Кварцевый генератор | Практическая электроника
Кварцевый генератор
Что такое генератор? Генератор – это по сути устройство, которое преобразует один вид энергии в другой. В электронике очень часто можно услышать словосочетание “генератор электрической энергии, генератор частоты, генератор функций” и тд.
Кварцевый генератор представляет из себя генератор частоты и имеет в своем составе кварцевый резонатор. В основном кварцевые генераторы бывают двух видов:
те, которые могут выдавать синусоидальный сигнал
и те, которые выдают прямоугольный сигнал
Чаще всего в электронике используется прямоугольный сигнал
Схема Пирса
Для того, чтобы возбудить кварц на частоте резонанса, нам надо собрать схему. Самая простая схема для возбуждения кварца – это классический генератор Пирса, который состоит всего лишь из одного полевого транзистора и небольшой обвязки из четырех радиоэлементов:
Пару слов о том как работает схема. В схеме есть положительная обратная связь и в ней начинают возникать автоколебания. Но что такое положительная обратная связь?
В школе всем вам ставили прививки на реакцию Манту, чтобы определить, если у вас тубик или нет. Через некоторое время приходили медсестры и линейкой замеряли вашу реакцию кожи на эту прививку
Когда ставили эту прививку, нельзя было чесать место укола. Но мне, тогда еще салаге, было по барабану. Как только я начинал тихонько чесать место укола, мне хотелось чесать еще больше)) И вот скорость руки, которая чесала прививку, у меня замерла на каком-то пике, потому что совершать колебания рукой у меня максимум получалось с частотой Герц в 15. Прививка набухала на пол руки)) И даже один раз меня водили сдавать кровь в подозрении на туберкулез, но как оказалось, не нашли. Оно и неудивительно ;-).
Так что это я вам тут рассказываю хохмы из жизни? Дело в том, что эта чесотка прививки самая что ни на есть положительная обратная связь. То есть пока я ее не трогал, чесать не хотелось. Но как только тихонько почесал, стало чесаться больше и я стал чесать больше, и чесаться стало еще больше и тд. Если бы на мою руку не было физический ограничений, то наверняка, место прививки уже бы стерлось до мяса. Но я мог махать рукой только с какой-то максимальной частотой. Так вот, такой же принцип и у кварцевого генератора ;-). Чуть подал импульс, и он начинает разгоняться и уже останавливается только на частоте параллельного резонанса ;-). Скажем так, “физическое ограничение”.
Первым делом нам надо подобрать катушку индуктивности. Я взял тороидальный сердечник и намотал из провода МГТФ несколько витков
Весь процесс контролировал с помощью LC-метра, добиваясь номинала, как на схеме – 2,5 мГн. Если не доставало, прибавлял витки, если перебарщивал номинал, то убавлял. В результате добился вот такой индуктивности:
Транзистора у меня в загашнике не нашлось, и в местном радиомагазине его тоже не было. Поэтому, пришлось заказывать на Али. Кому интересно, брал здесь.
Его правильное название: транзистор полевой с каналом N типа.
Распиновка слева-направо: Сток – Исток – Затвор
Ну а дальше дело за малым. Собираем схемку:
Небольшое лирическое отступление.
Как вы видите, я пытался максимально сократить связи между радиоэлементами. Дело все в том, что все радиоэлементы имеют свои паразитные параметры. Чем длиннее их выводы, а также провода, соединяющие эти радиоэлементы в схеме, тем хуже будет работать схема, а то и вовсе “не зафурычит”. Да и вообще, схемы с кварцевым резонатором на печатных платах трассируют не просто так от балды. Здесь есть свои тонкие нюансы. Мельчайшие паразитные параметры могут испоганить весь сигнал на выходе такого генератора.
Итак, кварцевый генератор мы собрали, напряжение подали, осталось только снять сигнал с выхода нашего самопального генератора. За дело берется цифровой осциллограф OWON SDS6062
Первым делом я взял кварц на самую большую частоту, которая у меня есть: 32 768 Мегагерц. Не путайте его с часовым кварцем (о нем пойдет речь ниже).
Не, ну а что вы хотели? Хотели увидеть идеальную синусоиду? Не тут-то было. Сказались паразитные параметры плохо собранной схемы и монтажа.
Внизу в левом углу осциллограф нам показывает частоту:
Как вы видите 32,77 Мегагерц. Главное, что наш кварц живой и схемка работает!
Давайте возьмем кварц с частотой 27 Мегагерц:
Показания у меня прыгали. Заскринил, что успел:
Частоту тоже более-менее показал верно.
Ну и аналогично проверяем все остальные кварцы, которые у меня есть.
Вот осциллограмма кварца на 16 Мегагерц:
Осциллограф показал частоту ровнехонько 16 Мегагерц.
Здесь поставил кварц на 6 Мегагерц:
Ровно 6 Мегагерц
На 4 Мегагерца:
Все ОК.
Ну и возьмем еще советский на 1 Мегагерц. Вот так он выглядит:
Сверху написано 1000 Килогерц = 1МегаГерц 😉
Смотрим осциллограмму:
Рабочий!
При большом желании можно даже замерять частоту китайским генератором-частотомером:
400 Герц погрешность для старенького советского кварца не очень и много. Но лучше, конечно, воспользоваться нормальным профессиональным частотомером 😉
Часовой кварц
С часовым кварцем кварцевый генератор по схеме Пирса отказался работать.
“Что еще за часовой кварц?” – спросите вы. Часовой кварц – это кварц с частотой в 32 768 Герц. Почему на нем такая странная частота? Дело все в том, что 32 768 это и есть 215. Такой кварц работает в паре с 15-разрядной микросхемой-счетчиком. Это наша микросхема К176ИЕ5.
Принцип работы этой микросхемы такой: после того, как она сосчитает 32 768 импульсов, на одной из ножек она выдает импульс. Этот импульс на ножке с кварцевым резонатором на 32 768 Герц появляется ровно один раз в секунду. А как вы помните, колебание один раз в секунду – это и есть 1 Герц. То есть на этой ножке импульс будет выдаваться с частотой в 1 Герц. А раз это так, то почему бы не использовать это в часах? Отсюда и пошло название – часовой кварц.
В настоящее время в наручных часах и других мобильных гаджетах этот счетчик и кварцевый резонатор встроены в одну микросхему и обеспечивают не только счет секунд, но и целый ряд других функций, типа будильника, календаря и тд. Такие микросхемы называется RTC (Real Time Clock) или в переводе с буржуйского Часы Реального Времени.
Схема Пирса для прямоугольного сигнала
Итак, вернемся к схеме Пирса. Предыдущая схема Пирса генерирует синусоидальный сигнал
Но также есть видоизмененная схема Пирса для прямоугольного сигнала
А вот и она:
Номиналы некоторых радиоэлементов можно менять в достаточно широком диапазоне. Например, конденсаторы С1 и С2 могут быть в диапазоне от 10 и до 100 пФ. Тут правило такое: чем меньше частота кварца, тем меньше должна быть емкость конденсатора. Для часовых кварцев конденсаторы можно поставить номиналом в 15-18 пФ. Если кварц с частотой от 1 до 10 Мегагерц, то можно поставить 22-56 пФ. Если не хотите заморачиваться, то просто поставьте конденсаторы емкостью в 22 пФ. Точно не прогадаете.
Также небольшая фишка на заметку: меняя значение конденсатора С1 можно настраивать частоту резонанса в очень тонких пределах.
Резистор R1 можно менять от 1 и до 20 МОм, а R2 от нуля и до 100 кОм. Тут тоже есть правило: чем меньше частота кварца, тем больше значение этих резисторов и наоборот.
Максимальная частота кварца, которую можно вставить в схему, зависит от быстродействия инвертора КМОП. Я взял микросхему 74HC04. Она не слишком быстродействующая. Состоит из шести инверторов, но использовать мы будем только один инвертор:
Вот ее распиновка:
Подключив к этой схеме часовой кварц, осциллограф выдал вот такую осциллограмму:
Ну как всегда всю картинку испортили паразитные параметры монтажа. Но, обратите внимание на частоту. Осциллограф почти верно ее показал с небольшой погрешностью. Ну оно и понятно, так как главная функция осциллографа отображать сигнал, а не считать частоту)
Кстати, вам эта часть схемы ничего не напоминает?
Не эта ли часть схемы используется для тактирования микроконтроллеров AVR?
Она самая! Просто недостающие элементы схемы уже есть в самом МК 😉
Плюсы кварцевых генераторов
Плюсы кварцевых генераторов частоты – это высокая частотная стабильность. В основном это 10-5 – 10-6 от номинала или, как часто говорят, ppm (от англ. parts per million) — частей на миллион, то есть одна миллионная или числом 10-6. Отклонение частоты в ту или иную сторону в кварцевом генераторе в основном связано с изменением температуры окружающей среды, а также со старением кварца. При старении кварца, частота кварцевого генератора стает чуточку меньше с каждым годом примерно на 1,8х10-7 от номинала. Если, скажем, я взял кварц с частотой в 10 Мегагерц ( 10 000 000 Герц) и поставил его в схему, то за год его частота уйдет примерно на 2 Герца в минус 😉 Думаю, вполне терпимо.
В настоящее время кварцевые генераторы выпускают в виде законченных модулей. Некоторые фирмы, производящие такие генераторы, достигают частотной стабильности до 10-11 от номинала! Выглядят готовые модули примерно так:
или так
Такие модули кварцевых генераторов в основном имеют 4 вывода. Вот распиновка квадратного кварцевого генератора:
Давайте проверим один из них. На нем написано 1 МГц
Вот его вид сзади:
Вот его распиновка:
Подавая постоянное напряжение от 3,3 и до 5 Вольт плюсом на 8, а минусом на 4, с выхода 5 я получил чистый ровный красивый меандр с частотой, написанной на кварцевом генераторе, то бишь 1 Мегагерц, с очень небольшими выбросами.
Ну прям загляденье!
Да и китайский генератор-частотомер показал точную частоту:
Отсюда делаем вывод: лучше купить готовый кварцевый генератор, чем самому убивать кучу времени и нервов на наладку схемы Пирса. Схема Пирса будет пригодна для проверки резонаторов и для ваших различных самоделок.
www.ruselectronic.com
Кварцевый генератор и кварцевые кристаллы: принцип работы и схемы
В данной статье мы подробно поговорим про кварцевый генератор, опишем принцип его работы, эквивалентную модель кварцевого кристалла, сравним с генератором Колпитца, а так же рассмотрим модель генератора Пирса. В конце статьи поговорим про микропроцессорные генераторы.
Описание и принцип работы
Некоторые из факторов, которые влияют на стабильность частоты генератора, как правило, включают в себя: изменения температуры, изменения нагрузки, а также изменения напряжения питания постоянного тока и многое другое.
Стабильность частоты выходного сигнала может быть значительно улучшена путем правильного выбора компонентов, используемых для резонансной цепи обратной связи, включая усилитель. Но есть предел стабильности, который можно получить из обычных контуров резервуаров LC и RC.
Чтобы получить очень высокий уровень стабильности генератора, кварцевый кристалл обычно используется в качестве устройства для определения частоты для создания осциллятора другого типа, известного как кварцевый генератор.
Когда источник напряжения подается на небольшой тонкий кусочек кристалла кварца, он начинает менять форму, создавая характеристику, известную как пьезоэлектрический эффект. Этот пьезоэлектрический эффект является свойством кристалла, посредством которого электрический заряд создает механическую силу, изменяя форму кристалла, и наоборот, механическая сила, приложенная к кристаллу, создает электрический заряд.
Затем пьезоэлектрические устройства могут быть классифицированы как преобразователи, поскольку они преобразуют энергию одного вида в энергию другого (электрическую в механическую или механическую в электрическую). Этот пьезоэлектрический эффект создает механические колебания или колебания, которые можно использовать для замены стандартной цепи LC- бака в предыдущих генераторах.
Существует множество различных типов кристаллических веществ, которые можно использовать в качестве осцилляторов, причем наиболее важными из них для электронных схем являются минералы кварца, что отчасти объясняется их большей механической прочностью.
Кристалл кварца, используемый в кварцевом генераторе, представляет собой очень маленький, тонкий кусок или пластину из резаного кварца с металлизацией двух параллельных поверхностей для обеспечения требуемых электрических соединений. Физический размер и толщина кусочка кварцевого кристалла строго контролируются, поскольку он влияет на конечную или основную частоту колебаний. Основная частота обычно называется характеристической частотой кристаллов.
После резки и формирования кристалл не может быть использован на любой другой частоте. Другими словами, его размер и форма определяют его основную частоту колебаний.
Характеристика или характерная частота кристаллов обратно пропорциональна его физической толщине между двумя металлизированными поверхностями. Механически вибрирующий кристалл может быть представлен эквивалентной электрической цепью, состоящей из низкого сопротивления R, большой индуктивности L и небольшой емкости C, как показано ниже.
Эквивалентная модель кварцевого кристалла
Эквивалентная электрическая схема для кварцевого кристалла показывает последовательную RLC- схему, которая представляет механические колебания кристалла параллельно с емкостью Cp, которая представляет электрические соединения с кристаллом. Кварцевые генераторы имеют тенденцию работать в направлении своего «последовательного резонанса».
Эквивалентный импеданс кристалла имеет последовательный резонанс, где Cs резонирует с индуктивностью Ls на рабочей частоте кристаллов. Эта частота называется частотой серии кристаллов ƒs. Наряду с этой последовательной частотой существует вторая частотная точка, созданная в результате параллельного резонанса, создаваемого, когда Ls и Cs резонируют с параллельным конденсатором Cp.
Кристаллический импеданс против частоты
Наклон импеданса кристаллов выше показывает, что по мере увеличения частоты на его клеммах, на определенной частоте взаимодействие между последовательным конденсатором Cs и индуктором Ls создается последовательный резонансный контур, снижающий импеданс кристаллов до минимума и равный Rs. Эта частотная точка называется резонансной частотой кристаллов серии, а ниже ƒs кристалл является емкостным.
При увеличении частоты выше этой последовательной резонансной точки кристалл ведет себя как индуктор, пока частота не достигнет своей параллельной резонансной частоты ƒp. В этой частотной точке взаимодействие между последовательным индуктором Ls и параллельным конденсатором Cp создает параллельно настроенную цепь LC-емкости, и, таким образом, полное сопротивление поперек кристалла достигает своего максимального значения.
Тогда мы можем видеть, что кристалл кварца представляет собой комбинацию последовательных и параллельно настроенных резонансных контуров, колеблющихся на двух разных частотах с очень малой разницей между ними в зависимости от огранки кристалла. Кроме того, поскольку кристалл может работать как на последовательных, так и на параллельных резонансных частотах, схему кварцевого генератора необходимо настроить на одну или другую частоту, поскольку вы не можете использовать обе вместе.
Таким образом, в зависимости от характеристик схемы кристалл кварца может действовать как конденсатор, индуктор, последовательный резонансный контур или как параллельный резонансный контур, и чтобы продемонстрировать это более четко, мы также можем построить зависимость реактивного сопротивления кристаллов от частоты, как показано ниже.
Кристаллическая реактивность против частоты
Наклон реактивного сопротивления от частоты выше показывает, что последовательное реактивное сопротивление на частоте ƒs обратно пропорционально Cs, потому что ниже ƒs и выше ƒp кристалл кажется емкостным. Между частотами ƒs и ƒp кристалл кажется индуктивным, так как две параллельные емкости компенсируются.
Тогда формула для резонансной частоты ряда кристаллов ƒs имеет вид:
Частота параллельного резонанса ƒp возникает, когда реактивное сопротивление последовательной ветви LC равно реактивному сопротивлению параллельного конденсатора Cp, и задается как:
Пример кварцевого генератора
Кристалл кварца имеет следующие значения: Rs = 6,4 Ом, Cs = 0,09972 пФ и Ls = 2,554 мГн. Если емкость на его клемме Cp измеряется при 28,68 пФ, рассчитайте основную частоту колебаний кристалла и его частоту вторичного резонанса.
Резонансная частота ряда кристаллов ƒ S
Параллельная резонансная частота кристалла ƒ P
Мы можем видеть, что разница между ƒs, основной частотой кристалла и ƒp невелика — около 18 кГц (10,005 МГц — 9,987 МГц). Однако в этом частотном диапазоне добротность Q (коэффициент качества) кристалла является чрезвычайно высокой, поскольку индуктивность кристалла намного выше, чем его емкостные или резистивные значения. Добротность нашего кристалла на последовательной резонансной частоте определяется как:
Тогда Q нашего кристалла, например, около 25000, из — за этой высокой Х L / R отношение. Коэффициент добротности большинства кристаллов находится в диапазоне от 20000 до 200000 по сравнению с хорошей цепью бака с хорошей настройкой LC, которую мы рассматривали ранее, которая будет намного меньше 1000. Это высокое значение добротности также способствует большей стабильности частоты кристалла на его рабочей частоте, что делает его идеальным для построения схем кварцевого генератора.
Итак, мы видели, что кварцевый кристалл имеет резонансную частоту, аналогичную частоте электрической цепи LC-бака, но с намного более высоким добротностью. Это связано главным образом с его низким последовательным сопротивлением Rs. В результате кварцевые кристаллы делают превосходный выбор компонентов для использования в генераторах, особенно в генераторах очень высокой частоты.
Типичные кварцевые генераторы могут колебаться в диапазоне частот от примерно 40 кГц до более 100 МГц в зависимости от конфигурации их схемы и используемого усилительного устройства. Разрез кристалла также определяет его поведение, поскольку некоторые кристаллы будут вибрировать с более чем одной частотой, создавая дополнительные колебания, называемые обертонами.
Кроме того, если кристалл не имеет параллельной или однородной толщины, он может иметь две или более резонансных частот как с основной частотой, образующей так называемые, так и гармоники, такие как вторая или третья гармоники.
В целом, хотя основная частота колебаний для кварцевого кристалла намного более сильная или выраженная, чем у вторичных гармоник и вторичных гармоник вокруг него, так что это будет использоваться. На графиках выше мы видели, что схема эквивалентного кристалла имеет три реактивных компонента, два конденсатора и индуктор, поэтому есть две резонансные частоты, самая низкая — последовательная резонансная частота, а самая высокая — параллельная резонансная частота.
Мы видели в предыдущих уроках, что схема усилителя будет колебаться, если она имеет коэффициент усиления контура, больший или равный единице, и обратная связь положительна. В схеме кварцевого генератора генератор будет колебаться на основной параллельной резонансной частоте кристаллов, поскольку кристалл всегда хочет колебаться, когда на него подается источник напряжения.
Тем не менее, также возможно «настроить» кварцевый генератор на любую четную гармонику основной частоты (2-й, 4-й, 8-й и т.д.), и они обычно известны как гармонические генераторы, в то время как генераторы обертоновых колебаний вибрируют с нечетными кратными значениями основной частоты 3, 5, 11 и т.д.). Как правило, кварцевые генераторы, которые работают на обертонных частотах, используют их последовательные резонансные частоты.
Кварцевый генератор Колпитца
Цепи кварцевого генератора обычно строятся с использованием биполярных транзисторов или полевых транзисторов. Это связано с тем, что хотя операционные усилители могут использоваться во многих различных низкочастотных (≤100 кГц) осцилляторных схемах, операционные усилители просто не имеют полосы пропускания для успешной работы на более высоких частотах, подходящих для кристаллов выше 1 МГц.
Конструкция кварцевого генератора очень похожа на конструкцию генератора Колпитца, который мы рассматривали в предыдущем уроке, за исключением того, что схема резервуара LC, которая обеспечивает колебания обратной связи, была заменена кварцевым кристаллом, как показано ниже.
Этот тип кварцевых генераторов разработан вокруг усилителя с общим коллектором (эмиттер-повторитель). Сеть резисторов R 1 и R 2 устанавливает уровень смещения постоянного тока на базе, а эмиттерный резистор R Eустанавливает уровень выходного напряжения. Резистор R 2 установлен как можно большим, чтобы предотвратить нагрузку на параллельно подключенный кристалл.
Транзистор 2N4265 представляет собой NPN-транзистор общего назначения, подключенный в конфигурации с общим коллектором, и способен работать на скоростях переключения, превышающих 100 МГц, значительно выше основной частоты кристаллов, которая может быть между 1 МГц и 5 МГц.
Вышеприведенная принципиальная схема контура генератора Колпитц-Кристалл показывает, что конденсаторы С1 и С2 шунтируют выход транзистора, что уменьшает сигнал обратной связи. Следовательно, коэффициент усиления транзистора ограничивает максимальные значения C1 и C2. Выходную амплитуду следует поддерживать низкой, чтобы избежать чрезмерного рассеивания мощности в кристалле, иначе он может разрушиться из-за чрезмерной вибрации.
Генератор Пирса
Другая распространенная конструкция кварцевого генератора — это модель Пирса. Генератор Пирса очень похож по конструкции на предыдущий генератор Колпитца и хорошо подходит для реализации схем кварцевого генератора, использующих кристалл как часть его цепи обратной связи.
Генератор Пирса — это, прежде всего, последовательный резонансно настроенный контур (в отличие от параллельного резонансного контура генератора Колпитца), который использует JFET для своего основного усилительного устройства, поскольку полевые транзисторы обеспечивают очень высокие входные импедансы с кристаллом, подключенным между стоком и затвором через конденсатор C1, так как показано ниже.
В этой простой схеме кристалл определяет частоту колебаний и работает на своей последовательной резонансной частоте, что дает путь с низким импедансом между выходом и входом. При резонансе наблюдается сдвиг фазы на 180 o , что делает обратную связь положительной. Амплитуда выходной синусоидальной волны ограничена максимальным диапазоном напряжения на выводе стока.
Резистор R1 управляет величиной обратной связи и возбуждением кристалла, в то время как напряжение на радиочастотном дросселе RFC меняется в течение каждого цикла. Большинство цифровых часов и таймеров используют генератор Пирса в той или иной форме, поскольку он может быть реализован с использованием минимума компонентов.
Наряду с использованием транзисторов и полевых транзисторов, мы также можем создать простой базовый параллельный резонансный кварцевый генератор, аналогичный по работе генератору Пирса, с использованием КМОП-инвертора в качестве элемента усиления. Основной кварцевый генератор состоит из одного инвертирующего логического элемента триггера Шмитта, такого как TTL 74HC19 или CMOS 40106, 4049, индуктивного кристалла и двух конденсаторов. Эти два конденсатора определяют величину емкости нагрузки кристаллов. Последовательный резистор помогает ограничить ток возбуждения в кристалле, а также изолирует выход инвертора от комплексного сопротивления, образованного конденсаторно-кристаллической сетью.
КМОП кристаллический генератор
Кристалл колеблется на своей последовательной резонансной частоте. КМОП-инвертор изначально смещен в середину своей рабочей области резистором обратной связи R1. Это гарантирует, что точка Q инвертора находится в области высокого усиления. Здесь используется резистор со значением 1 МОм, но его значение не является критическим, если оно больше 1 МОм. Дополнительный инвертор используется для буферизации выходного сигнала генератора на подключенную нагрузку.
Инвертор обеспечивает 180 o фазового сдвига, а сеть кристаллических конденсаторов — дополнительные 180 o, необходимые для колебаний. Преимущество кварцевого генератора КМОП является то , что он всегда будет автоматически корректировать себя, чтобы поддерживать это 360 о фазовом сдвиге для колебаний.
В отличие от предыдущих кварцевых генераторов на транзисторной основе, которые генерировали синусоидальную форму выходного сигнала, поскольку генератор КМОП-инвертор использует цифровые логические элементы, выходной сигнал представляет собой прямоугольную волну, колеблющуюся между HIGH и LOW. Естественно, максимальная рабочая частота зависит от характеристик переключения используемого логического элемента.
Микропроцессорные кварцевые часы
Мы не можем закончить статью по кварцевым генераторам, не упомянув кое-что о микропроцессорных кварцевых часах. Практически все микропроцессоры, микроконтроллеры, PIC и процессоры, как правило, используют кварцевый генератор в качестве устройства определения частоты, чтобы генерировать их синхроимпульс, потому что, как мы уже знаем, кварцевые генераторы обеспечивают высочайшую точность и стабильность частоты по сравнению с резистором-конденсатором (RC) или индуктор-конденсатор, (LC) генераторы.
Тактовая частота процессора определяет, насколько быстро процессор может работать и обрабатывать данные с помощью микропроцессора, PIC или микроконтроллера с тактовой частотой 1 МГц, что означает, что он может обрабатывать данные внутренне один миллион раз в секунду за каждый тактовый цикл. Как правило, все, что нужно для получения тактовой формы сигнала микропроцессора, — это кристалл и два керамических конденсатора со значениями в диапазоне от 15 до 33 пФ, как показано ниже.
Микропроцессорный генератор
Большинство микропроцессоров, микроконтроллеров и PIC имеют два вывода генератора, обозначенных OSC1 и OSC2, для подключения к внешней кварцевой кристаллической цепи, стандартной сети RC- генератора или даже керамическому резонатору. В микропроцессорных системах такого типа кварцевый генераторгенерирует последовательность непрерывных прямоугольных импульсов, основная частота которых контролируется самим кристаллом. Эта основная частота регулирует поток инструкций, управляющих процессором устройства. Например, мастер часов и системное время.
meanders.ru
Генератор Пирса — простейшая схема генератора для проверки кварцевых резонаторов
Генератор Пирса — простейшая схема генератора для проверки кварцевых резонаторов
Схема Пирса — это, пожалуй, самая проста схема генератора с кварцевым резонатором. В этой схеме резонатор возбуждается на частоте параллельного резонанса. Схема содержит всего несколько деталей. Кроме кварцевого резонатора понадобиться один полевой транзистор с N-каналом, один резистор, один конденсатор и дроссель (катушка индуктивности).
Генератор возбуждается потому, что в схеме присутствует петля положительной обратной связи с истока транзистора на его затвор через конденсатор С и кварцевый резонатор ZQ. Такой генератор обладает очень хорошей стабильностю частоты, которая мало зависит от напряжения питания и температуры окружающей среды. Схему можно использовать как задающий генератор во многих радиолюбительских конструкциях, а также в качестве устройства для проверки работоспособности кварцевых резонаторов.Компоненты схемы.
Конденсатор можно применить любого типа. Хорошо использовать слюдяной конденсатор, но сейчас их достаточно трудно найти в продаже.
Транзистор.Полевой транзистор с каналом N-типа 2N5485 можно купить в магазине радиодеталей, но дешевле будет заказать в Китае на Алиэкспресс. Транзисторы там продаются партиями по несколько десятков штук. Такие транзисторы можно с успехом использовать в целом ряде радиолюбительских конструкций.
РезисторЛюбой маломощный резистор сопротивлением около 10 мегаом. Возможно у вас не окажется в хозяйстве резистора с таким высоким сопротивлением. Выпаять его из какой-нибудь старой платы тоже проблематично, так как резисторы с сопротивлением 10 мегаом используются не так часто. Резистор можно купить в магазине или заказать в Китае на Алиэкспресс. Можно также составить его из нескольких резисторов более низкого сопротивления, соединив их последовательно.
ДроссельДроссель можно использовать любого типа. Можно намотать его на небольшом ферритовом кольце, измерив индуктивность мультиметром, чтобы она была близка к обозначенной на схеме. Точное значение индуктивности здесь не имеет значение, так как катушка не несет частото-задающей функции. Дроссель служит нагрузкой транзистора по постоянному току, отсекая высокочастотную составляющую.
musbench.com
5.19. Генераторы с кварцевыми резонаторами
Активные фильтры и генераторы
Генераторы
От RC-генератора можно легко добиться стабильности порядка 0,1% при начальной точности установки частоты от 5 до 10%. Это вполне удовлетворительно для многих применений, таких, например, как мультиплексный индикатор карманного калькулятора, где цифры многозначного числа подсвечиваются одна за другой с быстрым чередованием (обычная часто – 1кГц). В каждый момент времени горит только одна цифра, но глаз видит все число. Ясно, что точность здесь не очень важна. Несколько лучше стабильность LC-генераторов — порядка 0.01% в течение разумного промежутка времени. Этого вполне достаточно для гетеродинов радиоприемников и телевизоров.
Для получения по-настоящему стабильных колебаний незаменимы кварцевые генераторы. В них используется кусочек кварца (искусственного — двуокись кремния), вырезанный и отшлифованный таким образом, что он имеет определенную частоту колебаний. Кварц представляет собой пъезоэлектрик
Рис. 5.47.
Рис. 5.48.
На рис. 5.49 показаны некоторые схемы кварцевых генераторов. На рис. 5.49, а показан классический генератор Пирса, в котором используется обычный полевой транзистор (см. гл. 3). На рис. 5.49, б изображен генератор Колпитца с кварцевым резонатором вместо LC-контура. В схеме на рис. 5.49, в в качестве обратной связи используется сочетание биполярного n-p-n — транзистора и кварцевого резонатора. Остальные схемы генерируют выходной сигнал с логическими уровнями при использовании цифровых логических функций(рис 5.49, г и д).
Рис. 5.49. Схемы с кварцевыми резонаторами, а — генератор Пирса, б — генератор Колпитца.
На последней диаграмме показаны схемы кварцевых генераторов, построенные ИС МС12060/12061 фирмы Motorola. Эти микросхемы предназначены для использования, совместно с кварцевыми резонаторами, диапазона частот от 100 кГц до 20 МГц и спроектированы таким образом, что обеспечивают прекрасную стабильность частоты колебаний при тщательном ограничении его амплитуды с помощью встроенного амплитудного дискриминатора и схемотехнического ограничителя. Они обеспечивают формирование выходных колебаний как синусоидальной, так и прямоугольной формы (с ТТЛ и ЭСЛ логическими уровнями).
В качестве альтернативы, а именно в тех случаях, когда достаточно иметь выходное колебание только прямоугольной формы и не предъявляются предельные требования по стабильности, можно применять законченные модули кварцевых генераторов, которые обычно выпускаются в металлических DIP-корпусах. Они предлагают стандартный набор частот например, 1, 2, 4, 5 6, 8 10 16 и 20 МГц), а также «странные» частоты, которые обычно используются в микропроцессорных системах (например, частота 14,31818 МГц используется в видеоплатах. Эти «кварцевые модули тактовой частоты», как правило, обеспечивают точность (в диапазоне температур, напряжений источника питания и времени) только 0,01% (10 -4), однако они дешевы (от 2 до 11 Долл.) и вам не приходится строить схему. Кроме того, они всегда дают устойчивые колебания, тогда как при создании собственного генератора этого не всегда удается добиться. Функционирование схем генераторов на кварцевых ректорах зависит от электрических свойств самого кристалла (таких, как последовательный или параллельный режим колебаний, эффективное последовательное сопротивление и емкость монтажа), которые не всегда полностью известны. Очень часто вы можете найти, что хотя ваш самодельный кварцевый генератор и возбуждается, но на частоте, которая не соответствует той, которая указана на кварцевом резонаторе. В наших собственных изысканиях в области схем дискретных кварцевых генераторов бывало всякое.
Кварцевые резонаторы выпускаются на диапазон от 10 кГц до 10 МГц, а у некоторых образцов высокие обертоны доходят до 250 МГц. Для каждой частоты нужен свой резонатор, но для наиболее употребительных частот резонаторы выпускаются серийно. Всегда легко достать резонаторы на частоты 100 кГц, 1, 2, 4, 5 и 10 МГц. Кварцевый резонатор на частоту 3.579545 МГц (стоящий меньше доллара) применяется в генераторе импульсов цветности телевизоров. Для электронных наручных часов нужна частота 32,768 кГц (или 215 Гц), и вообще, часто нужны частоты, равные 2 какой-то степени Гц. Кварцевый генератор можно регулировать в небольшом диапазоне с помощью последовательно или параллельно включенных конденсаторов переменной емкости (см. рис. 5.49, г). Благодаря дешевизне кварцевых резонаторов всегда имеет смысл рассмотреть возможность их применения в тех случаях, когда RС-релаксационные генераторы работают на пределе своих возможностей.
При необходимости стабильную частоту кварцевого генератора можно «подгонять» электрическим способом в небольших пределах с помощью варактора. Такая схема называется УНКГ (управляемый напряжением кварцевый генератор), при этом удается соединить прекрасную стабильность кварцевых генераторов с регулируемостью LC-генераторов. Покупка коммерческого УНКГ, вероятно, является наилучшим решением проблем, возникающих при собственном проектировании. Стандартные УНКГ обеспечивают максимальные отклонения центральной частоты от номинала порядка ±10 -5 — ±10-4, хотя имеются образцы с более широким диапазоном (вплоть до ±10-3).
Без особых усилий можно с помощью кварцевого резонатора обеспечить стабильность частоты порядка нескольких миллионных долей в нормальном температурном диапазоне. Применяя схемы температурной компенсации, можно построить температурно-компенсированный кварцевый генератор (ТККГ) с несколько улучшенными параметрами. Как ТККГ, так и некомпенсированный генератор выпускаются в виде готовых модулей разными фирмами, например фирмами Biley, CTS Knights, Motorola, Reeves Hoffman, Statek и Vectron. Они бывают разных габаритов, иногда не больше корпуса DIP или стандартного корпуса для транзисторов ТО-5. Дешевые модели обеспечивают стабильность порядка 10
Температурно-компенсированные генераторы. Чтобы получить сверхвысокую стабильность, может понадобиться кварцевый генератор, работающий в условиях постоянной температуры. Обычно для этих целей используется кристалл с практически нулевым температурным коэффициентом при несколько повышенной температуре (от 80° до 90 °С), а также термостат, который эту температуру поддерживает. Выполненные подобным образом генераторы выпускаются в виде небольших законченных модулей, пригодных для монтажа и включаемых в приборы, на все стандартные частоты. Типичным модулем генератора с улучшенными характеристиками служит схема 10811 фирмы Hewlett-Packard. Она обеспечивает стабильность порядка 10-11 в течение времени от нескольких секунд до нескольких часов при частоте 10 МГц.
Если температурная нестабильность снижена до очень малых значений, то начинают доминировать другие эффекты: «старение» кристалла (тенденция частоты к уменьшению с течением времени), отклонения питания от номинала, а также внешние влияния, например удары или вибрации (последнее представляет собой наиболее серьезные проблемы в производстве кварцевых наручных часов). Один из способов решения проблемы старения: в паспортных данных генератора указывается скорость снижения частоты — не более 5·10-10 в день. Эффект старения возникает частично из-за постепеннее снятия деформаций, поэтому через несколько месяцев с момента изготовления этот эффект имеет тенденцию к устойчивому снижению, по крайней мере для хорошо сделанных кристаллов. Взятый нами за образец генератор 10811 имеет величину эффекта старения не более 10-11 в день.
В тех случаях, когда стабильность термостатированных кристаллов уже недостаточна, применяются атомные стандарты частоты. В них используются микроволновые линии поглощения в рубидиевом газонаполненном элементе или частоты атомных переходов в пучках атомов цезия в качестве эталонов, по которым стабилизируется кварцевый резонатор. Таким образом можно получить точность и стабильность порядка 10
Схемы, не требующие пояснении
skilldiagram.com
Генератор Пирса — это… Что такое Генератор Пирса?
Генератор Пирса назван в честь его изобретателя Джорджа Пирса (1872-1956). Генератор Пирса является производным от генератора Колпитца. В схеме используется минимум компонентов: один цифровой инвертор, один резистор, два конденсатора и кристалл кварца, который действует как высокоизбирательный элемент фильтра.
Простой генератор ПирсаСм. также
- Генератор электронный
Ссылки
Значимость предмета статьи поставлена под сомнение. Пожалуйста, покажите в статье значимость её предмета, добавив в неё доказательства значимости по частным критериям значимости или, в случае если частные критерии значимости для предмета статьи отсутствуют, по общему критерию значимости. Подробности могут быть на странице обсуждения.
|
| В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 2 декабря 2011. |
dic.academic.ru
|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
funer.ru
Видео схема генератора Пирса
Are you having trouble finding a specific video? Then this page will help you find the movie you need. We will easily process your requests and give you all the results. No matter what you are interested in and what you are looking for, we will easily find the necessary video, no matter what direction it would be.
If you are interested in modern news, we are ready to offer you the most current news reports in all directions. The results of football matches, political events or global, global problems. You will always be aware of all the events, if you use our wonderful search. The awareness of the videos we provide and their quality depends not on us, but on those who flooded them into the Internet. We just supply you with what you seek and require. In any case, using our search, you will know all the news in the world.
However, the world economy is also quite an interesting topic, which worries very many. A lot of things depend on the economic state of different countries. For example, import and export, any food or technology. The same standard of living directly depends on the state of the country, as well as wages and so on. What can be useful for this information? It will help you not only to adapt to the consequences, but also to warn against a trip to this or that country. If you are an avid traveler, then make sure to use our search.
Today it is very difficult to understand political intrigues and to understand the situation you need to find and compare a lot of different information. Therefore, we will easily find for you various speeches of the deputies of the State Duma and their statements for all the past years. You can easily understand the politics and the situation in the political arena. The policy of different countries will become clear to you and you can easily prepare yourself for the coming changes or adapt already in our realities.
However, you can find here not only various news from around the world. You can also easily find yourself a film, which will be nice to watch in the evening with a bottle of beer or popcorn. In our search database there are films for every taste and color, you can easily find an interesting picture for yourself without any problems. We can easily find for you even the oldest and hard-to-find works, as well as the classics known to all — for example Star Wars: The Empire Strikes Back.
If you just want to rest a bit and are looking for funny videos, then we can quench your thirst. We will find for you a million different entertainment videos from around the planet. Short jokes easily lift your spirits and another day will cheer you up. Using a convenient search system, you can find exactly what will make you laugh.
As you already understood, we work tirelessly, that you would always receive exactly what you need. We created this wonderful search specifically for you, that you could find the necessary information in the form of a video clip and watch it on a convenient player.
imperiya.by