewnętrzny gene- generowanej częstotliwości zapewnia
w różnych układach, ale we wszyst- rator RC, należy ustawić odpowied- również rezonator kwarcowy. Może
kich spotkamy się z zależnością ge- ni bezpiecznik konfiguracyjny (fuse). nie aż tak dobrą, jak specjalizowa-
nerowanej częstotliwości od wartości Wiele ze sprzedawanych układów ny generator, ale wystarczającą dla
napięcia zasilającego mikrokontroler. ma ten bit ustawiony już w momen- większości popularnych zastosowań.
Dlatego też w czasie produkcji wyko- cie produkcji. Często można dzięki Polecam go do stosowania zwłaszcza
nywana jest kalibracja oscylatora tak, temu spotkać na grupach dyskusyj- przy korzystaniu z transmisji asyn-
aby zapewnić właściwą wartość gene- nych pytania w rodzaju:  Dołączyłem chronicznej (UART, tj. RS232, RS485
rowanej częstotliwości przy zasilaniu zewnętrzny kwarc 10 MHz, a układ itp.). Mniejszą dokładność, ale za
napięciem 3,3 lub 5 V. Wewnętrzny pracuje o wiele wolniej. Co się dzie- znacznie niższą cenę zapewnia re-
generator można również kalibrować je? . Należy upewnić się, że bit opcji zonator ceramiczny. Jego stosowanie
samodzielnie, ale mimo wszystko generatora ma właściwą wartość na- upraszcza układ i obniża koszt, choć
stabilność generowanej częstotliwości stawy. Będzie o tym mowa dalej. może nie nadaje się do układów
pozostawia nieco do życzenia. Na Wobec tak licznych możliwości elektroniki profesjonalnej. Zdecydo-
przykład producent zapewnia dokład- taktowania pracą mikrokontrolera wanie najtańsze i najprostsze w uży-
ność ą10%, a wykonując kalibrację pojawić się może pytanie: jak do- ciu jest wykorzystanie generatora RC
samodzielnie w pracującym układzie, brać właściwy rodzaj generatora do wbudowanego w strukturę AVR. Nie-
w stabilnych warunkach zasilania konstruowanej aplikacji? To nie ta- zbyt stabilny, wymagający kalibracji,
można osiągnąć dokładność rzędu kie trudne, jak może się początkowo ale wystarczający do zastosowania
ą1%. Niestety wartość częstotliwo- wydawać. Jeśli wymagana jest bardzo np. w zabawce, termometrze, czujce
ści będzie również wykazywać pew- duża dokładność generowanej często- alarmowej i innych niezbyt wymaga-
ne fluktuacje w funkcji temperatury. tliwości, należy użyć zewnętrznego, jących, jeśli patrzeć na nie pod ką-
Firma Atmel posiada znakomitą notę specjalizowanego generatora. Opcja tem rygorów czasowych, aplikacjach
aplikacyjną mówiącą o sposobach ta jest również bardzo wygodna mikrokontrolera.
użycia i kalibrowania oscylatora RC. wówczas, gdy mamy do czynienia Jacek Bogusz, EP
Podane są w niej wszelkie zależności z dużymi wartościami częstotliwo- [e-mail]
Elektronika Praktyczna 9/2004
88