电路设计之复位、时序、时钟与 MCU 模块

本文将深入探讨这些模块的原理、常见问题以及设计要点。

复位电路部分

简介

复位对于电路的可靠运行起着举足轻重的作用。其基本功能是在系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销该复位信号。为确保可靠性，在电源稳定后还需经过一定的延时才撤销复位信号，以防止电源开关过程中产生的抖动对复位造成影响。复位不仅包括上电复位，各个模块也都存在复位情况，如 USB 复位、网口复位、内存复位、看门狗复位等。

图 1 复位电路的作用

常见问题

在复位电路设计中，常见的问题包括未提供复位信号、复位信号驱动能力不足、复位时序不对、复位宽度不够以及复位信号的有效电平设置不当等。这些问题可能会导致电路无法正常复位，从而影响系统的稳定性。

RC 复位电路

RC 复位电路能够实现基本的复位功能，但其存在一些缺点，如无法解决电源毛刺、边沿缓慢等问题，并且驱动能力会变差。

图 2 RC 复位电路

专用复位芯片

以 706 芯片为例，该芯片提供电源监控、上电复位、看门狗复位等功能。其具体特点如下：

• 复位功能：当 VCC 小于 4.65V 时复位；当MR出现低电平，低于 0.8V 且持续时间达到 150ns 时复位。复位状态为输出一个 160 - 180ms 宽度的低脉冲。

• 电源监控：PFO是电源监控管脚，当 FPI 电压低于 1.25V 时，PFO 输出低电平，可用于对另外一组电源或者信号进行监控。

• 看门狗功能：在 1.6s 之内 WDI 上的信号边沿没有变化，即电平没有反转，WDO就会输出低电平，直到 WDI 有翻转才恢复。此外，当 VCC 低于 4.65V 时，WDO也会复位。

在使用专用复位芯片时，需要注意复位宽度、电平有效的逻辑以及看门狗 WDI 的宽度等问题。

图 3 专用复位芯片的功能

“与” 门复位电路

在 “与” 门复位电路中，按下按键或没有喂狗时，RESET 会输出复位信号。

图 4 “与” 门复位电路

时序部分

时序基础

在高速电路中，更关注信号边沿。以下是一些基础参数：

• 时钟频率（Freq）：用 F 表示。

• 时钟周期（Tcycle）：是时钟信号完成一个完整周期所需的时间。

• 建立时间（TSetup）：如在上升沿采样，在上升沿之前数据保持不变的时间叫建立时间，一般有最大值和最小值。接收端对建立时间有要求，必须大于最小值才能稳定采样。

• 保持时间（THold）：上升沿之后数据保持不变的时间，用于保证采样的稳定可靠。

• 时钟输出延时（TCO）：器件上时钟的输入和输出的延时，受器件工艺的影响。

• PCB 传输延时（TFIT）：受走线长度、走线内外层等因素影响。

• 时钟偏差（Tjitter）：即时钟抖动。

• 建立时间裕量（TsetupMargin）：为保证时钟可靠采样，建立时间需大于最小值。

• 保持时间裕量（TholdMargin）：同理，保持时间也需满足一定要求。

图 5 时序基础参数

时序设计介绍

建立时间是指在时钟沿到来之前数据从不稳定到稳定所需的时间。如果建立时间不满足要求，数据将不能在这个时钟上升沿被稳定地打入触发器。保持时间则是指在触发器的时钟信号上升沿到来以后，数据稳定不变的时间。如果保持时间不够，数据同样不能被稳定地打入触发器。

图 6 建立时间和保持时间

举例

在分析建立时间和保持时间时，分没有延时和有延时两种情况。当没有延时时，相关参数之间存在特定的关系；而在实际情况中，时钟的传输存在延时，即常说的时钟偏斜，它与时钟抖动有所不同，时钟偏斜是一个方向的，而时钟抖动是两个方向的。
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