Minimoduł precyzyjnego generatora częstotliwości zegarkowych

Minimoduł precyzyjnego generatora częstotliwości zegarkowych

Podczas budowy zegarów najważniejszym elementem funkcjonalnym jest generator częstotliwości wzorcowej, która po odpowiednim podziale służy do odmierzania czasu. W większości przypadków sygnał taktujący zegar pochodzi z prostego oscylatora z rezonatorem kwarcowym lub nawet z sieci zasilającej, co przyczynia się do sporego błędu w odmierzaniu czasu. Jest to szczególnie uciążliwe, gdy możemy obserwować w jednym pomieszczeniu kilka zegarów, które po pewnym czasie wskazują różne czasy.

Podstawowe parametry:
  • źródłem częstotliwości jest wysokostabilny oscylator typu ATXK-H14 o częstotliwości 32,768 kHz firmy Abracon,
  • dokładność w pełnym zakresie narażeń to 3,8...8 ppm,
  • moduł dostarcza przebiegów prostokątnych o częstotliwości 1 Hz i 32,768 kHz.

Źródłem częstotliwości jest wysokostabilny oscylator typu ATXK-H14 o częstotliwości 32,768 kHz firmy Abracon. W podstawowym wykonaniu jego dokładność w pełnym zakresie narażeń to 3,8...8 ppm w zależności od wersji. W modelu zastosowano wersję ATXK-H14-D-32.7-E50 o dokładności 5 ppm w zakresie -40...85°C, co umożliwia uzyskanie dokładności ±0,432s/dzień, a w praktyce jeszcze wyższej.

Gwarantuje to zwiększenie precyzji odmierzania czasu w porównaniu z kwarcem 32,786 kHz, którego dokładność typowo to 50...100 ppm i 10...20 ppm w dokładniejszych wykonaniach. Jest to jednak dokładność samego kwarcu, nieuwzględniająca wpływu czynników zewnętrznych np. zmian temperatury i napięcia zasilania na układ samego oscylatora.

Budowa i działanie

Zaprezentowany minimoduł dostarcza przebiegów prostokątnych o częstotliwości 1 Hz i 32,768 kHz, czyli najczęściej używanych do taktowania RTC. Schemat modułu został pokazany na rysunku 1.

Rysunek 1. Schemat generatora

Założeniem podczas opracowania układu była możliwie duża uniwersalność, min. zakres napięcia zasilania 3,3...5 V. W związku z tym wybrano oscylator zasilany napięciem 1,8 V oraz dodatkowy stopień stabilizacji na precyzyjnym niskoszumowym źródle napięcia odniesienia U1 typu MCP1501T18. Napięcie odniesienia 1,8 V zasila oscylator poprzez dodatkowy filtr R1, C2 zmniejszający poziom szumów, rezystor R1 jest niezbędny także do odseparowania pojemności C2 od U1, ponieważ dla zapewnienia stabilności nie może być obciążany pojemnością większą niż 10 nF. Idealnie jako kondensator C2 powinien zostać zastosowany kondensator tantalowy, ale ze względu na trudną dostępność elementów 0603 trzeba z konieczności zastosować kondensator ceramiczny X5R.

Sygnał wyjściowy generatora jest w standardzie CMOS 1,8 V, układ U2 typu 74LXC1T14 zawiera inwerter z układem Schmitta i translator poziomów logicznych, który separuje sygnał wyjściowy O32K18 od obciążenia dzielnikami oraz dopasowuje poziom logiczny do standardu 3,3/5 V. Po dodatkowym buforowaniu poprzez U4 sygnał 32,768 kHz doprowadzony jest do złącza OUT.

Dla uzyskania sygnału 1 Hz zastosowano specjalizowany piętnastostopniowy dzielnik U3 typu 74AHC1G4215, którego budowę wewnętrzną przedstawiono na rysunku 2. 74AHC1G4215 pochodzi z rodziny 74AHC1G42xx specjalizowanych oscylatorów i dzielników częstotliwości, zawierających w zależności od typu od 8 do 15 stopni podziału. Zastosowanie 74AHC1G4215 znacząco upraszcza budowę dzielnika w porównaniu z układami bazującymi na licznikach HC390/393, tym bardziej że jest zamknięty w niewielkiej obudowie TSSOP5, tak jak pozostałe elementy logiki jednobramkowej.

Rysunek 2. Budowa wewnętrzna 74AHC1G4215 (za notą Nexperia)

Sygnał wyjściowy 1 Hz z dzielnika U3 jest buforowany poprzez U4 i doprowadzony do złącza OUT.

Montaż i uruchomienie

Moduł zmontowany jest na dwustronnej płytce drukowanej, której schemat został pokazany na rysunku 3. Sposób montażu jest klasyczny i nie wymaga opisu.

Rysunek 3. Schemat płytki PCB

Moduł generatora nie wymaga uruchamiania, po doprowadzeniu zasilania 3,3...5 V, na wyjściach powinny pojawić się przebiegi 1 Hz i 32,768 kHz. Pobór prądu bez obciążenia wyjść to ok. 550 μA.

Jeżeli moduł zastosowany jest do modyfikacji istniejącego oscylatora, to aby nie uszkodzić wejść układu, należy w pierwszej kolejności, korzystając z not aplikacyjnych, zwrócić uwagę, czy układ akceptuje sygnały prostokątne o amplitudzie zasilania i wykonać odpowiedni obwód dopasowujący.

W dwóch modelach, po tygodniowym starzeniu, uzyskano częstotliwości 32,767913 kHz oraz 32,767946 kHz (Hameg HM8021-4, GATE=10 s), co odpowiada błędom względnym znacznie poniżej 3 ppm w temperaturze pokojowej i zasilaniu 3,3...5 V. Dodatkową poprawę dokładności można uzyskać, zamykając generator w małym pudełku termostatycznym.

Adam Tatuś, EP

Wykaz elementów:
Rezystory: (SMD0603, 1%)
  • R1: 68 Ω
  • R2, R3: 33 Ω
Kondensatory: (SMD0603, ceramiczny)
  • C1, C3: 1 nF COG/NP0
  • C2: 1 μF
  • C4: 2,2 μF
  • C6, C7, C8: 0,1 μF
Półprzewodniki:
  • U1: MCP1501T18ECHY (SOT-23-6)
  • U2: 74LXC1T14QDCKR (SC70-5)
  • U3: 74 AHC1G4215 (TSSOP5)
  • U4: 74L VC2G34GW,125 (SC88)
Pozostałe:
  • OSC: generator kwarcowy ATXK-14-D-32,7 (ATXK-H14)
  • OUT: złącze SIP 4 kątowe 2,54 mm
Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
luty 2024
DO POBRANIA
Materiały dodatkowe

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik czerwiec 2024

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio maj - czerwiec 2024

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje maj 2024

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna czerwiec 2024

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich czerwiec 2024

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów