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제 목 1) 클락 발진 회로
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클락 발진 회로의 생각 

【클락 발진 회로란】

 클락이라고 하는 것은, 일반적으로 회로를 움직이기 위한 페이스 메이커로 해서 사용되는 신호를
말해, 항상 일정한 주파수의 신호를 사용합니다.
 PIC는, 외부부착의 각종 진동자로 만들어지는 클록 신호를 기초로 해 내장 시계를 만들어 내,
모든 타이밍 제어를 실시하고 있습니다.
또 복수의 발진용 소자에 대응한 발진 회로가 미리 내장되고 있어 발진 모드의
설정만으로 대응시킬 수가 있게 되어 있습니다.
 그러나, 몇 개의 것을 제작할 경우에는 이것으로 문제는 아무것도 없습니다만, 다량으로 양산한다
때로는, 발진 소자의 격차를 고려해 안정에 발진하도록(듯이) 하는 궁리가 필요합니다.


【발진 모드】

 이 PIC의 클락을 작성하는 발진 회로에는, 사용되는 소자에 의해 복수의 발진 모드가
있습니다. 회로의 사용 목적에 의해 적합한 모드를 선택할 필요가 있습니다.
특히 가격을 중요시할 때나, 진동자가 입수 하기 어려울 시 이외는, 수정진동자나 세라믹 진동
아이를 사용한 모드가 안정되어 동작하므로 추천입니다.

미들 레인지의 PIC16xx 시리즈에는, 발진 모드를 설정하기 위한배치
비트
가, 2비트의 것과 3비트의 것이 있어, 각각 가능한 발진 모드가 아래 표와 같이
차이가 납니다.


(1) 발진 모드 설정이 2비트의 경우(FOSC2, FOSC1)

모드

설정

설명

발진 주파수 범위

특징

LP

00

저전력/수정 발진
(Low Power Crystal)

200 kHz 이하

극저소비 전력 동작이 가능

XT

01

수정/세라믹 발진(Crystal/Resonator)

4 MHz 이하

표준적

HS

10

고주파 수정/세라믹 발진(High Speed Crystal/Resonator)

4MHz ~   20MHz

고속 동작

RC

11

RC발진
(Resister/Capacitor)

약 1 MHz 이하(4 MHz도 있어)

주파수 정밀도는 나쁘다


(2) 발진 모드 설정 비트가 3비트의 경우(FOSC2, FOSC1, FOSC0)

모드

설정

설명

발진 주파수 범위

특징

LP

000

저전력/수정 발진

200 kHz 이하

극저소비 전력 동작이 가능

XT

001

수정/세라믹 발진

4 MHz 이하

표준적

HS

010

고주파 수정/세라믹 발진

4MHz ~   20MHz

고속 동작

미사용

011

----

---

----

INTRC

100

내부 RC발진 CLKOUT 없음

4MHz

가장 염가
CLKOUT 핀은 I/O핀으로서 사용 가능

INTRC
CLKOUT

101

내부 RC발진 CLKOUT부

4MHz

가장 염가
CLKOUT 출력 있어

EXTRC

110

외부부착 RC발진 CLKOUT 없음

~1 MHz

발진 주파수 정밀도는 나쁘다

EXTRC
CLKOUT

111

외부부착 RC발진 CLKOUT부

~1 MHz

발진 주파수 정밀도는 나쁘다


【수정/세라믹 발진 모드】

 수정(크리스탈) 발진 모드는, 가장 주파수 정밀도가 높고(수 10 ppm 이하) 한편 안정인 발진을
합니다. 따라서 수정 발진은, 시계 기능 등에 필요한 고정밀도 발진이 필요한 경우나, 일정한
속도에서의 시리얼 통신을 하는 것 같은 경우, 혹은 고정밀의 일정한 시간을 필요로 하는 경우
등에 사용합니다.

 Xtal
 왼쪽의 사진은 수정진동자의 대표적인 것으로,
 좌측이 HC-49U 한가운데가 HC-49 US로 불리고
 (이)라고 있는 타입입니다. HC-49 US타입이
 소형이어 실장했을 때의 부품의 높이가 낮기 때문에
 편리하게 사용할 수 있습니다.
 그 우측은 32 KHz의 시계용으로 특히 소형으로
 되어있습니다. 이것을 사용하는 것은, 전지 동작을
 하는 경우로 특별히 소비 전류를 줄이고 싶다
 때로, PIC의 동작 속도가 늦어도 좋은 경우
 에 사용합니다.


 세라믹 발진 모드의 메리트는 세라믹 진동자의 주파수 변동 오차는 0. 5%정도이므로
RC발진 모드에 비하면 고정밀도의 주파수가 출키, 수정진동자보다 싼 일입니다.
디메리트는 전원 전압이 변화하는 것 같은 용도에서는, 약간 불안정해 최악 발진이 멈추어 버린다
일도 있는 것입니다. 이 때문에 세라믹 발진은, 특히 고정밀도의 시간 요구가 없고, 일정한 전압으로
사용하는 경우에 사용합니다.

 왼쪽의 사진은 대표적인 세라믹 진동자로, 세라
 락이라고도 불리고 있습니다. 주파수에 의해 사이즈
 하지만 다른 것과 콘덴서 내장 타입도 있어
 . 콘덴서 내장 타입은 3개 다리의 것으로,
 외부부착의 2개의 콘덴서가 불필요하게 되므로
 스페이스가 적을 때에 편리합니다.
 한가운데의 다리가 공통 그랜드가 되어 있습니다.



수정 발진·세라믹 발진 모두 추천 회로는 밑그림과 같이 되어 있습니다.



부품에서는, C1, C2에 대해서는 발진 주파수에
따라서 최적인 콘덴서의 값을 선택할 필요가
있습니다.
또 높은 주파수용의 수정진동자의 경우에
소자에 흐르는 전류 억제하는 목적으로 RS라고 한다
저항을 부가하는 일도 있습니다만, 대부분
의 경우에는 필요 없습니다.

수정진동자에도 세라믹 진동자에도, 발진을 안정에 시키기 위해서(때문에), 양단에 콘덴서를
부가합니다. 이것에 사용하는 콘덴서의 종류는, 일반적인 세라믹 콘덴서를 사용합니다.
부가하는 콘덴서의 용량에는 아래 표듯추천치가 있습니다.
이 추천치를 지켜 콘덴서를 부가하는 것으로 안정인 발진을 얻을 수 있습니다.
극단적으로 다른 값의 콘덴서를 붙였을 때에는 발진하지 않는 것도 있으므로 요주의입니다.

  (a) 세라믹 발진 회로의 경우

발진 모드

발진 주파수

C1, C2의 값

XT

455kHz
2.0MHz
4.0MHz

22~100pF
15~68pF
15~68pF

HS

8.0MHz
10MHz
16MHz

10~68pF
15~33pF
10~22pF

  (b) 수정(크리스탈) 발진 회로의 경우

발진 모드

발진 주파수

C1의 값

C2의 값

LP

32kHz
200kHz

68~100pF
15~33pF

68~100pF
15~33pF

XT

100kHz
2MHz
4MHz

68~150pF
15~33pF
15~33pF

150~200pF
15~33pF
15~33pF

HS

4MHz
8MHz
10MHz
20MHz

15~33pF

15~33pF

 어느 발진 회로에서도, 전원이 더해지고 나서, 발진을 개시해 발진 진폭 전압이
안정되기까지는 약간의 시간이 걸립니다. 이 모습을 그림으로 나타내면(자) 밑그림과 같이
이룹니다.

이 불안정 시간의 기준은
대략 아래와 같이 됩니다.

RC발진   :  1. 5~5. 0msec
세라믹 발진 :2. 0~5. 0msec
크리스탈 발진:5. 0~10 msec

이 안정될 때까지 는, PIC가 불안정한 동작을 하는 일도 생각할 수 있으므로, 이 불안정
시간보다 충분히 긴 시간의 사이 「리셋트」를 걸쳐 PIC를 정지상태태인 채로 해둘 필요가
있습니다. 
그러나, PIC의 경우에는, 리셋트 회로에 궁리가 더해지고 있어 전원 ON의 뒤, 전압
그것이 안정되어, 클락 발진 회로의 안정을 기다리는 시간의 사이, 리셋트 신호가 계속한다
같게 되어 있기 때문에, 외부에서 이것을 의식할 필요는 없습니다.
 (Power On Reset 기능)



【외부 발진 유니트를 사용하는 경우】

 PIC의 내장의 발진 회로를 사용하지 않고, 외부에 일정한 주파수의 신호를 발생하는 발진 유니트를
부가해 PIC를 동작시키는 일도 가능하게 되어 있습니다.
이것은 어떤 때에 사용한다고 하면(자), 고정밀의 시계등을 만드는 경우에는, 수정 발진 모드에서는
정밀도가 부족해 버려 요구의 정밀도를 만족하지 않습니다.
이러한 때로는, 특별 고정밀의 발진 유니트를 사용해, 그것을 PIC의 클록 신호로서 사
있습니다.

사진은, 고정밀도 발진 유니트의 예입니다.
좌측은 고정 주파수의 것.
그 우측 2개(살)은, 조금 주파수가
가변할 수 있어 게다가 주파수 정밀도가 3ppm
이하라고 하는 고정밀도의 발진 유니트입니다.

외부 발진 유니트를 사용하는 경우의 PIC와의 접속은 그림과 같이 합니다. 이 접속 방법의 저항의
접속 방법은 유니트에 의해 조금 다르기 때문에, 발진 유니트의 데이터 쉬트를 참조해
주세요.


상기 사진의 우측의 소자를 사용했을 경우의
회로예입니다.
출력 레벨이 약간 낮기 때문에, 10KΩ의
저항으로 레벨을 조정하고 있습니다.




【외부부착 RC발진 모드의 회로】

 RC발진 모드의 메리트는 저항과 콘덴서만으로 할 수 있기 (위해)때문에 염가로 있는 것으로, 부품 점수
하지만 적은 것입니다. 반대로 디메리트는, 발진 주파수를 정확하게 한편 안정으로 결정하는 것이 어려운 일
입니다.
이것은 저항이나 콘덴서의 정밀도가 남아 좋지 않는 것과 온도등에 의해 값이 변화하기 (위해)때문입니다.
이 때문에 RC발진은, 비교적 주파수가 거칠고 좋은 경우, 예를 들면 게임등이나, 발진 주파수가
수 100 KHz와 낮은 경우에 사용합니다.

 외부부착 RC에 의한 발진은 밑그림의 추천 회로에 따라 저항, 콘덴서의 값을 결정합니다.
RC발진 그 자체는 PIC 내부의 회로로 행해져 OSC2에는 클락의 1/4배의 주파수가 출력
됩니다. 이 회로에서의 실제의 발진 주파수는, 일반의 RC발진 완화시간인,
         f=1/RC 
그리고 정해지는 주파수보다 꽤 낮은이 되어, 데이터 쉬트의 그래프로 추정하는 것이 필요하게 됩니다.
이것은 PIC의 새는 전류와 부유 용량의 영향에 의하는 것으로 소자에 의해 격차가 있습니다.


 그림과 같이 OSC2의 핀은, CLKOUT로서
 클록 신호의 출력 핀으로서도 사용할 수 있고,
 범용의 입출력 핀으로서도 사용할 수 있습니다.

 외부부착의 저항, 콘덴서에는 사용 가능한 값의 범위에
 제한이 있으므로 주의가 필요합니다.
 PIC의 소자에 의한 발진 주파수의 격차를 줄이기 (위해)때문에
 에는, 저항은 작게, 콘덴서는 큰으로 하는 것이
 요령입니다.



【내부 RC발진 모드의 회로】

PIC에 내장되고 있는 RC에 의해 클락을 발진시키는 것입니다. 이 경우에는 주파수
하지만 「4MHz」의 고정이 되어 있기 때문에 주의가 필요합니다.
게다가, 이 주파수 정밀도가 나쁘기 때문에, 이것을 맞추고 넣기 위한 궁리가 이루어지고 있습니다.
이 구조가 「calibration」라고 불리고 있는 것입니다.
장치는, 메모리의 마지막 주소에 쓰여진 값을 calibration를 위한 데이터
(으)로서 사용해, 이 값에 의해 발진 주파수를 상하에 미조정할 수가 있습니다.

이 calibration의 값을 설정하는 레지스터가, OSCCAL가 되고 있습니다.
이 설정의 방법은, CAL0~CAL3의 값을 설정하는 것으로 불과의 스텝씩 주파수
(을)를 높낮이에 변화시키면서, 딱 맞는 4 MHz가 되도록(듯이) 조정합니다.
이 조정만으로 조정 나눌 수 없을 때는, CALFST나 CALSLW의 어느쪽이든을 「1」으로 해
한층 더 비싼 (분)편인가, 낮은 (분)편에게 늦추어, 재차 CAL0로부터 CAL3를 다시 해 맞추도록(듯이)
합니다.





【클럭 주파수와 소비 전류】

 PIC는 클락의 주파수와 전원 전압에 의해 소비 전류가 변화해, 동작 주파수가 낮을 때
에는 매우 적은 동작전류로 동작시킬 수가 있습니다. 이 특징을 잘 사용한 응용에
시계가 있습니다.
 동작 주파수를 32 KHz라고 하는 매우 저속으로 동작시키면(자), 전지로 동작시켜도, 1년 이상
연속 동작시키는 일도 가능합니다.
「PIC16F84」를 조사하면(자), 클럭 주파수와 평균-최대 소비 전류의 관계는 아래 표와 같이 되어
있습니다.
 이 표로부터도 알 수 있듯이, PIC는 전원 전압을 낮게 해, 클럭 주파수를 낮게 하면(자), 극단적으로
소비 전류를 억제할 수가 있습니다. 따라서 배터리 구동과 같은 응용에서도 충분히 장시간 동작
하지만 가능해집니다.

  전원 전압
주파수

2V

3. 5V

5V

30KHz

15μA~52μA

30μA~90μA

45μA~0.15mA

100KHz

18μA~80μA

37μA~0.15mA

56μA~0.2mA

1MHz

20μA~0.2mA

72μA~0.4mA

95μA~0.7mA

10MHz

0.12 mA~1.0mA

0.25 mA~2.0mA

0.35 mA~3.0mA



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