Кварцевый генератор. Схема Пирса

24.02.2016 20:18

В прошлой статье мы с вами вели разговор о  кварцевом резонаторе и генераторе . Думаю, теперь все знают отличия резонатора от генератора. Как вы помните, кварцевый генератор обладает очень хорошей стабильностью частоты и поэтому в радиотехнической промышленности стараются применять именно кварцевые генераторы.

 

 

Для того, чтобы возбудить кварц на частоте параллельного 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 салабону, 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 тубик, но как оказалось, тубика 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".

 

 

Давайте соберем эту схемку в реале. Итак, погнали.

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, схемку 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? Хрен-то там. Сказались паразитные параметры плохо собранной схемы и монтажа.

 

 

Внизу в левом углу осцил нам сразу же показывает и частоту:

Осцил нам показал верную частоту с небольшим округлением ;-) А главное, что наш кварц жив и схемка работает!

 

 

Давайте возьмем кварц с частотой 27 МегаГерц:

 

 

 

Показания у меня прыгали. Заскринил, что успел:


 

 

Ну и аналогично проверяем все остальные кварцы, которые у меня есть.

 

 

Вот осциллограмма  кварца на 16 МегаГерц:

Осцил показал частоту ровненько 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 ;-)

 

 

С часовым кварцем схема не завелась...

 

"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 или ее буржуйский аналог CD4033

Принцип работы этой микросхемы таков:

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 мультикомбайн, типа будильника, календаря и тд. Такие микросхемы называется RTC (Real Time Clock) или в переводе с буржуйского Часы Реального Времени.

 


Итак, вернемся к схеме Пирса. Классическая 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 уж 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 МегаОм, а R2 от нуля и до 100 КилоОм. 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 она из шести инверторов, но использовать буду только один:

 

 

Вот ее распиновка:

 

 

Подключив к этой схеме часовой кварц, осцил выдал вот такую осциллограмму:

Ну как всегда всю картинку испортили паразитные параметры монтажа ;-) Но, обратите внимание на частоту. Осцил почти верно ее показал с небольшой погрешностью. Ну оно и понятно, так как главная функция осцила отображать сигнал, а не считать частоту)

 

 

Кстати, вам эта часть схемы ничего не напоминает?

 

 

Не эта ли часть схемы используется для тактирования МК AVR?

Она самая! Просто недостающие элементы схемы уже есть в самом МК ;-)

 

 

И вообще, я советую не заморачиваться по поводу этих самопальных кварцевых генераторов и купить сразу готовый кварцевый генератор в хорошем железном корпусе, вроде этого:

 

 

Вот его вид взади:

 

Брал я его на Али. Можете глянуть его по этой ссылке.

 

Его распиновку я показывал еще в предыдущей статье

 

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.

Красота!

 

 

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.

 

Читайте также:

Источники тактирования микроконтроллеров AVR

 

Кварцевый резонатор и кварцевый генератор

 

Генератор частоты