Меню

Кварцевый генератор

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

Кварцевый генератор

и те, которые выдают прямоугольный сигнал

Кварцевый генератор

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:

схема Пирса

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

Кварцевый генератор

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

катушка индуктивности

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:

как замерить индуктивность

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.

2n5485

Распиновка слева-направо: Сток — Исток — Затвор

Ну а дальше дело за малым. Собираем схемку:

схема Пирса

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

цифровой осциллограф

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).

генерация колебаний

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:

Кварцевый генератор

Как вы видите 32,77 Мегагерц.  Главное, что наш кварц живой и схемка работает!

Давайте возьмем кварц с частотой 27 Мегагерц:

Кварцевый генератор

Показания у меня прыгали. Заскринил, что успел:

Кварцевый генератор

Частоту тоже более-менее показал верно.

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

Вот осциллограмма  кварца на 16 Мегагерц:

Кварцевый генератор

Осциллограф показал частоту ровнехонько 16 Мегагерц.

Здесь поставил кварц на 6 Мегагерц:

Кварцевый генератор

Ровно 6 Мегагерц

На 4 Мегагерца:

Кварцевый генератор

Все ОК.

Ну и возьмем еще советский на 1 Мегагерц. Вот так он выглядит:

кварцевый генератор 1 Мгц

Сверху написано 1000 Килогерц = 1МегаГерц ;-)

Кварцевый генератор

Смотрим осциллограмму:

Кварцевый генератор

Рабочий!

При большом желании можно даже замерять частоту китайским генератором-частотомером:

Кварцевый генератор

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.

часовой кварц

«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.

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

синусоидальный сигнал

Но также есть видоизмененная схема Пирса для прямоугольного сигнала

меандр

А вот и она:

схема Пирса

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:

Кварцевый генератор

Вот ее распиновка:

Кварцевый генератор

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

Кварцевый генератор

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?

Кварцевый генератор

Не эта ли часть схемы используется для тактирования микроконтроллеров AVR?

Кварцевый генератор

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:

кварцевые генераторы

или так

Кварцевый генераторкварцевый генератор 4 Мгц

Такие модули кварцевых генераторов в основном имеют 4 вывода.  Вот распиновка квадратного кварцевого генератора:

Кварцевый генератор

Давайте проверим один из них. На нем написано 1 МГц

кварцевый генератор 1 Мгц

Вот его вид сзади:

Кварцевый генератор

Вот его распиновка:

распиновка кварцевого генератора

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.

Кварцевый генератор

Ну прям загляденье!

Да и китайский генератор-частотомер показал точную частоту:

Кварцевый генератор

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.



Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.