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Wissenswertes zu Mikrocontroller, Mikroprozessoren und Quarze

Was sind Mikrocontroller, Mikroprozessoren und Quarze?

Der Unterschied zwischen Mikrocontrollern und Mikroprozessoren ist wohl am ehesten so zu beschreiben, dass ein Mikrocontroller stets (mindestens) einen Mikroprozessor enthält und dazu noch wichtige Peripherie-Elemente in seinem Gehäuse integriert. Ein Mikroprozessor für sich alleine genommen ist hingegen lediglich ein reiner Prozessor, also eine Recheneinheit.

Mit einem Mikroprozessor alleine wäre demzufolge wenig anzufangen, wenngleich er das eigentliche "Herzstück" eines Mikrocontrollers darstellt. Zu dessen Betrieb werden, je nach Typ, noch weitere Peripheriefunktionen benötigt, zum Beispiel Arbeits- und Programmspeicher, digitale Ein- und Ausgänge, Kommunikationsschnittstellen, LCD-Controller, Analog-Digital-Wandler und etliches mehr.

Mikrocontroller benötigen für ihren Betrieb einen Takt. Zwar gibt es auch einige Ausführungen mit integrierter Taktung, der weitaus größere Teil ist allerdings auf die Zufuhr eines stabilen Takts von außen angewiesen. Diese Taktung stellen frequenzbestimmende Bauteile zur Verfügung: entweder in Form von Quarz-Oszillatoren, die in ihrem Gehäuse die komplette Oszillatorschaltung vereinen, oder als Schwingquarze beziehungsweise Keramik-Resonatoren. Letztere beiden benötigen noch zusätzliche, auf den Schwingkreis abgestimmte Bauteile zu ihrer Funktion.

Mikrocontroller Embedded mit einem 8-Bit Kern und 16 MHz Frequenz

Welche Typen und Bauarten gibt es?

Herkömmliche Microcontroller beziehungsweise Mikroprozessoren sind in einer Vielzahl von Prozessorfamilien und mit den unterschiedlichsten Leistungsdaten verfügbar. Je nach Komplexität und Funktionalität variieren entsprechend sowohl Gehäusegröße als auch Bauform und Art und Anzahl der Anschlusspins. Einfache Modelle werden teils in lediglich achtpoliger Version gefertigt, leistungsfähige Typen können 128 Pins oder mehr besitzen.

Embedded-Mikrocontroller

Embedded-Mikrocontroller im PDIP-28 Gehäuse mit 32 kB Programmspeicher

Embedded-Mikrocontroller dienen der Realisierung von eingebetteten Systemen. Die Mikroprozessortechnik von Steuer- und Zieleinheit ist hier in einem Microcontroller vereint. Anwendungsbeispiele sind Smartphones, Tablets usw.

Anwendungsspezifische Embedded-Mikrocontroller

Embedded Mikrocontroller für den Bereich als USB serieller Port-Controller

Anwendungsspezifische Embedded-Mikrocontroller sind vom Entwickler programmierbar und besitzen hierzu entsprechende Speicherkapazität in Form eines beschreibbaren ROM. Sie ermöglichen individuelle Funktionalitäten auch bereits bei kleineren Stückzahlen.

Digitale Signalprozessoren (DSPs)

Digitaler Signalprozessor mit einer RAM-Größe von 132 kB

Digitale Signalprozessoren (DSPs) bearbeiten mit hoher Geschwindigkeit digitale oder analoge Signale. Ihr spezialisiertes Einsatzgebiet in der Mikroprozessortechnik sind digitale Signalprozesse wie beispielsweise die Audio- und Videotechnik, Datenübertragungen, Spracherkennung, Echounterdrückung, Sprachsynthese und Signalanalysen in Oszilloskopen und Spektrumanalysatoren.

myAVR Mikrocontroller-Lernsysteme

myAVR Board mit einer 8-bit Architektur und einem USB-Anschluss

myAVR Mikrocontroller-Lernsysteme sind Lern- und Experimentiersysteme, die auf Mikrocontroller vom Typ Atmel abgestimmt sind. Auf den AVR Experimentierboards sind jeweils ein Programmer sowie eine Kommunikationsschnittstelle zum PC integriert, womit sie eine komplette Entwicklungsumgebung zur Verfügung stellen. Erhältlich sind verschiedene AVR Starterkits, Software, Prozessoren sowie weitere Einzelkomponenten wie Lautsprecherboards, LC-Anzeigen, Erweiterungssteckkarten und zusätzlichen Schnittstellen für verschiedene Kommunikationsprotokolle

Kaufkriterien für Mikrocontroller, Mikroprozessoren und Quarze - worauf kommt es an?

Bedrahtete Quarze lohnen sich, ebenso wie Quarze in SMD-Bauform, insbesondere dann, wenn es um größere Stückzahlen geht und der Entwicklungsaufwand der zum Betrieb notwendigen Außenbeschaltung damit gerechtfertigt ist. Gegenüber Quarzoszillatoren haben sie leichte preisliche Vorteile. Keramik-Resonatoren weisen gegenüber Quarzen und Quarzoszillatoren eine geringere Frequenzstabilität auf. Allerdings sind sie sehr preiswert, mechanisch sowie elektrisch robust und für viele Anwendungen durchaus ausreichend.

Unser Praxistipp: ESD-Schutz

Wie die meisten anderen modernen Halbleiter sind Mikrocontroller und Mikroprozessoren empfindlich gegen elektrostatische Entladungen (ESD). Bei den immer feineren Strukturen der Prozessoren reichen mittlerweile teils bereits einige Volt Überspannung zu dessen Zerstörung oder Beschädigung aus. Diese geringen Entladungen sind nicht spürbar für den Menschen, können an den Bauteilen aber großen Schaden anrichten. Beim Handling sollten die einschlägigen Vorschriften zum ESD-Schutz deshalb sorgfältig berücksichtigt werden, zumal sich – je nach Ausführung des Mikrocontrollers – eine Reparatur der Schaltung durch Aus- und Einlöten äußerst schwierig gestalten kann.

  

FAQ - häufig gestellte Fragen zu Mikrocontrollern, Mikroprozessoren und Quarze

Welche Vorteile bietet ein Quarzoszillator?

Quarzoszillatoren sind anschlussfertige Einheiten, die nach dem Anlegen der passenden Betriebsspannung eine Taktfrequenz an Ihrem Ausgang zur Verfügung stellen. Sie benötigen keine zusätzliche Außenbeschaltung, wodurch Entwicklungs- und Erprobungsarbeit für diese entfallen. Es gibt sie auch mit sehr geringen Frequenztoleranzen für anspruchsvolle Applikationen.

Fazit: So kaufen Sie den richtigen Controller oder Prozessor

Neben der passenden Systemarchitektur des Prozessors selbst spielt die Rechenleistung eine wichtige Rolle. Dem entsprechenden Bedarf ist bei der Entwicklung Rechnung zu tragen, auch im Hinblick auf zukünftig steigende Anforderungen im Zuge von etwaigen Funktionserweiterungen und zusätzlichen Software-Funktionalitäten.

Bei programmierbaren Varianten sollte aus den gleichen Gründen auf ausreichenden Speicherplatz Wert gelegt und eine ausreichende Reserve mit eingeplant werden. Besonders bei geringen und mittleren Stückzahlen fällt dies preislich mittlerweile kaum mehr ins Gewicht, kann aber teure Neudesigns ersparen, die möglicherweise ansonsten schon nach kurzer Zeit erforderlich werden könnten.  

Simulationen und Versuchsaufbauten lassen sich sehr einfach und preiswert mit myAVR Mikrocontroller-Lernsystemen realisieren. Teure und zeitintensive Einzelanfertigungen von gedruckten Schaltungen sowie die Implementierung benötigter Schnittstellen und Software entfallen hiermit, notwendige Entwicklungs- und Erprobungszyklen lassen sich damit stark verkürzen.  

Quarze und Keramik-Resonatoren sind preiswert, erfordern aber noch weitere Bauteile. Komplett und platzsparend aufgebaut sind Quarzoszillatoren. Sie sind unproblematisch in ihrem Anschwing- und Betriebsverhalten, da diesbezüglich bereits vom Hersteller perfekt abgestimmt.

Quarz-Oszillator im DIP-14 mit einer Ausgangsspannung von 4.5 V

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