Кварцевый генератор принцип работы

Кварцевый резонатор

Кварцевый генератор принцип работы

На самом деле, кварц  – это один из самых распространенных минералов  в земной коре. Его доля составляет около 60%! Если полупроводниковые радиокомпоненты в основном делают из кремния, то кварц также состоит из кремния но в связке с кислородом. Его формула SiO2.

Выглядит он примерно вот так:

Ну прямо сокровище какое-то!

Но сокровище спрятано не в самом кварце, а в том, каким свойством он обладает. И этот эффект кварца сделал революцию в прецизионной (точной) электронике…

Еще в 19 веке два брата Кюри обнаружили интересное свойство некоторых твердых кристаллов генерировать ЭДС , деформируя эти кристаллы.

Существует также и обратный эффект, то есть при подаче напряжения мы можем деформировать эти кристаллы. Невооруженным глазом это практически не заметно. Такой эффект называется пьезоэффектом, а вещества  –  пьезоэлектриками.

ЭДС возникает только в процессе сжатия или растяжения. Может быть вы подумали, прижать такой кристалл и всю жизнь получать из него энергию? Побрейтесь).

Кстати, пьезоизлучатель тоже относится к пьезоэлектрикам и из него можно получить ЭДС. Ниже на видео светодиод, подпаянный к пьезоизлучателю.

Когда мы давим на пьезоизлучатель, вырабатывается ЭДС, которая и зажигает маленький светодиод:

Не так давно смотрел фильм по

Так вот, кристаллы кварца тоже обладают пьезоэффектом и способны также вырабатывать ЭДС или деформироваться (изгибаться, изменять форму) под воздействием электрического тока.

Резонатор – (от лат.

resono –  звучу в ответ, откликаюсь) – это система, которая способна совершать колебания с максимальной амплитудой, то есть резонировать, при воздействии внешней силы определенной частоты и формы.

Получается, кварцевый резонатор в электронике, а в народе просто “кварц”, – это радиоэлемент, который способенрезонировать, если на него подать переменный ток определенной частоты и формы.

Кварцевые резонаторы выглядят в основном вот так:

Разобрав кварцевый резонатор, можно увидеть воочию сам кристалл кварца. Давайте вскроем кварц советского производства вот в таком корпусе:

Итак, что мы тут видим? Прозрачный кристалл кварца, размещенный между двумя металлическими пластинками, к которым подпаяны выводы самого кварца.

В маленьких кварцах типа этих

используются тонкие прямоугольные пластинки кварца. Здесь правило такое: чем больше толщина пластинки, тем ниже рабочая частота кварца.

Поэтому, самые высокие частоты, на которые делают кварцы, составляет не более 50 Мегагерц, так как пластинка получается очень тонкая, что создает трудности при ее изготовлении. Да и держать ее как-то надо в корпусе, не поломав.

По идее, можно выжать из кварца частоту и до 200 Мегагерц, но работать такой кварц будет на обертоне.

Что такое обертоны

Обертоны, или как еще их называют, моды или гармоники – это кратные частоты, выше основной частоты кварца. С помощью фильтров гасят основную частоту кварца и выделяют обертон. В кварцевом резонаторе в режиме обертонов используют нечетные обертоны.

Если основная частота кварца F – это первый обертон, то его рабочие обертоны будут как 3F, 5F, 7F, 9F.

  Стоит также отметить, что амплитуда обертона убывает с ростом его частоты, поэтому далее 9 обертона смысла брать уже нет, так как выделять амплитуду маленького сигнала очень трудно.

Пример: возьмем кварц с частотой в 10 Мегагерц. Тогда мы можем возбудить его на обертонах в 30 Мегагерц (третий обертон), в 50 Мегагерц (пятый обертон), в 70 Мегагерц (седьмой обертон) и максимум в 90 Мегагерц (девятый обертон).

Чтобы хоть как-то понять, что такое обертоны, для примера послушайте основную частоту 110 Герц и ее обертоны.

Схема, которая возбуждает кварц на обертонах, сложная и не очень надежная, так как во-первых, надо “давить” главную частоту кварца и выделять обертон, а во-вторых, кварц может возбудиться в режиме случайных колебаний. На практике все-таки делают схемы с умножением главной частоты кварца, что намного проще и надежнее.

Обозначение кварца на схеме

Кварц является диэлектриком.

А что будет если тонкий диэлектрик разместить между двумя металлическими пластинами? Получится конденсатор! Конденсатор получается очень маленькой емкости, так что замерить его емкость вряд ли получится.

Зато не стали мудрить со схемотехническим обозначением кварца, и на схемах его показывают как прямоугольный кусочек кристалла, заключенный между двумя пластинками конденсатора:

Принцип работы кварца

Очень много мифов ходит по интернету именно  о кварцевом резонаторе. Самый популярный миф гласит так: если подать постоянное напряжение на кварцевый резонатор, он будет выдавать переменное напряжение с частотой, которая на нем указана.

Насчет “частоты, указанной на нем”, я, может быть, соглашусь, но насчет постоянного напряжения – увы. Кристалл кварца просто сожмется или разожмется). Некоторые вообще до сих пор думают, что кварц сам по себе выдает переменный ток ) Ага).

Для того, чтобы понять принцип работы кварцевого резонатора, надо рассмотреть его эквивалентную схему:

С – это собственно емкость между обкладками конденсатора. То есть если убрать кристалл кварца, то останутся две пластины и их выводы. Именно они и обладают этой емкостью.

С1 – это динамическая емкость самого кристалла. Динамическая – это значит проявляется при работе кварца. Ее значение несколько фемтоФарад. Фемто – это 10-15 !

L1 – это динамическая индуктивность кристалла. Она может достигать несколько тысяч Генри!

R1 – динамическое сопротивление, при работе кварца может достигать от нескольких Ом и до нескольких КилоОм

Можно заметить, что С1, L1 и R1 образуют последовательный колебательный контур, который обладает своей резонансной частотой.

Принцип работы кварцевого резонатора такой: если к обкладкам кварцевого резонатора подвести переменное напряжение, то  его пластинка начнет колебаться с частотой подведенного напряжения.

Если подведенная частота  будет совпадать с собственной резонансной частотой колебания кварца, то наступит резонанс. Напряжение на обкладка кварца резко возрастает.

В этом случае кварцевый резонатор ведет себя, как настроенный на определенную частоту колебательный контур с очень высокой добротностью.

Каждый кварц имеет разные частоты последовательного и параллельного резонанса. Если мы видим на кварце вот такую надпись

это говорит нам о том, что на частоте последовательного резонанса мы можем возбудить этот кварц на частоте 8 Мегагерц. В основном кварц работает на частоте последовательного резонанса.

Здесь также есть еще одно правило: если частота маркируется в целых числах в Килогерцах – это работа на основной гармонике, а если в Мегагерцах через запятую – это обертонная гармоника.

Например: РГ-05-18000кГц – резонатор для работы на основной частоте, а РГ-05-27,465МГц – для работы на 3-ем обертоне.

И запомните раз и навсегда:

Также рекомендую к прочтению продолжение статьи, которая называется кварцевый генератор.

Принцип работы кварцевого резонатора

Принцип работы кварцевого резонатора целиком и полностью опирается на пьезоэлектрический эффект. Основой любого кварцевого резонатора является пластинка из кварца.

Кварц – это одна из разновидностей кремнезема SiO2. Для изготовления резонаторов пригоден только лишь низкотемпературный кварц, который обладает пьезоэлектрическими свойствами.

В природе такой кварц встречается в виде кристаллов и бесформенной гальки.

Кристалл кварца

Химически кварц очень устойчив и не растворяется ни в одной из кислот, за исключением плавиковой. Также кварц очень твёрдый. На шкале твёрдости он занимает седьмое место из десяти.

Чтобы изготовить кварцевую пластинку берётся кристалл кварца и из него под определённым углом вырезается пластинка. От угла, под которым происходит срез, зависят электромеханические свойства кварцевой пластины. Тип среза существенно влияет на температурную стабильность, количество паразитных резонансов, резонансную частоту.

Далее на две стороны кварцевой пластины наносят металлизированный слой (из серебра, никеля, золота или платины) и посредством жёстких проволочных контактов закрепляют в кварцедержателе. Всю эту конструкцию помещают в герметичный корпус.

Кварцевый резонатор является электромеханической колебательной системой. Как известно, любая колебательная система обладает своей резонансной частотой.

У кварцевого резонатора также есть своя номинальная резонансная частота.

Если приложить к кварцевой пластине переменное напряжение, которое совпадает с резонансной частотой самой кварцевой пластины, то происходит резонанс частот и амплитуда колебаний резко возрастает.

При резонансе электрическое сопротивление резонатора уменьшается. В результате получается эквивалент последовательной колебательной системы. Поскольку потери энергии в кварцевом резонаторе очень малы, то он фактически представляет собой электрический колебательный контур с очень большой добротностью.

Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора изображена на рисунке.

Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора

Здесь С0 – это постоянная (статическая) ёмкость образующаяся за счёт металлических пластин-электродов и держателя. Последовательно соединённые индуктивность L1,конденсатор С1 и активное сопротивление Rакт. отражают электромеханические свойства кварцевой пластинки. Как видим, если отбросить ёмкость монтажа и кварцедержателя С0, то получиться последовательный колебательный контур.

При монтаже кварцевого резонатора на печатную плату стоит позаботиться о том, чтобы не перегреть его. Эта рекомендация наверняка связана с тем, что конструкция кварцевого резонатора довольно тонкая. Температурный перегрев может вызвать деформацию кварцедержателя и пластинок-электродов. Естественно, всё это может отразиться на качестве работы резонатора в схеме.

Также известно, что если кварц нагреть свыше 5730 С, то он превращается в высокотемпературный кварц и лишается своих пьезоэлектрических свойств. Конечно, довести температуру кварца до такой температуры оборудованием для пайки нереально.

На принципиальных схемах и в технической документации кварцевый резонатор обозначается наподобие конденсатора, только между пластинами добавлен прямоугольник, который символизирует пластинку кварца. Рядом с графическим изображением указывается буква Z или ZQ.

Условное обозначение кварцевого резонатора на схемах

Как проверить кварцевый резонатор?

Многие начинающие радиолюбители задаются вопросом: “Как проверить кварцевый резонатор?”

К сожалению, достоверно проверить кварцевый резонатор можно только заменой. Причиной неисправности кварцевого резонатора может быть сильный удар либо падение электронного прибора, в котором он был установлен.

Поэтому если есть подозрение в исправности кварцевого резонатора, то его стоит заменить новым.

К счастью в практике ремонта неисправность кварцевого резонатора встречается редко, конечно, есть и исключения, но они относятся к портативной электронике, которую частенько роняют.

Более подробную информацию о кварцевых резонаторах вы узнаете из книги, которую найдёте здесь.

» Радиоэлектроника для начинающих » Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

Что такое кварцевый резонатор и как он работает?

Кварцевый генератор принцип работы

› Электрооборудование ›

19.07.2018

Кварцевый резонатор является электронным прибором, построенным на пьезоэффекте, а также механическом резонансе. Применяется радиостанциями, где задает несущую частоту, в часах и таймерах, фиксируя в них интервал в 1 секунду.

Что это такое, и зачем он нужен

Прибор является источником, обеспечивающим гармонические колебания высокой точности. Имеет, при сравнении с аналогами, большую эффективность работы, стабильные параметры.

Первые образцы современных устройств появились на радиостанциях в 1920-1930 гг. как элементы, имеющие стабильную работу, способные задавать несущую частоту. Они:

  • пришли на смену кристальным резонаторам, работавшим на сегнетовой соли, появившимся в 1917 в результате изобретения Александра М. Николсона и отличавшимся нестабильностью;
  • заменили использовавшуюся ранее схему с катушкой и конденсатором, которая не отличалась большой добротностью (до 300) и зависела от температурных изменений.

Чуть позже кварцевые резонаторы стали составной частью таймеров, часов. Электронные компоненты с собственной резонансной частотой 32768 Гц, которая в двоичном 15-разрядном счетчике задает временной промежуток равный 1 секунде.

Приборы используются сегодня в:

  • кварцевых часах, обеспечивая им точность работы независимо от температуры окружающей среды;
  • измерительных приборах, гарантируя им высокую точность показателей;
  • морских эхолотах, которые применяются при исследованиях и создании карт дна, фиксации рифов, отмелей, поиска объектов, находящихся в воде;
  • схемах, соответствующих опорным генераторам, синтезирующим частоты;
  • схемах, применяемых при волновом указании SSB или сигнала телеграфа;
  • радиостанциях с DSB-сигналом с промежуточной частотой;
  • полосовых фильтрах приемников супергетеродинного типа, которые более стабильны и добротны, чем LC-фильтры.

Устройства изготавливаются с разными корпусами. Делятся на выводные, применяемые в объемном монтаже, и SMD, используемые в поверхностном монтаже.

Их работа зависит от надежности схемы включения, влияющей на:

  • отклонение частоты от необходимого значения, стабильность параметра;
  • темп старения прибора;
  • нагрузочную емкость.

Свойства кварцевого резонатора

Превосходит ранее существовавшие аналоги, что делает прибор незаменимым во многих электронных схемах и объясняет сферу использования устройства. Это подтверждается тем, что за первое десятилетие с момента изобретения в США (не считая другие страны) выпущено больше 100 тыс. штук приборов.

Среди положительных свойств кварцевых резонаторов, объясняющих популярность, востребованность устройств:

  • хорошая добротность, значения которой — 104-106 — превышают параметры ранее использовавшихся аналогов (имеют добротность 300);
  • небольшие габариты, которые могут измеряться долями миллиметра;
  • устойчивость к температуре, ее колебаниям;
  • долгий срок службы;
  • простота изготовления;
  • возможность построения каскадных фильтров высокого качества без использования ручной настройки.

Кварцевые резонаторы имеют и недостатки:

  • внешние элементы позволяют подстраивать частоту в узком диапазоне;
  • обладают хрупкой конструкцией;
  • не переносят чрезмерного нагрева.

Поиск данных по Вашему запросу:

Кварцевый генератор принцип работы

В этой статье поговорим об устройстве кварцевых часов и кварцевом резонаторе. Возможно, это будет довольно сложная тема для понимания.

Прошу заметить, что в статье рассматривается принцип работы кварцевых часов не на примере существующего механизма а на примитивной абстрактной и грубой модели, показывающей только суть работы большинсва электронных и кварцевых часов.

В этой статье хочется развеять неточности касательно устройства схемы кварцевых часов, которые я встречал на других ресурсах, но об этом чуть ниже. Тут кажется все просто, электронный блок подает электрический импульс на катушки статора и ротор делает оборот равный одной секунде.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.
По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Принцип работы кварцевых часов!

кварцевый генератор

Если полупроводниковые радиокомпоненты в основном делают из кремния, то кварц также состоит из кремния но в связке с кислородом. Его формула SiO 2. Выглядит он примерно вот так:. Ну прямо сокровище какое-то!

Но сокровище спрятано не в самом кварце, а в том, каким свойством он обладает. И этот эффект кварца сделал революцию в прецизионной точной электронике…. Еще в 19 веке два брата Кюри обнаружили интересное свойство некоторых твердых кристаллов генерировать ЭДС , деформируя эти кристаллы.

Существует также и обратный эффект, то есть при подаче напряжения мы можем деформировать эти кристаллы. Невооруженным глазом это практически не заметно.

ЭДС возникает только в процессе сжатия или растяжения. Может быть вы подумали, прижать такой кристалл и всю жизнь получать из него энергию? Кстати, пьезоизлучатель тоже относится к пьезоэлектрикам и из него можно получить ЭДС. Ниже на видео светодиод, подпаянный к пьезоизлучателю. Когда мы давим на пьезоизлучатель, вырабатывается ЭДС, которая и зажигает маленький светодиод:.

Не так давно смотрел фильм по National Geographic. Там целые пьезоэлектрические плиты устанавливали на дороге. По ним ходили люди и вырабатывали электрическую энергию, сами того не подозревая.

Кстати, очень халявная, чистая и возобновляемая энергия.

Ладно, что-то отвлекся… Так вот, кристаллы кварца тоже обладают пьезоэффектом и способны также вырабатывать ЭДС или деформироваться изгибаться, изменять форму под воздействием электрического тока.

Резонатор — от лат. Кварцевые резонаторы выглядят в основном вот так:. Разобрав кварцевый резонатор, можно увидеть воочию сам кристалл кварца. Давайте вскроем кварц советского производства вот в таком корпусе:.

Итак, что мы тут видим? Прозрачный кристалл кварца, размещенный между двумя металлическими пластинками, к которым подпаяны выводы самого кварца. В маленьких кварцах типа этих.

Здесь правило такое: чем больше толщина пластинки, тем ниже рабочая частота кварца.

Поэтому, самые высокие частоты, на которые делают кварцы, составляет не более 50 Мегагерц, так как пластинка получается очень тонкая, что создает трудности при ее изготовлении.

Да и держать ее как-то надо в корпусе, не поломав. По идее, можно выжать из кварца частоту и до Мегагерц, но работать такой кварц будет на обертоне.

Обертоны, или как еще их называют, моды или гармоники — это кратные частоты, выше основной частоты кварца.

С помощью фильтров гасят основную частоту кварца и выделяют обертон. В кварцевом резонаторе в режиме обертонов используют нечетные обертоны.

Если основная частота кварца F — это первый обертон, то его рабочие обертоны будут как 3F, 5F, 7F, 9F.

Стоит также отметить, что амплитуда обертона убывает с ростом его частоты, поэтому далее 9 обертона смысла брать уже нет, так как выделять амплитуду маленького сигнала очень трудно.

Пример: возьмем кварц с частотой в 10 Мегагерц. Тогда мы можем возбудить его на обертонах в 30 Мегагерц третий обертон , в 50 Мегагерц пятый обертон , в 70 Мегагерц седьмой обертон и максимум в 90 Мегагерц девятый обертон.

Чтобы хоть как-то понять, что такое обертоны, для примера послушайте основную частоту Герц и ее обертоны. На практике все-таки делают схемы с умножением главной частоты кварца, что намного проще и надежнее.

Кварц является диэлектриком.

А что будет если тонкий диэлектрик разместить между двумя металлическими пластинами? Получится конденсатор! Конденсатор получается очень маленькой емкости, так что замерить его емкость вряд ли получится. Зато не стали мудрить со схемотехническим обозначением кварца, и на схемах его показывают как прямоугольный кусочек кристалла, заключенный между двумя пластинками конденсатора:.

Самый популярный миф гласит так: если подать постоянное напряжение на кварцевый резонатор, он будет выдавать переменное напряжение с частотой, которая на нем указана. Кристалл кварца просто сожмется или разожмется.

Некоторые вообще до сих пор думают, что кварц сам по себе выдает переменный ток Ага. Для того, чтобы понять принцип работы кварцевого резонатора, надо рассмотреть его эквивалентную схему:. С — это собственно емкость между обкладками конденсатора.

То есть если убрать кристалл кварца, то останутся две пластины и их выводы.

Именно они и обладают этой емкостью. С1 — это динамическая емкость самого кристалла. Динамическая — это значит проявляется при работе кварца. Ее значение несколько фемтоФарад. Фемто — это 10 ! L1 — это динамическая индуктивность кристалла.

Она может достигать несколько тысяч Генри! R1 — динамическое сопротивление, при работе кварца может достигать от нескольких Ом и до нескольких КилоОм.

Можно заметить, что С1, L1 и R1 образуют последовательный колебательный контур , который обладает своей резонансной частотой.

Напряжение на обкладка кварца резко возрастает. В этом случае кварцевый резонатор ведет себя, как настроенный на определенную частоту колебательный контур с очень высокой добротностью. Каждый кварц имеет разные частоты последовательного и параллельного резонанса. Если мы видим на кварце вот такую надпись. В основном кварц работает на частоте последовательного резонанса.

Здесь также есть еще одно правило: если частота маркируется в целых числах в Килогерцах — это работа на основной гармонике, а если в Мегагерцах через запятую — это обертонная гармоника. И запомните раз и навсегда:.

Также рекомендую к прочтению продолжение статьи, которая называется кварцевый генератор. Кварцевый резонатор. Оглавление 1 Что такое кварц 2 Кварцевый резонатор 3 Что такое обертоны 4 Обозначение кварца на схеме 5 Принцип работы кварца. Популярные статьи Sprint Layout 6.

Как проверить конденсатор мультиметром Светильник на дачу своими руками Как определить фазу.

Кварцевый резонатор – структура, принцип работы, как проверить

Кварцевый генератор принцип работы

Резонатором называют систему способную на колебательные движения с максимальной амплитудой при определённых условиях.

Кварцевый резонатор – пластина из кварца, обычно в форме параллелепипеда, действует так при подаче переменного тока (частота для разных пластин различна). Рабочую частоту этой детали определяет её толщина.

Зависимость здесь обратная. Наибольшую частоту (не превышающую при том 50 МГц) имеют самые тонкие пластины.

В редких случаях можно добиться частоты в 200 МГц. Это допустимо только при работе на обертоне (неосновной частоте, превышающей основной показатель). Специальные фильтры способны погасить основную частоту кварцевой пластины и выделить кратную ей обертоновую.

Для работы подходят только нечётные гармоники (другое название обертонов). К тому же, при их использовании показания по частоте увеличиваются на более низких амплитудах. Обычно максимальным становится девятикратное уменьшение высоты волны. Далее засечь изменения становится затруднительно.

Кварц относится к диэлектрикам.

В комбинации с парой металлических электродов он превращается в конденсатор, но его ёмкость мала и нет смысла её замерять. На схеме эта деталь отображается как кристаллический прямоугольник между пластинами конденсатора. Кварцевой пластине, как и иным упругим телам, свойственно наличие собственной резонансной частоты, зависящей от её размера.

Пластины малой толщины имеют более высокую резонансную частоту. Как итог: необходимо лишь выбрать пластину с такими параметрами, при которых частота механических колебаний совпадала бы с приложенной к пластине частотой переменного напряжения.

Кварцевая пластина, пригодна только при использовании переменного тока, поскольку постоянный ток может спровоцировать лишь единичное сжатие или разжатие.

В результате очевидно, что кварц является весьма простой резонансной системой (со всеми свойствами, присущими для колебательных контуров), но это вовсе не снижает качество его работы.

Кварцевый резонатор является даже более действенным. Показатель добротности у него составляет 105 – 107. Резонаторы из кварца увеличивают общий срок службы конденсатора за счёт своей температурной устойчивости, долговечности и технологичности. Удобства в применении добавляют и небольшие размеры деталей. Но самое главное достоинство – способность обеспечивать стабильную частоту.

К числу минусов относят лишь узость диапазона сонастройки имеющейся частоты с частотой внешних элементов.

В любом случае, кварцевые резонаторы весьма популярны, и используются в часах, многочисленной радиоэлектронике и иных приборах. В некоторых странах кварцевые пластины устанавливаются прямо на тротуарах, а люди продуцируют энергию просто ходя туда и обратно.

Принцип работы

Функции кварцевого резонатора обеспечиваются пьезоэлектрическим эффектом. Данное явление провоцирует возникновение электрического заряда в случае, если происходит механическая деформация некоторых типов кристаллов (из природных сюда относят кварц и турмалин).

Сила заряда при этом находится в прямой зависимости от силы деформации. Это называют прямым пьезоэлектрическим эффектом. Суть обратного пьезоэлектрического эффекта заключается в том, что если на кристалл воздействовать электрическим полем, он будет деформироваться.

Проверка работоспособности

Существует несколько несложных методов проверки состояния кварца в механизме. Вот пара из них:

  •  Чтобы достаточно точно определить состояние резонатора, потребуется подсоединить к генератору на выход осцилограф или частометр. Требуемые данные можно будет вычислить при помощи фигур Лиссажу. Однако, при подобных обстоятельствах возможно непреднамеренное возбуждение колебательных движений кварца как на обертонических, так и на основных частотах. Это может создавать неточность замеров. Такой метод может быть использован в диапазоне от 1 до 10 МГц.
  •  Частота работы генератора зависит от кварцевого резонатора. При подаче энергии генератор продуцирует импульсы, совпадающие с частотой основного резонанса. Череда этих импульсов пропускается через конденсатор, который отсеивает постоянный компонент, оставляя только обертоны, а сами импульсы передаются аналоговому частометру. Его легко можно сконструировать из двух диодов, конденсатора, резистора и микроамперметра. В зависимости от показаний по частоте будет изменяться и напряжение на конденсаторе. Данный метод тоже не отличается точностью и может применятся только в диапазоне от 3 до 10 МГц.

В целом, достоверную проверку кварцевых резонаторов можно осуществлять только при их замене. Да и подозревать поломку резонатора в механизме стоит только в самом крайнем случае. Хотя к портативной электронике, подверженной частым падениям, это не относится.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта Электронщик, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Делитесь информацией в соцсетях, ставьте лайки, если вам понравилось – это поможет развитию канала

Выбор правильного генератора для вашего микроконтроллера

Кварцевый генератор принцип работы

Внутренний или внешний? Кварц или керамика? Кварцевый генератор или кремниевый генератор? Так много вариантов тактовой синхронизации… какой из них подойдет для вашего проекта?

Варианты генерирования тактового сигнала

Каждому микроконтроллеру нужен источник тактового сигнала. Процессор, шина памяти, периферия – тактовые сигналы находятся внутри микроконтроллера. Они определяют скорость, с которой процессор выполняет инструкции, скорость передачи сигналов по последовательной связи, количество времени, необходимое для выполнения аналого-цифрового преобразования, и многое другое.

Всё это тактирующее действие приводит к источнику тактового сигнала, а именно к генератору.

Поэтому вам необходимо убедиться, что ваш генератор сможет поддерживать любую производительность, которую вы ожидаете от своего микроконтроллера.

Однако, в то же время некоторые варианты генераторов более сложны или дороги, по сравнению с другими. Поэтому ваш выбор генератора должен также основываться на важности снижения затрат и сложности, когда это возможно.

Существует довольно много способов формирования тактового сигнала для микроконтроллера.

Техническое описание для вашего конкретного устройства должно содержать достаточно много информации о том, какие типы генераторов вы можете использовать, и как реализовать их таким образом, чтобы это было совместимо с аппаратным обеспечением устройства.

В данной статье основное внимание будет уделено преимуществам и недостаткам различных источников тактовых импульсов, чтобы вы могли осмысленнее сделать выбор среди вариантов генераторов, описанных в техническом описании на ваш микроконтроллер.

Итак, давайте начнем со списка, а затем обсудим каждый вариант:

  • внутренний:
    • обычно (насколько я знаю, всегда) схема резистор-конденсатор;
    • петля фазовой автоподстройки частоты с дальнейшим умножением частоты;
  • внешний:
    • генератор на CMOS логике;
    • кварцевый резонатор;
    • керамический резонатор;
    • резистор-конденсатор;
    • только конденсатор.

Внутренние генераторы: принцип KIS

Я сторонник принципа KIS («Keep it simple», «не усложняй»), следовательно, я высоко ценю внутренние генераторы и призываю вас использовать внутренний генератор, когда это возможно. Внешние компоненты не требуются.

Вы можете смело предположить, что частота соответствует выбранной, поскольку генератор был разработан теми же людьми, что всё остальное в микроконтроллере.

Кроме того, основные технические характеристики – например, начальная точность, коэффициент заполнения (скважность), зависимость от температуры – (будем надеяться) указаны непосредственно в техническом описании.

Основным недостатком внутренних генераторов является малые точность и стабильность частоты.

Частота зависит от значений пассивных компонентов, составляющих схему генератора, а допуски для значений этих пассивных компонентов не особенно жесткие.

Кроме того, на емкость и сопротивление влияет температура окружающей среды, поэтому внутренние RC-генераторы подвержены температурному дрейфу, то есть изменения температуры приводят к изменениям частоты.

По моему опыту, многие приложения могут терпеть недостатки внутреннего генератора, особенно когда частота была откалибрована на заводе.

В старых микроконтроллерах частота внутреннего генератора может иметь допуск до ±20%.

Однако более новое устройство может дать вам точность ±1,5% (или лучше), что достаточно точно для связи по RS-232 и даже (в сочетании со схемой восстановления тактового сигнала) для USB.

Другим способом расширения возможностей внутреннего генератора является ручная «подстройка» – если у вашего микроконтроллера есть регистр подстройки/калибровки, вы можете регулировать частоту, изменяя значение в этом регистре. Это очень практичный метод для небольших проектов: просто измерьте тактовую частоту с помощью осциллографа или частотомера, а затем, соответствующим образом, подстройте генератор.

Разновидностью внутреннего генератора является использование петли фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ, PLL). ФАПЧ позволяет низкокачественному высокочастотному внутреннему генератору извлекать выгоду из стабильности и точности внешнего генератора.

В целом, ФАПЧ не помогает вам избежать внешних компонентов, поскольку для нее требуется эталонный тактовый сигнал, который обычно получают с помощью кварцевого резонатора.

Тем не менее, если у вас где-то на плате есть высококачественный тактовый сигнал, но вы не хотите использовать его для микроконтроллера, потому что он слишком медленный, вы можете использовать PLL, чтобы умножить этот тактовый сигнал до приемлемой частоты.

Генератор на CMOS логике

Другой простой способ синхронизации – это так называемый «генератор CMOS логике», который подпадает под категорию «из-за отсутствия лучшего термина». «Генератор CMOS логике» – расплывчатый (хотя и удобный) способ обращения к любому тактовому сигналу, создаваемому каким-либо другим компонентом на плате.

Генератор CMOS логике – это отличный вариант, если в вашем проекте уже есть генератор тактового сигнала с 1) подходящей частотой и 2) электрическими характеристиками, совместимыми с входной CMOS схемой тактового сигнала микроконтроллера.

Однако часто это не так, поэтому давайте рассмотрим два варианта формирования тактовых импульсов на CMOS логике.

Во-первых, это «кварцевый генератор». Сейчас самое время указать, что кварцевый резонатор – это не генератор; скорее, это центральный компонент схемы кварцевого генератора, который может выглядеть примерно так:

Кварцевый генератор

Кварцевые генераторы – это удобные устройства, которые состоят из кварцевого резонатора и дополнительной схемы, необходимой для генерирования стандартного цифрового тактового сигнала.

Таким образом, вы получаете стабильность и точность кварца, не беспокоясь о нагрузочной емкости и тщательности компоновки печатной платы, необходимой для обеспечения надежной работы микроконтроллера с отдельным кварцевым резонатором.

Второй вариант – «кремниевый генератор». Этот термин относится к микросхемам генераторов, которые не основаны на кварцевых или керамических резонаторах.

Эти устройства универсальны и просты в использовании, и они могут быть довольно точными.

Например, для серии LTC6930 от Linear Tech требуется только один блокировочный конденсатор, а подавляющее большинство моделей таких микросхем обеспечивают точность номинальной частоты в пределах 0,05%:

Генератор тактового сигнала на микросхеме LTC6930-8.00График распределения типового отклонения частоты

Кремниевые генераторы более надежны, чем кварцевые и керамические резонаторы, особенно в суровых условиях, подверженных ударам или вибрации. Но они дороже.

Кварцевые и керамические резонаторы

Если вам нужна действительно высокая точность и стабильность без дополнительных затрат на микросхему генератора на основе кварцевого резонатора, выбирайте вариант с одиночным кварцевым резонатором. На рынке широко доступны компоненты с допуском менее 20 миллионных долей (т.е. 0,002%).

Схема генератора, показанная выше, частично интегрирована в микроконтроллеры, которые поддерживают конфигурацию с отдельным кварцем; вам нужно будет только обеспечить правильные нагрузочные конденсаторы. Общая емкость нагрузки (Cнагр.общ.

) указывается в техническом описании на кварцевый резонатор, а нагрузочные конденсаторы выбираются следующим образом:

\[C_{нагр.общ.} = {C_{нагр.1} \cdot C_{нагр.2} \over C_{нагр.1} + C_{нагр.2}} + C_{пар.}\]

где Cпар. представляет любую паразитную емкость. Этот расчет на практике довольно прост: выберите разумное значение для Cпар. (скажем, 5 пФ), вычтите его из Cнагр.общ., и затем умножьте результат на два. Таким образом, если техническое описание указывает нагрузочную емкость 18 пФ, мы имеем

\[C_{нагр.1} = C_{нагр.2} = (18пФ – 5пФ) \cdot 2 = 26 пФ\]

Керамические резонаторы менее точны, чем кварцевые; допуски обычно составляют от 1000 до 5000 милилонных долей. Они могут сэкономить вам несколько центов, если вам не нужна точность кварца. Но, на мой взгляд, главное преимущество заключается в том, что вы можете получить керамические резонаторы со встроенными нагрузочными конденсаторами.

Последний и наименее распространенный..

Существует не так много ситуаций, когда требуется генератор на внешних резисторе-конденсаторе или только на конденсаторе. Если по какой-то причине вам не подходят варианты внешних генераторов, рассмотренные выше, выбирайте микроконтроллер с внутренним генератором и используйте его.

Однако, если вы полны решимости откопать один или два пассивных компонента из своей коробки запчастей, обратитесь к техническому описанию микроконтроллера за инструкциями по подключению и проектированию схемы генератора.

Ниже показаны примеры подключения компонентов, взятые из технического описания на микроконтроллеры C8051F12x – 13x от Silicon Labs:

Варианты использования внешних резисторов и конденсаторов для создания схемы тактового генератора микроконтроллера

И вы можете обратиться к странице 190 этого же технического описания для получения информации о выборе значений компонентов.

Заключение

Надеюсь, что теперь вы знаете достаточно, чтобы в следующий раз, когда вам нужно будет выбрать генератор для микроконтроллера, принять обоснованное и уверенное решение. Вот мои рекомендации в двух словах:

  • используйте внутренний генератор, когда это возможно;
  • используйте кремниевый генератор, если его точность адекватна, а стоимость приемлема – в противном случае, используйте кварцевый резонатор.

Оригинал статьи:

  • Robert Keim. Choosing the Right Oscillator for Your Microcontroller

Теги

MCUВнутренний генераторКварцевый генераторКварцевый резонаторКерамический резонаторКремниевый генераторМикроконтроллерТактирование микроконтроллера

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.