Особенности кварцевой стабилизации частоты генераторов

При разработке кварцевого генератора следует обращать внимание, что кварцевый генератор на основе мультивибратора работает несколько по другим принципам по сравнению со схемой емкостной трехточки. Если в емкостной трехточке кварцевый резонатор используется в качестве индуктивности, входящей в колебательный контур резонатора, то в схеме мультивибратора кварцевый резонатор используется в качестве узкополосного фильтра в цепи обратной связи. Это приводит к тому, что один и тот же резонатор, включенный в схему мультивибратора или в схему емкостной трехточки, будет генерировать различные частоты!

Для того чтобы разобраться с этим явлением, давайте рассмотрим эквивалентную схему кварцевого резонатора и характеристику зависимости сопротивления кварцевого резонатора от частоты. Эквивалентная схема кварцевого резонатора приведена на рис. 7.12 а, а характеристика зависимости его комплексного сопротивления от частоты — на рис. 7.12 б.

а б

Рис. 7.12, а — эквивалентная схема кварцевого резонатора;
б — зависимость сопротивления кварцевого резонатора от частоты.

Элементы L1 и C2 определяются механическими параметрами кристалла кварцевого резонатора, а емкость C1 — это конструктивная емкость кварцедержателя и электродов. Емкость кварцедержателя много больше эквивалентной емкости последовательного контура, отображающего резонансные свойства кварцевого резонатора. Его комплексное сопротивление может быть записано в виде следующего выражения:

Напомним, что при последовательном резонансе сопротивление схемы становится нулевым. Частота последовательного резонанса приведенной на рис. 7.12 а схемы может быть получена из следующего выражения:

При параллельном резонансе сопротивление резонатора стремится к бесконечности. Частота параллельного резонанса может быть определена из формулы:

Так как в это выражение входят паразитные элементы (емкость C1), то стабильность частоты параллельного резонанса меньше стабильности последовательного резонанса, определяемого только механическими свойствами кварцевого кристалла.

В схеме мультивибратора используется последовательный резонанс кварцевого резонатора (собственные колебания кристалла), а в осцилляторной схеме генерация производится на частоте, близкой к параллельному резонансу контура, образуемого индуктивностью резонатора и емкостью кварцедержателя. Эти частоты близки, но не совпадают по определению. В результате частоты генерируемых колебаний будут отличаться между собой. Обычно разность частот последовательного и параллельного резонансов составляет около 1 кГц. Настолько же будут отличаться и частоты кварцевых генераторов, построенных по схеме мультивибратора и схеме емкостной трехточки.

Так как генератор, собранный по схеме мультивибратора возбуждается на собственной частоте кварцевого кристалла, то стабильность кварцевого мультивибратора будет выше по сравнению с осцилляторной схемой, так как на частоту последовательного резонанса кварцевого резонатора не влияют внешние паразитные емкости. Однако в генераторе, собранном по схеме мультивибратора, возможно самовозбуждение генератора на частоте, далеко отстоящей от резонансной частоты кварцевого резонатора. Эта частота обуславливается емкостью кварцедержателя и входным сопротивлением активного элемента, поэтому в схеме мультивибратора необходимо предусматривать специальные меры для борьбы с этим явлением.

При построении схем генераторов следует отметить, что они являются мощными источниками помех, поэтому их обычно экранируют. Цепи питания микросхем, на которых реализуются генераторы, обязательно содержат фильтрующие высокочастотные конденсаторы. Часто для лучшей фильтрации по цепи питания кроме конденсаторов используются фильтрующие дроссели.

Для уменьшения помех используются и конструктивные меры. Например, длину проводников до кварцевого резонатора стараются делать как можно короче, рядом с цепью генерируемого сигнала прокладывают корпусные проводники. Таким образом, фактически образуется полосковая (или волноводная) линия передачи. Однако нельзя замыкать корпусной проводник вокруг потенциального проводника, иначе будет образована петлевая антенна, и мы, вместо подавления помех, улучшим их излучение.

Одновибраторы

При работе с цифровыми устройствами достаточно часто требуется формировать одиночные импульсы определенной длительности. Эту задачу выполняют специальные устройства — формирователи импульсов. Такие устройства формируют импульс заданной длительности из произвольного входного импульса. Простейшие формирователи импульсов могут быть реализованы на логических элементах.

Укорачивающие одновибраторы

В укорачивающих одновибраторах обязательным условием является то, что длительность входного импульса должна быть больше длительности формируемого импульса. Рассмотрим схему, приведенную на рис. 7.13.

Рис. 7.13. Схема укорачивающего одновибратора

Если бы логические элементы не обладали задержкой, то на выходе такой схемы постоянно присутствовал единичный логический уровень. Однако это не так. Сигнал на выходе инвертора задержан по отношению к его входу. Временные диаграммы сигналов на входе и выходе инвертора, а также на выходе схемы "2И‑НЕ" приведены на рис. 7.14.

Рис. 7.14. Временные диаграммы укорачивающего одновибратора

Если бы логические элементы не обладали задержкой, то на выходе такой схемы постоянно присутствовал единичный логический уровень. Однако этого не происходит. Сигнал на выходе инвертора задержан по отношению к его входному сигналу. Как видно из приведенных временных диаграмм, одновибратор, схема которого приведена на рис. 7.13, вырабатывает одиночный импульс по переднему фронту входного сигнала. Длительность импульса на выходе такой схемы будет равна времени задержки инвертора.

Если требуется длительность выходного импульса, большая времени задержки одиночного инвертора, то можно применить дополнительные элементы задержки на пассивных RC элементах. Пример подобной схемы приведен на рис. 7.15, а временные диаграммы работы этой схемы приведены на рис. 7.16.

Рис. 7.15. Схема укорачивающего одновибратора с использованием RC элементов задержки

Длительность выработанного формирователем импульса можно вычислить исходя из условия разряда конденсатора С. Действительно, пока конденсатор С разряжается до уровня порогового напряжения логического элемента U_пор, напряжение U2 воспринимается элементом "2И-НЕ" как уровень логической единицы и на его выходе поддерживается уровень логического нуля.

Рис.7.16. Временные диаграммы укорачивающего одновибратора с использованием RC элементов задержки

С течением времени напряжение на конденсаторе C падает до значения порогового напряжения логического элемента U_пор. В этот момент на выходе элемента "2И-НЕ" появится уровень логической единицы. Если считать, что напряжение до начала разряда на конденсаторе было равно напряжению логической единицы U¹, то изменение напряжения U_C с течением времени можно представить как:

,

следовательно

Длительность импульса равна времени разряда конденсатора до порогового значения U_пор. Эту длительность можно определить, воспользовавшись следующей формулой:

Расширяющие одновибраторы

В расширяющих одновибраторах длительность входного (запускающего) импульса должна быть короче длительности формируемого импульса. Схема расширяющего одновибратора приведена на рис. 7.17, а временные диаграммы сигналов на его входе и выходе на рис. 7.18.

Рис. 7.17. Схема расширяющего одновибратора

Рис. 7.18. Временные диаграммы расширяющего одновибратора

Расширяющий одновибратор выполнен на двух логических элементах "2И-НЕ". Схема охвачена положительной обратной связью, так как выход второго элемента соединен с входом первого. В исходном состоянии на выходе элемента D2 формируется уровень логической единицы, а на выходе элемента D1 — уровень логического нуля, так как на обоих входах логического элемента D1 присутствуют логические единицы. При поступлении на вход запускающего импульса с нулевым потенциалом на выходе элемента D1 появится уровень логической единицы, который через конденсатор C поступит на вход второго логического элемента. Элемент D2 инвертирует этот сигнал и уровень "0" по цепи обратной связи подается на второй вход элемента D1. Теперь, даже если на входе снова появится уровень логической единицы, на выходе инвертора D1 будет сохраняться высокое напряжение.

На выходе элемента D2 уровень логического нуля будет присутствовать до тех пор, пока конденсатор C не зарядится до уровня U_c = U¹ – U_пор, а напряжение на резисторе R не достигнет порогового уровня U_пор (рис. 7.18).

Длительность выходного импульса одновибратора может быть определена с помощью выражения:

,

где R_вых — выходное сопротивление первого элемента;

U_пор — пороговое напряжение логического элемента.

Применение одновибраторов

Одновибраторы обычно используются для синхронизации цифровых устройств последовательностного типа, которые будут рассмотрены позднее. При помощи одновибраторов можно укорачивать и расширять импульсы синхронизирующего колебания, формируя тем самым заданную скважность колебания.

Укорочение длительности синхронизующего импульса обычно требуется для четкого определения момента записи или изменения информационного цифрового сигнала. Расширение входного импульса обычно применяется для задержки входного сигнала на заданный интервал времени.

С помощью укорачивающих одновибраторов можно формировать многофазные синхронизирующие сигналы. Рассмотрим пример такой схемы. Пусть требуется сформировать последовательность импульсов, приведенную на рис. 7.19.

Рис. 7.19. Двухтактная синхронизирующая последовательность

Для формирования такой последовательности воспользуемся укорачивающими одновибраторами, работающими по переднему и заднему фронту входного сигнала соответственно. В результате задержка выходных сигналов друг относительно друга будет определяться длительностью импульсов входного сигнала. Получившаяся схема тактовой синхронизации приведена на рис. 7.20.

Рис. 7.20. Схема, формирующая двухтактную синхронизирующую последовательность

В данной схеме инвертор на входе предназначен для устранения влияния параметров источника тактового сигнала на длительность формируемого импульса. Изменение фронта срабатывания нижнего укорачивающего одновибратора достигнуто путем задержки сигнала не на выходе инвертора, а на его входе. Того же самого эффекта можно было бы достигнуть при помощи дополнительного инвертора на входе одновибратора.