Zaloguj
Większość układów cyfrowych, które wymagają sygnału zegarowego, ma wbudowany generator kwarcowy. Lecz nie jest to regułą – jako przykład mogą posłużyć „małe” mikrokontrolery, np. Attiny13. Jego wbudowany generator RC cechuje się stabilnością częstotliwości porównywalną z zakurzonym zegarem z kukułką, z kolei użycie mikrokontrolera z wbudowanym generatorem (jak Attiny25) zajęłoby dodatkowe, jakże cenne wyprowadzenie. Czasem po prostu zależy nam na stabilnym wzorcu częstotliwości i nie można mieć o to do siebie pretensji.
Jednym z możliwych rozwiązań jest użycie gotowego generatora kwarcowego, czyli rezonatora „obłożonego” odpowiednią elektroniką. Podajemy zasilanie (najczęściej jedno, rzadko dwa napięcia), a on wypuszcza na swoim wyjściu sygnał prostokątny i wszyscy są szczęśliwi – przykład znajduje się na fotografii 1. Można znaleźć wersje SMD, można też THT, na różne napięcia (ale głównie 3,3 V lub 5 V), więc każdy znajdzie coś dla siebie. Droższe modele mają wbudowaną kompensację wpływu temperatury (TCXO), choć w tym artykule poruszam raczej proste, podstawowe generatory.
Kto szczęśliwy, ręka do góry! Okej, proszę opuścić. A komu się to nie podoba? O, tam kilka osób podniosło ręce. Dobrze, proszę nie krzyczeć, zaraz coś na to zaradzimy. Gotowe generatory, mimo swojej „fajności”, wbudowanej w ich naturę, mają również kilka wad:
- wąski asortyment podzespołów do wyboru (węższy niż w przypadku rezonatorów kwarcowych),
- zdeterminowane rozmiary (niewielkie możliwości miniaturyzacji lub dogodnego rozmieszczenia na powierzchni płytki),
- zdefiniowane napięcie zasilania oraz pobór prądu (trudności w adaptacji do nietypowych układów),
- utrudniony dobór zamienników (wielu z nas pamięta, co działo się w hurtowniach w 2020 roku),
- brak lub utrudniony dostęp do wersji o niektórych częstotliwościach,
- relatywnie wysoka cena (ma to znaczenie w bardzo tanich aplikacjach).
W takich sytuacjach rozwiązaniem może być samodzielna budowa generatora kwarcowego. Rezonatory tzw. overtone pracują na częstotliwościach równych harmonicznym swojej częstotliwości podstawowej i do prawidłowego wzbudzenia wymagają dodatkowych zabiegów, jak choćby filtrów LC wymuszających drgania na tej właśnie częstotliwości (nie podstawowej) – nie będę się nimi tutaj zajmował. Naszym zadaniem jest zatem prawidłowe wzbudzenie rezonatora kwarcowego na jego częstotliwości podstawowej i tyle.
Na początek jednak troszkę teorii, ale tylko ciut-ciut, dla ustalenia uwagi. Rezonator kwarcowy to element piezoelektryczny, w którym odpowiednio oszlifowany kryształ kwarcu jest pobudzany do drgań z częstotliwością równą rezonansowej (specjaliści od kryształów mają do tego swoje fachowe określenia, skupmy się jednak na właściwościach elektrycznych). Wykazuje on przy tym bardzo ciekawą cechę: w obwodzie zachowuje się podobnie do szeregowego obwodu LC, ponieważ jego impedancja drastycznie spada w punkcie rezonansu. Ilustruje to rysunek 1.
Po objęciu tego układu pętlą sprzężenia zwrotnego o zerowym przesunięciu fazowym – rysunek 2 – uzyskamy gotowy generator kwarcowy. Uzasadnienie, dlaczego będzie on działał na częstotliwości rezonansowej rezonatora kwarcowego, jest bardzo proste: bo właśnie taka składowa przechodzi przez dzielnik (składający się z impedancji rezonatora oraz rezystancji Rload) z minimalnymi stratami oraz z zerowym przesunięciem fazowym, co jest konieczne do podtrzymania drgań.
Ponieważ jednak częściej mamy do czynienia ze wzmacniaczami odwracającymi (φ=180º) aniżeli nieodwracającymi (φ=0º), to można skonstruować do tego odpowiedni układ, choćby taki jak na rysunku 3, który uwzględnia przesunięcia fazowe. Jest jednak skrajnie nieżyciowy w XXI wieku z uwagi na obecność cewki (brrr, to straszne!), więc odłożymy go na półkę. Niemniej jednak warto pamiętać, że taka możliwość istnieje.
Pradawne układy tranzystorowe (lampowe zresztą również) często operowały na topologii Colpittsa, której przykład znajduje się na rysunku 4. Układ ten nie zawiera cewek – to dobra informacja – ale jest bardzo trudny w praktycznej realizacji, ponieważ silny wpływ na jego działanie mają parametry pasożytnicze elementu aktywnego. Mowa tu głównie o pojemnościach, które tłumią sygnał zawracany z emitera na bazę poprzez dzielnik dopasowujący impedancję.
Niemała część książki [2] jest poświęcona doborowi elementów do prawidłowo działającego układu Colpittsa, w tym również rezonatorów kwarcowych pracujących na częstotliwościach harmonicznych (przykład na rysunku 5).
W dzisiejszych czasach nie musimy tak bardzo oszczędzać na tranzystorach, więc warto zwrócić się ku stabilniej pracującym układom. Główną wadą topologii Colpittsa jest połączenie w jednym elemencie aktywnym funkcji zarówno detektora, jak i wzmacniacza. Jeżeli je rozdzielimy, wówczas pojemności pasożytnicze nie będą grały aż tak znaczącej roli. Bardzo ciekawą propozycją dla rezonatorów kwarcowych pracujących przy niskich częstotliwościach (o rezystancji szeregowej RS z zakresu 1…100 kΩ) jest układ z rysunku 6.
Tranzystor Q1 pełni rolę wzmacniacza w układzie wspólnej bazy, natomiast tranzystor Q2 stanowi wtórnik napięciowy, zmniejszając impedancję sterującą emiterem tranzystora Q1. Pomimo pewnego podobieństwa w wyglądzie schematu, nie jest to pełnoprawny układ różnicowy. W odróżnieniu od mocno kapryśnego Colpittsa, startuje „od strzała” i umożliwia generowanie sygnału sinusoidalnego (no dobra, quasi-sinusoidalnego z uwagi na impulsową pracę tranzystorów), co bywa przydatne w układach radiowych. Przykładowo, bardzo dobrze spisuje on się jako generator heterodyny, jeżeli układ ma być dostrojony do danej częstotliwości – na przykład gdy trzeba ją zmniejszyć o stałą wartość na potrzeby pomiaru prostym mikrokontrolerem.
Nie chcę się tutaj wdawać w rozważania teoretyczne na temat pozostałych układów, które z pewnością są ciekawe od strony teoretycznej, lecz ich zastosowanie w dzisiejszych czasach jest marginalne. Przejdę zatem do najbardziej znanego układu generatora kwarcowego, czyli topologii Pierce’a i odpowiem przy okazji na kilka pytań, które często się powtarzają w związku z nim. Podstawowy układ Pierce’a można znaleźć na rysunku 7, zawierającym również objaśnienie, jak zachowuje się rezonator kwarcowy w stanie rezonansu i poza nim.
Stanowi on nawiązanie do układu z rysunku 4 – tyle, że tutaj faza jest przesuwana dwukrotnie o +90º przez człony RC. Bez tych kondensatorów nie doszłoby do przesuwania fazy, więc mamy odpowiedź na pytanie, czy te dwa dodatkowe kondensatory przy rezonatorze kwarcowym są potrzebne – tak, owszem są. Jest to również odpowiedź na drugie częste pytanie: dlaczego układ ten wzbudza się dokładnie na częstotliwości rezonansowej użytego kwarcu? Ponieważ tylko wtedy reprezentuje on sobą czystą rezystancję (a dokładniej – swoją rezystancję szeregową), co jest niezbędne do uzyskania przesunięcia fazy w tym członie o 90º. To zaś z kolei jest potrzebne do spełnienia warunku fazy w działającym generatorze.
Z rysunku 8 można odczytać odpowiedź na pytanie, czemu za bramką NOT „stawia się” drugą bramkę i dopiero z niej pobiera sygnał. Nie jest to absolutnie konieczny zabieg, ale warto wiedzieć, po co w ogóle się to robi.
Otóż w najbardziej typowym generatorze z bramką (bramka NOT + dwa kondensatory + rezonator kwarcowy) rolę pierwszego rezystora w przesuwniku fazy pełni rezystancja wyjściowa bramki. Z kolei węzłem wyjściowym jest wyjście bramki, a nie teooriobowodowego wzmacniacza w jej wnętrzu (przed rezystancją wyjściową). W naturalny sposób mamy ten sygnał stłumiony poprzez obciążenie wyjścia bramki dwoma przesuwnikami RC. I z tego powodu warto dodać bramkę, która ten sygnał zregeneruje, dodatkowo izolując wpływ następnych podzespołów (pobierających ów sygnał prostokątny) od delikatnego węzła przesuwnika RC. Mam tu jedno zastrzeżenie: w przypadku rezonatorów „zegarkowych” lub podobnych o bardzo niskiej częstotliwości rezonansowej, które z kolei mają wysoką rezystancję szeregową, można w uzasadnionych warunkach pominąć bramkę „regenerującą” sygnał – rezystancja szeregowa rezonatora jest mierzona w dziesiątkach kiloomów, więc jej wpływ na sygnał wychodzący z bramki o stosunkowo „mocnym” wyjściu jest niezauważalny.
Generator Pierce’a jest w dzisiejszych czasach wałkowany na tysiące sposobów przez producentów układów scalonych. Dokument [3] zawiera bardzo ładne opracowanie na temat projektowania generatorów kwarcowych. Ze swojej strony dodam coś, co wynika z mojej praktyki i co znajduje potwierdzenie w coraz większej liczbie projektowanych przeze mnie urządzeń: rezonatory kwarcowe o bardzo wysokiej rezystancji szeregowej (mowa o „zegarkowych”) wielokrotnie wymagają do wzbudzenia rezystora równoległego, który uwzględniono na rysunku 9.
Rezystor ten służy do częściowej linearyzacji bramki NOT, przez co może ona pełnić rolę wzmacniacza, tak bardzo tu przecież potrzebnego. Bez tego rezystora (w swoich projektach typowo daję 10 MΩ – przy okazji nie ma to zauważalnego wpływu na pobór mocy) bramka ma tendencję do „zatrzaskiwania się” w jednym stanie wyjściowym i wtedy nic nie jest w stanie jej zmusić do oscylacji. Dodanie jakiegokolwiek sprzężenia zwrotnego, nawet tak słabego jak kilkumegaomowy rezystor, skłoni ją do rozpoczęcia drgań, aż w końcu dojdzie do stanu ustalonego, zgodnie z rysunkiem 10.
Należy pamiętać, że jest to układ objęty dodatnim sprzężeniem zwrotnym, więc każdy, choćby minimalny sygnał na wejściu, zostanie wzmocniony i przekazany na wyjście, inicjując w ten sposób drgania. Trzeba jedynie „pomóc” układowi zainicjować te pierwsze oscylacje. Rezystor zmniejsza wprawdzie wypadkowe wzmocnienie, co wydłuża czas dochodzenia do stanu ustalonego, ale za to zdecydowanie zwiększa niezawodność układu, zwłaszcza we współpracy z rezonatorami kwarcowymi o bardzo wysokich rezystancjach szeregowych.
Michał Kurzela, EP
Źródła:
[1] https://www.tme.eu/pl/details/qoh4.00/generatory-kwarcowe-tht/yic/
[2] https://bgaudioclub.org/uploads/docs/Crystal_Oscillator_Circuits_Krieger_Matthys.pdf
[3] https://www.ti.com/lit/an/swra495l/swra495l.pdf
[4] https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/31002a.pdf
