الهزاز الداخلي في المتحكمات الصغرية: ما هو، إيجابياته وسلبياته

يُعتبر الهزاز الداخلي ذو بنية مقاومة-مكثف RC من أبسط أشكال توليد نبضات ساعة تستطيع المتحكمات الصغرية الاعتماد عليها لإنجاز عمليات المعالجة والتواصل بين الطرفيات المختلفة

ما هو الهزاز Oscillator ؟

لا يمكن أن يعمل المتحكم الصغري (تحديداً المعالج داخل المعالج الصغري) بدون مصدر نبضات Clock Source، حيث يحدد تردد هذه النبضات سرعة تنفيذ التعليمات ومعدل نقل البيانات عبر نواقل الاتصالات التسلسلية Serial Communications والزمن اللازم لإتمام معظم العمليات داخل المتحكم.

بهذه الصورة، وعندما نقول أن المتحكم الصغري يعمل عند ترددٍ قدره 1 ميجاهرتز، فهذا يعني أن المتحكم الصغري: 1) قادر على إنجاز 1 مليون تعليمة في الثانية و 2) هنالك مصدر نبضات (أو لنقل “ساعة”) تقوم بتزويد المعالج الداخلي داخل المتحكم (وغيره من الوحدات الإلكترونية) بمليون نبضة رقمية مربعة Square Pulse خلال ثانية واحدة.

الأمر الرائع بخصوص المتحكمات الصغرية أنها تمتلك كل الوحدات والطرفيات التي تحتاجها على نفس الشريحة؛ هذا يعني أن مصدر النبضات الذي يحتاجه المتحكم للعمل موجود ضمن نفس الشريحة، وهذا المصدر يُدعى الهزاز Oscillator وهو يمثل ساعة عمل يعتمد عليها المتحكم الصغري لتنفيذ مهامه وأدائه. من المهم معرفة أنه يمكن ضبط المتحكمات الصغرية لتعمل اعتماداً على نوعين من الهزازات:

1. الهزازات الداخلية Internal Osciallators
2. الهزازات الخارجية (الكريستالات) External Oscillators

عند اختيار الهزاز المُراد استخدامه مع المتحكم يجب التأكد أنه قادر على دعم الوظيفة التي تتوقعها من المتحكم، كما عليك أن تراعي الكلفة والتعقيد قدر الإمكان. تُزودنا نشرة البيانات الفنية Datasheet الخاصة بكل متحكم بالمعلومات التي نحتاجها عن أنواع الهزازات التي يمكن استخدامها وكيفية تنفيذها بما يتوافق مع مهام المتحكم.

• اقرأوا أيضاً: ما هي المتحكمات الصغرية Microcontrollers

الهزاز الداخلي Internal Oscillator

يتم بناء معظم المتحكمات الصغرية رخيصة الثمن بحيث تتضمن بداخلها هزاز داخلي ذو بنية مقاومة-مكثف RC ليتم استخدامه بدلا عن الهزاز الخارجي، مع الانتباه إلى ضرورة معايرة هذا الهزاز ليناسب التطبيق المطلوب. بشكلٍ مُبسط، تعتمد هزازات مقاومة-مكثف على شبكةٍ من المقاومات والمكثفات المتصلة مع بعضها على التفرع والتي يتصل خرجها عادةً مع مضخم عمليات Op-Amp، ويكون تردد عمل هذه الدارة ككل مرتبط بشكل عكسي مع قيمة الثابت RC، أي قيمة المقاومة مقاسةً بالأوم وسعة المكثف مقاسةً بالفاراد، وهذا يعني أن دقة عمل هذه الهزازات يعتمد بشكلٍ كبير على دقة شبكة المقاومات والمكثفات وامتلاكها حد أدنى من الخطأ.

لهذا السبب، أي بما أن دقة الهزاز الداخلي تعتمد على الخواص السعوية وخواص المقاومة للهزاز، فإنه من الجيد دوماً ضبط ومعايرة هذه الهزازات قبل استخدامها. يقوم العديد من مصنعي المتحكمات الصغرية بتضمين هزاز داخلي يمكن استخدامه بشكلٍ مباشر كمصدر نبضات عمل للمتحكم مثل Texas Instrument و STMicroelectronics و Microchip وغيرهم، ويُوفر وهؤلاء المصنعون دليلاً تطبيقياً لكيفية معايرة الهزاز الداخلي لكل متحكم.

إن استخدام الهزاز الداخلي يعطيك العديد من الفوائد، وقد يكون أهمها استغناؤك عن الهزاز الخارجي، إلا أن بعض التطبيقات الحرجة تحتاج إلى دقة عالية جدا في التوقيت والمزامنة، وهذه الدقة قد لا يستطيع الهزاز الداخلي أن يوفرها لتطبيقك.

• اقرأوا أيضاً: ما هو الفرق بين المعالجات والمتحكمات الصغرية

فوائد الهزاز الداخلي

1. استخدام عدد أقل من العناصر الخارجية: لن تكون بحاجة إلى دارة هزاز خارجي أو أية ملحقات لها، مما يقلل كلفة وحجم الجهاز النهائي.
2. استخدام أقطاب دخل/خرج إضافية: معظم المتحكمات ذات عدد الأقطاب القليلة توكل أكثر من وظيفة للقطب الواحد، ولهذا عند استخدام الهزاز الداخلي فإنك توفر قطبين إضافيين لتستخدمهما كأقطاب دخل أو خرج.
3. إبقاء الترددات المرتفعة داخل المتحكم: تعمل معظم المتحكمات بترددات عمل مرتفعة /10 MHz أو أكثر/ هذا التردد المرتفع دائما ما يستخدم من قبل المعالج cpu ويتم تخفيض هذا التردد لبقية طرفيات المتحكم، إن وجود ترددات عالية خارج الشريحة قد يشكل مشكلة في بعض الدارات المطبوعة، لذلك فان إبقاء هذه الترددات داخل المتحكم غالبا ما تكون فكرة جيدة.

مساوئ الهزاز الداخلي

إن وجود عناصر مثل المقاومة والمكثف داخل الشريحة أمرٌ له حدوده، خاصةً فيما يتعلق بالدقة والقدرة على التكرار، هذا يعني أن متحكمان من نفس النوع سيُظهران اختلافاً في تردد الهزاز الداخلي، وإلى جانب مشكلة الدقة ومشكلة التكرارية، هناك مشكلة الحرارة حيث اتضح أن المقاومة والمكثف يطرأ عليهما تغير طفيف مع تغير درجة الحرارة وبالتالي في حال كان النظام الذي تريد بنائه حساس لتغير تردد الهزاز (مثل أنظمة الاتصال السريع) فإن استخدام الهزاز الخارجي يكون الخيار الأفضل.

هنا قد تتساءل! إذا كان الهزاز ذو البنية RC سيئاً لهذه الدرجة لماذا لا يقوم المصنعون باستخدام هزاز كريستال أو سيراميك داخل شريحة المتحكم؟ في الحقيقة، إن قائمة المواد التي يمكن استخدامها في عملية التصنيع (داخل الشريحة) محدودة جداً، ومن الواضح أن الكوارتز والسيراميك ليسا على هذه القائمة.

وعلى كل حال فإن الهزاز ذو البنية RC ليس سيئاً إلى هذه الدرجة، فإذا نظرنا إلى دليل المستخدم للمتحكمات الحديثة نرى أن الاختلاف في دقة الهزاز الداخلي قد تصل إلى زيادة أو نقصان 10% ولكن عند ضبط المعايرة يمكن أن تصل هذه النسبة إلى 0.5%.

معايرة الهزاز الداخلي fine-tune

يأتي الهزاز الداخلي مع آلية لضبط تردده وذلك عن طريق تعديل سعة المكثف لدارة RC الداخلية، ويتم ذلك من خلال ما يسمى بصندوق استبدال السعة Capacitance Substitution Box الذي يتكون من مصفوفة من المفاتيح والمكثفات لتعطيك قيمة السعة المطلوبة ضمن درجة معينة من الدقة، مثلا: في الشكل التالي نرى شبكة من المكثفات يمكن ربطها على التفرع لتعطي السعة بقيمة صحيحة ضمن المجال (0nF-255nF)

من وجهة نظر المبرمج فإن هذا الصندوق يقابله مسجل بعرض 8bit بحيث تزيد السعة كلما زادت قيمة المسجل، ولتحقيق المعايرة ننفذ الخطوات التالية:

1. نكتب كود برمجي لتوليد موجة مربعة بعرض 1ms (تردد 1KHz) عن طريق طرفية داخل المتحكم (مثل طرفية المؤقت Timer)
2. نقيس عرض الموجة المولدة من خلال راسم إشارة خارجي.
3. نعدل قيمة مسجل ضبط التردد باتجاه التردد المطلوب.
4. نعيد تشغيل المتحكم بالكود الجديد ونكرر الخطوة 2 حتى نحصل على أقرب قيمة للتردد المطلوب.

يبين المخطط التالي عدد التكرارات المتوقعة للحصول على التردد المطلوب:

خلاصة

على الرغم من أن هزاز الكريستال وهزاز السيراميك هي هزازات ذات وثوقيه عالية بسبب دقتها واستقرارها، إلا أن الهزاز RC يعتبر جيد كفاية للعديد من التطبيقات ويقدم منافع هامة، كما أن نجاحك في اختيار نوع الهزاز يعتمد على قدرتك في تقييم تطبيقك المنشود.