Что такое кварцевый генератор

June 27, 2010 by admin Комментировать »

Точность поддержания частоты в приведенных схемах невысока. Частота «уходит» примерно на 10—^20% при изменении напряжения питания от 5 до 15 В и в достаточно большой степени зависит от температуры (использова­ние высокостабильных резисторов и конденсаторов не поможет, и потому нецелесообразно). Чтобы избавиться от этого, необходимо использовать кварцевый резонатор, в просторечии — просто кварц.

Здесь не место для того, чтобы подробно излагать принципы работы кварце­вого (или реже употребляемого керамического, который обладает несколько меньшей стабильностью) резонатора — это нужно делать в курсе радиотех­ники в сравнении со свойствами колебательного контура. Вкратце дело за­ключается в следующем: если приложить к кварцевому параллелепипеду, выпиленному из целого кристалла в определенной ориентации относительно его осей, напряжение, то кристалл деформируется — очень не намного, но все же достаточно, чтобы на этом принципе даже делать прецизионные ма­нипуляторы для электронных микроскопов или выталкивающие жидкость поршни в струйных принтерах Epson. Это т. и. обратный пьезоэлектриче­ский эффект. Имеет место и противоположный прямой эффект — если такой кристалл деформировать, то у него на гранях появляется разность потенциа­лов — это используется в специальных тензометрических кварцах.

Получается, что если мы включим такой кристалл в схему с обратной связью, то она начнет генерировать, причем частота генерации будет зависеть ис­ключительно от размеров кристалла— и ни от чего больше! Как, спросите вы, даже от температуры не будет зависть? Вот именно — пьезоэлектриков, как называют вещества, ведущие себя подобно кварцу, много, но чаще всего используют именно кварц, так как он помимо пьезоэлектрических свойств обладает еще и одним из самых низких на свете температурных коэффициен­тов расширения.

В результате кварцевые генераторы без каких-либо дополнительных ухищ­рений дают погрешности порядка 10~^—10~^ долей от номинальной частоты. Такие доли обозначаются какррт (part per million), а иногда просто как 10"^. Температурная нестабильность кварцев не превышает долей или единиц ррт. Это значит, что уход часов с таким генератором составляет не более 1 секун­ды в сутки. Правда, для того, чтобы реализовать потенциал кварцевых резо­наторов полностью, нужны специальные схемы включения, иногда довольно громоздкие (обычно их делают на дискретных элементах), но и схемы на цифровых инверторах, приводимые далее, дают результат не хуже примерно 10’"^ во всем диапазоне питающих напряжений и температуры.

На кварцах работают все бытовые электронные часы, и вообще в любом со­временном бытовом электронном устройстве вы обязательно найдете кварц, а иногда и не один. Кварцы выпускают на определенные частоты, при приоб­ретении их следует обращать внимание на возможное отклонение частоты от номинальной, которая может составлять от долей ррт до десятков и даже сотен ррт. Если нужна повышенная точность, то можно приобрести специа­лизированные очень стабильные резонаторы с погрешностью начальной ус­тановки до 10’^ выпускаются и готовые генераторы на разные частоты (осо­бенно большой выбор предлагает фирма, название которой обычно ассоциируется совсем с другими продуктами — Epson, приобретшая в свое время компанию, известную своей часовой торговой маркой Seiko).

Большинство кварцевых генераторов в цифровой технике строят по одной и той же схеме, которая очень проста и требует всего одного инвертора, резистора и двух конденсаторов. Схема эта показана на рис. 16.4, а. Чтобы не перегружать выход (это будет влиять на стабильность) нагружать такой генератор можно только на один-два КМОП-входа, поэтому обычно на вы­ходе ставят еще буферный элемент. Если частота с выхода подается, на­пример, только на вход КМОП-счетчика, то его можно не ставить. Пара­метры всех элементов можно менять в довольно больших пределах — так, емкость конденсаторов может меняться от 10 до 100 пФ (как рассчитать значение емкости более точно, см. «Подробности» далее), причем они не обязательно должны быть одинаковыми— изменением С1 можно под­страивать частоту в пределах 4—5 знака после запятой. Сопротивление ре­зистора R1 может меняться от 1 до 20 МОм, R2 — от нуля до сотен килоом (меньшие значения при более высокочастотных кварцах). Схема потребля­ет несколько десятков микроампер при напряжении питания 5 В и устойчи­во работает для кварцев с частотами от десятков килогерц до 1 МГц для «классической» КМОП и до 10 МГц для КМОП-элементов из быстродейст­вующих серий. Правда, с некоторыми старыми отечественными кварцами (вроде РК-72) могут быть проблемы.

clip_image002

Рис. 16.4. Схемы кварцевых генераторов на КМОП-элементах

Инвертор, естественно, может представлять собой и просто инвертор, и мно­говходовой логический элемент с объединенными входами. Во втором слу­чае один из входов можно использовать для запуска и остановки генерации, как в схеме на рис. 16.2, б.

Подробности

Конденсаторы С1 и С2 в схеме на рис. 16.4, а рассчитывают, исходя из номи­нальной емкости нагрузки С„, которая указывается для каждого кварцевого ре­зонатора. Если она неизвестна, то можно ориентироваться на значение 12,5 пФ для «часовых» кварцев и на значение 16—32 пФ для кварцев частотой 1—16 МГц. Номинал С каждого из конденсаторов (при условии их равенства) можно рассчитать по приблизительной формуле С = 2Сн – 10 пФ, где 10 пФ — «среднепотолочное» значение емкости монтажа плюс емкости входа-выхода инвертора. Таким образом, для «часовых» кварцев эти емкости должны быть порядка 15 пФ, а для более высокочастотных — 22—5бпФ. Для микросхем вроде часов реального времени, где конденсаторы уже имеются в составе микросхемы, указывается номинальная нагрузочная емкость внешнего квар­цевого резонатора. Правильно подобранное значение емкости гарантирует более точное соответствие частоты генератора номинальной, но это не зна­чит, что при других значениях емкости генератор не заработает: чем больше значение емкостей, тем больше и потребляет схема, но и тем бьютрее она «заводится». Указанные на схеме значения 22 пФ оптимальны, если использо­вать резонатор «не глядя».

Кварцевые резонаторы имеют предельно допустимую мощность рассеяния, которая невелика — от 1—3 мкВт для «часовых» кварцев в цилиндрических корпусах 6×2 или 8×3 мм, до 30—50 мкВт в низких прямоугольных корпусах (HC-49S) и 1—2 мВт для кварцев в стандартных прямоугольных корпусах типа HC-49U. Превышение допустимой мощности еще не означает выхода резона­тора из строя (хотя может случиться и такое: смотря насколько превысить), но стабильность генератора снижается. Значение рассеиваемой мощности на кристалле W можно грубо прикинуть, исходя из падения напряжения на резо­наторе: И/= (Ук/к, где /к — ток через резонатор, который определяется в основ­ном резистором R2. Его величина подчитывается, исходя из напряжения на выхо/^е инвертора и^ых’. k = U^bJRi = U^J2R2 (делитель 2 появляется, так как на выходе мы имеем меандр, а не постоянное напряжение). Рассчитать (Ук. форма которого близка к синусоидальной, непросто, но можно померить экс­периментально: для «часового» кварца в схеме по рис. 16.4, а его действую­щее значение равно примерно 0,05 от напряжения питания. Итого при номи­налах резисторов и конденсаторов, близких к указанным на схеме, мощность на «часовом» резонаторе составляет около 1 мкВт при напряжении питания 5 В и линейно растет с напряжением питания, поэтому при 15 В самые миниа­тюрные кварцы лучше не ставить.

Недостатком схемы на рис. 16.4, а является то, что на низких частотах она достаточно долго «заводится» при включении — установление режима для «часового» кварца 32 768 Гц может занимать секунды, в зависимости от зна­чения емкостей, и в это время схема потребляет довольно большой ток — до 15 мА. Этого недостатка лишена более сложная схема на рис. 16.4, б, кото­рая, однако, работает только при частотах в десятки килогерц, то есть ориен­тирована на «часовые» кварцы. Потребление такой схемы при напряжении питания 3,3 В и использовании указанных на схеме элементах серии 74НС составляет 180 мкА (3 мА в момент включения), а время выхода на режим при включении питания или подаче разрешающего высокого уровня на вход «Пуск/Стоп» не превышает 0,2—0,3 с. При отключении подачей низкого уровня на вход «Пуск/Стоп» схема потребляет меньше 1 мкА. В этой схеме резонатор работает в более щадящем режиме, чем в схеме на рис. 16.4, а.

Специально для измерения температуры выпускают термочувствительные кварцы, обладающие чувствительностью порядка 50—90 ррт изменения час­тоты на каждый градус изменения температуры. Кварцы эти бывают на раз­ные частоты: 30—40 кГц, 5 МГц, 10—40 МГц и пр. Если заменить в схеме на рис. 16.4, б «часовой» кварц аналогичным термочувствительным (например, отечественным РКТ-206 с частотой 32,7 кГц), то получится отличный мало­потребляющий датчик температуры с частотным выходом и отрицательным наклоном зависимости частоты от температуры. Зависимость эту для быто­вых применений можно считать линейной, однако для прецизионных изме­рений температуры (для чего, собственно, такие кварцы и выпускают) при­ходится ее аппроксимировать полиномом 2-й и даже 3-й степени.

Заметки на полях

Кстати, мало кто знает, но в случае, если под рукой нет подходящего кварца, то схему на рис. 16.4, а вполне можно «завести», просто заменив резонатор малогабаритной индуктивностью. То же относится и к встроенным генерато­рам микроконтроллеров, которые строятся по аналогичной схеме. Частоту можно фубо прикинуть, если учесть, что постоянная времени LC-контура рав­на VZc, причем в качестве величины С нужно подставить сумму емкостей обоих конденсаторов, тогда частота будет примерно равна единице, деленной на удвоенную величину этой постоянной. Естественно, главное преимущество кварца — высокая стабильность — при этом пропадет, зато можно менять час­тоту, в том числе и плавно.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты