基于C8051F系列單片機的低功耗技術分析與設計

　　1 C8051F各部分組件的功耗

　　當一個系統對功耗要求嚴格時，可以在硬件電路建立前首先粗略計算一下整個系統所需的功耗。由于C8051F系列單片機為數模混合SOC系統，能夠實現整個設計的大部分功能，因此整個設計系統的功耗將主要集中在C805IF系列單片機的能量消耗上。

　　整個單片機系統的功耗應該由4部分組成：振蕩器功耗、數字設備功耗、模擬外設功耗及I／O端口功耗。振蕩器功耗包括內部振蕩器的功耗以及外部振蕩器功耗。數字設備能量消耗主要由CPU的工作模式、工作電壓及系統時鐘頻率決定。溫度與數字外圍設備對數字設備的功耗影響很小。模擬外圍設備功耗主要包含ADC、電壓基準VREF、溫度傳感器、偏壓發生器及內部振蕩器。比較器也有少量的能量損耗。

　　1.1 振蕩器功耗分析

　　振蕩器（英文：oscillator）是用來產生重復電子訊號（通常是正弦波或方波）的電子元件。其構成的電路叫振蕩電路。能將直流電轉換為具有一定頻率交流電信號輸出的電子電路或裝置。種類很多，按振蕩激勵方式可分為自激振蕩器、他激振蕩器；按電路結構可分為阻容振蕩器、電感電容振蕩器、晶體振蕩器、音叉振蕩器等；按輸出波形可分為正弦波、方波、鋸齒波等振蕩器。廣泛用于電子工業、醫療、科學研究等方面。

　　外部振蕩器具有很高的可配置性，為系統設計者提供了多種選擇。時基信號可以從外部CMOS電平時鐘源、晶振或陶瓷諧振器、RC組合電路或外部電容獲得，每一種方法都有各自的優勢。由于振蕩器可以靈巧地在各種方式中轉換，因此可以通過改變振蕩器來降低功耗。對外部振蕩器來說，外部CMOS時鐘、電容和RC網絡都能夠提供較低的振蕩頻率。

　　（1）外部CMOS時鐘

　　當工作于外部振蕩器CMOS時鐘模式時，外部振蕩器驅動被關閉。電路功耗電流微小可以近似忽略。XTAL2輸出的時基信號可以用作CPU、計時器、PCA或其他外圍設備的時鐘源。注意，即使在某一端口應用了高頻信號，功耗仍只有少量的增加。

　　（2）外部晶振

　　外部晶振提供了最精確的時間基準，但隨之而來的功耗在同一頻率下也更高。外部晶振依賴于晶振頻率和振蕩器驅動電路（XFCN）。

　　晶振全稱為晶體振蕩器，其作用在于產生原始的時鐘頻率，這個頻率經過頻率發生器的放大或縮小后就成了電腦中各種不同的總線頻率。以聲卡為例，要實現對模擬信號44.1kHz或48kHz的采樣，頻率發生器就必須提供一個44.1kHz或48kHz的時鐘頻率。如果需要對這兩種音頻同時支持的話，聲卡就需要有兩顆晶振。但是娛樂級聲卡為了降低成本，通常都采用SRC將輸出的采樣頻率固定在48kHz，但是SRC會對音質帶來損害，而且現在的娛樂級聲卡都沒有很好地解決這個問題。 晶振一般叫做晶體諧振器，是一種機電器件，是用電損耗很小的石英晶體經精密切割磨削并鍍上電極焊上引線做成。這種晶體有一個很重要的特性，如果給它通電，它就會產生機械振蕩，反之，如果給它機械力，它又會產生電，這種特性叫機電效應。他們有一個很重要的特點，其振蕩頻率與他們的形狀，材料，切割方向等密切相關。由于石英晶體化學性能非常穩定，熱膨脹系數非常小，其振蕩頻率也非常穩定，由于控制幾何尺寸可以做到很精密，因此，其諧振頻率也很準確。根據石英晶體的機電效應，我們可以把它等效為一個電磁振蕩回路，即諧振回路。他們的機電效應是機-電-機-電的不斷轉換，由電感和電容組成的諧振回路是電場-磁場的不斷轉換。在電路中的應用實際上是把它當作一個高Q值的電磁諧振回路。由于石英晶體的損耗非常小，即Q值非常高，做振蕩器用時，可以產生非常穩定的振蕩，作濾波器用，可以獲得非常穩定和陡削的帶通或帶阻曲線。

　　（3）外部電容C模式

電容（或電容量， Capacitance）指的是在給定電位差下的電荷儲藏量；記為C，國際單位是法拉（F）。一般來說，電荷在電場中會受力而移動，當導體之間有了介質，則阻礙了電荷移動而使得電荷累積在導體上；造成電荷的累積儲存，最常見的例子就是兩片平行金屬板。也是電容器的俗稱。

　　外部電容模式通過將一個電容連接到XTAL2為系統提供低功耗時鐘。這是精度最差的一種時基方式，但同時也是最靈活的一種方式。只用1個電容元件就可以提供8種不同的工作頻率。最高頻率幾乎可達最低頻率的3000倍。可以通過改變在OSCXCN寄存器中的XFCN位改變其振蕩的頻率，并直接影響其輸出的電流。外部電容方式下的時基精度主要由電容的誤差和流過XTAL2的內部電流源的精度決定。

　　電容是指容納電場的能力。任何靜電場都是由許多個電容組成，有靜電場就有電容，電容是用靜電場描述的。一般認為：孤立導體與無窮遠處構成電容，導體接地等效于接到無窮遠處，并與大地連接成整體。

　　（4）外部振蕩RC模式

　　RC模式與電容模式十分相似，區別在于外部電容方式下電容的充電電流由接到XTAL2的內部可編程電流源提供，并且在RC模式下充放電電路除了包含電容外還要通過一個外部電阻器。RC模式振蕩電路的平均功耗由通過電阻器的平均電流所決定。電阻器上的壓降成指數倍大小，其波形可以簡化為三角波來估計平均值。

　　通常，設計者可以通過合理地選擇時鐘源達到降低功耗的目的。內部振蕩器消耗數字電源電流的典型值為200μA，用于驅動外部振蕩器的電流是變化的。對于一個外部振蕩源（如晶振），驅動電流（由模擬電源提供）用軟件通過配置外部振蕩器控制寄存器OSCXCN的XFCN位來設置。在驅動電流較大時用戶町以使用內部振蕩器以降低功耗。