基于C8051F系列单片机的低功耗技术分析与设计

　　1 C8051F各部分组件的功耗

　　当一个系统对功耗要求严格时，可以在硬件电路建立前首先粗略计算一下整个系统所需的功耗。由于C8051F系列单片机为数模混合SOC系统，能够实现整个设计的大部分功能，因此整个设计系统的功耗将主要集中在C805IF系列单片机的能量消耗上。

　　整个单片机系统的功耗应该由4部分组成：振荡器功耗、数字设备功耗、模拟外设功耗及I／O端口功耗。振荡器功耗包括内部振荡器的功耗以及外部振荡器功耗。数字设备能量消耗主要由CPU的工作模式、工作电压及系统时钟频率决定。温度与数字外围设备对数字设备的功耗影响很小。模拟外围设备功耗主要包含ADC、电压基准VREF、温度传感器、偏压发生器及内部振荡器。比较器也有少量的能量损耗。

　　1.1 振荡器功耗分析

　　振荡器（英文：oscillator）是用来产生重复电子讯号（通常是正弦波或方波）的电子元件。其构成的电路叫振荡电路。能将直流电转换为具有一定频率交流电信号输出的电子电路或装置。种类很多，按振荡激励方式可分为自激振荡器、他激振荡器；按电路结构可分为阻容振荡器、电感电容振荡器、晶体振荡器、音叉振荡器等；按输出波形可分为正弦波、方波、锯齿波等振荡器。广泛用于电子工业、医疗、科学研究等方面。

　　外部振荡器具有很高的可配置性，为系统设计者提供了多种选择。时基信号可以从外部CMOS电平时钟源、晶振或陶瓷谐振器、RC组合电路或外部电容获得，每一种方法都有各自的优势。由于振荡器可以灵巧地在各种方式中转换，因此可以通过改变振荡器来降低功耗。对外部振荡器来说，外部CMOS时钟、电容和RC网络都能够提供较低的振荡频率。

　　（1）外部CMOS时钟

　　当工作于外部振荡器CMOS时钟模式时，外部振荡器驱动被关闭。电路功耗电流微小可以近似忽略。XTAL2输出的时基信号可以用作CPU、计时器、PCA或其他外围设备的时钟源。注意，即使在某一端口应用了高频信号，功耗仍只有少量的增加。

　　（2）外部晶振

　　外部晶振提供了最精确的时间基准，但随之而来的功耗在同一频率下也更高。外部晶振依赖于晶振频率和振荡器驱动电路（XFCN）。

　　晶振全称为晶体振荡器，其作用在于产生原始的时钟频率，这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。以声卡为例，要实现对模拟信号44.1kHz或48kHz的采样，频率发生器就必须提供一个44.1kHz或48kHz的时钟频率。如果需要对这两种音频同时支持的话，声卡就需要有两颗晶振。但是娱乐级声卡为了降低成本，通常都采用SRC将输出的采样频率固定在48kHz，但是SRC会对音质带来损害，而且现在的娱乐级声卡都没有很好地解决这个问题。 晶振一般叫做晶体谐振器，是一种机电器件，是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。这种晶体有一个很重要的特性，如果给它通电，它就会产生机械振荡，反之，如果给它机械力，它又会产生电，这种特性叫机电效应。他们有一个很重要的特点，其振荡频率与他们的形状，材料，切割方向等密切相关。由于石英晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数非常小，其振荡频率也非常稳定，由于控制几何尺寸可以做到很精密，因此，其谐振频率也很准确。根据石英晶体的机电效应，我们可以把它等效为一个电磁振荡回路，即谐振回路。他们的机电效应是机-电-机-电的不断转换，由电感和电容组成的谐振回路是电场-磁场的不断转换。在电路中的应用实际上是把它当作一个高Q值的电磁谐振回路。由于石英晶体的损耗非常小，即Q值非常高，做振荡器用时，可以产生非常稳定的振荡，作滤波器用，可以获得非常稳定和陡削的带通或带阻曲线。

　　（3）外部电容C模式

电容（或电容量， Capacitance）指的是在给定电位差下的电荷储藏量；记为C，国际单位是法拉（F）。一般来说，电荷在电场中会受力而移动，当导体之间有了介质，则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上；造成电荷的累积储存，最常见的例子就是两片平行金属板。也是电容器的俗称。

　　外部电容模式通过将一个电容连接到XTAL2为系统提供低功耗时钟。这是精度最差的一种时基方式，但同时也是最灵活的一种方式。只用1个电容元件就可以提供8种不同的工作频率。最高频率几乎可达最低频率的3000倍。可以通过改变在OSCXCN寄存器中的XFCN位改变其振荡的频率，并直接影响其输出的电流。外部电容方式下的时基精度主要由电容的误差和流过XTAL2的内部电流源的精度决定。

　　电容是指容纳电场的能力。任何静电场都是由许多个电容组成，有静电场就有电容，电容是用静电场描述的。一般认为：孤立导体与无穷远处构成电容，导体接地等效于接到无穷远处，并与大地连接成整体。

　　（4）外部振荡RC模式

　　RC模式与电容模式十分相似，区别在于外部电容方式下电容的充电电流由接到XTAL2的内部可编程电流源提供，并且在RC模式下充放电电路除了包含电容外还要通过一个外部电阻器。RC模式振荡电路的平均功耗由通过电阻器的平均电流所决定。电阻器上的压降成指数倍大小，其波形可以简化为三角波来估计平均值。

　　通常，设计者可以通过合理地选择时钟源达到降低功耗的目的。内部振荡器消耗数字电源电流的典型值为200μA，用于驱动外部振荡器的电流是变化的。对于一个外部振荡源（如晶振），驱动电流（由模拟电源提供）用软件通过配置外部振荡器控制寄存器OSCXCN的XFCN位来设置。在驱动电流较大时用户町以使用内部振荡器以降低功耗。