Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2006 №1

Кремниевый осциллятор заменяет тактовый генератор на кварцевом или керамическом резонаторе

Михалев Павел


В большинстве практических приложений, использующих микроконтроллеры, кремниевые осцилляторы могут заменить тактовые генераторы на кварцевых и керамических резонаторах. Обладая такими преимуществами, как невосприимчивость к вибрации, ударным воздействиям и электромагнитным помехам (ЭМП), подобные осцилляторы имеют меньшие габариты и проще в обращении по сравнению с другими схемами. В работе рассматриваются основные типы тактовых генераторов, применяемых в микроконтроллерах, анализируются критерии выбора схемы генератора в зависимости от конкретной задачи, а также предлагается краткий обзор микросхем кремниевых осцилляторов, выпускаемых фирмой MAXIM.

Введение

Генераторы тактовых импульсных последовательностей являются неотъемлемыми элементами микроконтроллерной схемотехники. Критерий выбора тактового генератора, как правило, зависит от четырех основных параметров: точности, напряжения питания, габаритов и шума. Требования точности обычно определяются для данного приложения коммуникационными стандартами. Например, высокоскоростной порт USB требует суммарной точности тактового генератора ±0,25%. В противоположность этому системы без внешних коммуникаций могут функционировать совершенным образом при точности тактового генератора 5, 10 или даже 20%. В таких системах наиболее целесообразно использовать кремниевые осцилляторы благодаря их крайне низкой стоимости и простоте применения.

Большинство тактовых генераторов для микроконтроллеров может быть отнесено к двум основным типам:

  • генераторы, основанные на использовании приборов с механическим резонансом, такие как кварцевые и керамические резонаторы;
  • генераторы, основанные на использовании времязадающих RC-цепей в обратной связи активного элемента, или просто RC-генераторы.

Кремниевые осцилляторы (Silicon Oscillators, термин, используемый фирмой MAXIM) представляют собой полностью интегральную версию RC-генератора с дополнительными источниками тока, для увеличения стабильности согласованными с помощью подгонки резисторами и конденсаторами и термокомпенсирующими цепями.

Генераторы Пирса

Генераторы, основанные на кварцевых и керамических резонаторах, наиболее часто реализуются по схеме Пирса, в которой кварц или резонатор служит резонансным элементом в цепи обратной связи инвертирующего усилителя. Стабилизация такой схемы, компенсация фазового сдвига и управление усилением поддерживаются дополнительными резисторами и конденсаторами. Кроме того, резисторы обеспечивают демпфирование, необходимое для предотвращения перевозбуждения, которое может вывести из строя кварцевый резонатор.

На рис. 1 приведены две схемы генератора Пирса, использующих в качестве активного элемента (АЭ) CMOS логический инвертор. Это самая типичная реализация. И хотя она обычно менее стабильна и характеризуется большим энергопотреблением по сравнению с транзисторными схемами, но является простой и вполне приемлемой схемой для широкого диапазона практических приложений.

Примеры простейших схем тактовых генераторов: а) схема Пирса с кварцевым или керамическим резонатором; б) RC$генератор с обратной связью
Рис. 1. Примеры простейших схем тактовых генераторов: а) схема Пирса с кварцевым или керамическим резонатором; б) RC-генератор с обратной связью

Сравнение основных схем тактовых генераторов

Тактовые генераторы, основанные на применении кристаллических и керамических резонаторов, в основе которых лежат их собственные механические резонансы, обеспечивают высокое значение начальной точности частоты колебаний и низкий температурный коэффициент. RC-генераторы характеризуются быстрым запуском (быстрым входом в режим) и низкой стоимостью, но отличаются малой точностью, зависящей от температуры окружающей среды и от изменения напряжения источника питания. Эта зависимость приводит к изменению частоты колебаний от 5 до 50% от номинального значения.

Схема, приведенная на рис. 1а, может вырабатывать тактовые импульсы высокой степени качества, однако их характеристики будут сильно зависеть от параметров окружающей среды, выбора компонентов схемы и топологии печатной платы. Керамические резонаторы и связанные с ним величины нагрузочных конденсаторов должны быть оптимизированы для работы с выбранным типом логических элементов. Кварцевые резонаторы, обладающие высокими значениями собственной добротности, чувствительны не столько к выбору типа усилительного элемента, сколько к смещению частоты и даже могут разрушаться при перегрузке. Внешние воздействия, например ЭМП, механические вибрации и ударные воздействия, влажность и температура, также оказывают влияние на работу генератора. Эти воздействия способны вызвать изменение частоты выходного сигнала, увеличение флуктуации частоты и фазы выходного сигнала и в ряде случаев могут привести к прекращению функционирования генератора.

Рассмотренные выше резонаторы используются при создании генераторных модулей, которые содержат все компоненты, необходимые для построения схемотехники генераторов, и обеспечивают при малом выходном сопротивлении выходной сигнал прямоугольной формы.

Функционирование генераторного модуля обеспечивается в пределах всего диапазона внешних условий. Самыми распространенными являются модули на резонаторах (кристаллические) и полностью интегральные кремниевые генераторные модули.

Кристаллические модули обеспечивают точность, сопоставимую с точностью схем генераторов, выполненных на дискретных элементах с дискретным кварцевым или керамическим резонатором.

Кремниевые генераторы являются более прецизионными по сравнению с RC-генераторами, выполненными на дискретных компонентах. Реализуемая ими точность частоты колебаний сопоставима с точностью генераторов, основанных на керамических резонаторах.

Энергопотребление

Энергопотребление — один из важных критериев выбора генератора. Потребление энергии кварцевым генератором, выполненным на дискретных компонентах, определяется главным образом током цепи обратной связи усилителя и величинами используемых в схеме конденсаторов. Энергопотребление усилителей, реализованных по CMOS-технологии, в значительной степени пропорционально рабочей частоте и может быть выражено величиной емкости, рассеивающей энергию. Величина емкости рассеяния логического инвертора типа HC04, который применяется в качестве инвертирующего усилителя, составляет примерно 90 пФ. При работе на частоте 4 МГц и источнике питания с напряжением 5 В это эквивалентно току потребления 1,8 мА. Схема кварцевого генератора на дискретных компонентах обычно содержит дополнительную емкостную нагрузку в 20 пФ. Таким образом, общий ток потребления возрастает до 2,2 мА.

Схемы с керамическими резонаторами обычно характеризуются большими значениями емкостной нагрузки по сравнению со схемами на кварцевых резонаторах, что приводит к еще большему току потребления при использовании аналогичного усилителя.

Для сравнения: генераторные модули с использованием кварцевых резонаторов, характеризуются током потребления от 10 до 60 мА, поскольку их схемотехника содержит цепи термокомпенсации и управления. Ток потребления кремниевых генераторов зависит от типа модуля и функции и может изменяться в пределах от нескольких мкА (для низкочастотных модулей сфиксированной частотой) до десятков мА (для программируемых модулей).

Выбор тактового генератора

Выбор оптимального тактового генератора для применения с конкретным типом микроконтроллера определяется комбинацией факторов, включающих точность, стоимость, энергопотребление и внешние воздействия.

В таблице 1 приведены сравнительные характеристики тактовых генераторов разных типов.

Таблица 1. Сравнительные характеристики тактовых генераторов
Сравнительные характеристики тактовых генераторов

Краткий обзор микросхем кремниевых осцилляторов фирмы MAXIM

Выпускаемые фирмой микросхемы кремниевых осцилляторов с указанием их основных параметров приведены в таблице 2 (данные на конец 2005 г.).

Все указанные микросхемы устойчиво работают при напряжении питания от 2,7 до 5,5 В, что хорошо согласуется с типовыми напряжениями питания микроконтроллеров. Температурный диапазон гарантированной работоспособности всех схем составляет от –40 до +125 °С. Отсутствие в таблице параметров по потребляемому току для трех последних микросхем объясняется их недоступностью в открытом виде, что свидетельствует о новизне данных разработок.

Для иллюстрации возможностей кремниевых осцилляторов рассмотрим несколько подробнее две первые микросхемы из таблицы 2.

Таблица 2. Основные параметры кремниевых осцилляторов
Основные параметры кремниевых осцилляторов

1. MAX7375

Выходной сигнал схемы — последовательность прямоугольных импульсов с коэффициентом заполнения импульсной последовательности 50%. Схема генератора не содержит петли ФАПЧ и при включении не требует дополнительных элементов.

Микросхема предлагается с настройкой по стандартной и нестандартной сеткам частот в диапазоне от 600 кГц до 9.99 МГц.

Типовое включение микросхемы приведено на рис. 2.

Типовое включение микросхемы
Рис. 2. Типовое включение микросхемы

В обычном стандарте микросхема выпускается на набор фиксированных частот, данные о которых приведены в таблице 3.

Таблица 3. Набор фиксированных частот
Набор фиксированных частот

На рис. 3 приведена топология подключения микросхемы MAX7375 для микроконтроллера MC68HC908.

Микроконтроллер MC68HC908
Рис. 3. Микроконтроллер MC68HC908, с использованием микросхемы MAX7375

Кремниевые осциляторы обладают относительно низким выходным сопротивлением, и их выходной сигнал можно передавать на разумные растояния. Это делает размещение осцилятора на плате менее критичным.

Кроме того это позволяет одному осцилятору тактировать несколько устройств. Как и любой высокоскоростной сигнал, выход тактового генератора создает электромагнитное излучение при управлении сигналами синхронизации на удаленном расстоянии. Это излучение можно минимизировать включением резистора последовательно между сигнальным выходом микросхемы и входом каждого из управляемых устройств. Такой подход иллюстрируется рис. 4, на котором показано управление микросхемой MAX7375 двумя тактовыми входами.

Последовательно включенные резисторы
Рис. 4. Последовательно включенные резисторы для минимизации электромагнитного излучения

2. MAX7376

Этот генератор тактовых импульсов совмещен с генератором сигнала Reset, что упрощает и удешевляет конструкцию микропроцессорных устройств. При производстве данная микросхема программируется на частоту в пределах диапазона от 32,768 кГц до 10 МГц в соответствии с таблицей 4.

Таблица 4. Параметры микросхемы MAX7376
Таблица 4. Параметры микросхемы MAX7376

По заказу возможно программирование на любую частоту в диапазоне, указанном в таблице 2.

Структура микросхемы приведена на рис. 5.

Структура микросхемы MAX7376
Рис. 5. Структура микросхемы MAX7376

Типовая схема включения MAX7376 приведена на рис. 6.

Типовая схема включения MAX7376
Рис. 6. Типовая схема включения MAX7376

Выводы

Выбор оптимального тактового генератора для применения с конкретным типом микроконтроллера, определяется следующими факторами: его точностью, стоимостью, энергопотреблением, внешним воздействием, конструктивным исполнением, а также условиями эксплуатации.

Для систем без внешних коммутаций, в которых от контроллера не требуется работа с высокими тактовыми частотами и высокой стабильностью (например, многоканальные охранные системы сигнализации), наиболее целесообразно применение кремниевых осцилляторов. Такие генераторы в свете современного развития разнообразных измерительных и управляющих систем с использованием микроконтроллеров, представляют собой весьма перспективные в применении микросхемы.

Более подробную информацию по данному и смежным вопросам можно найти на сайте компании Maxim Integrated Products

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке