Стабилизация частоты микроконтроллера кварцевым резонатором

Чем стабильнее работает МК, тем лучше. Эта аксиома в первую очередь относится к тактовой частоте задающего генератора. Обеспечить её высокую стабильность могут кварцевые резонаторы, подключаемые к выводам ХТ1 (вход) и ХТ2 (выход) подсистемы синхронизации МК.

Немного истории. В 1880 г. французскими учёными братьями Пьером и Жаком Кюри было открыто новое физическое явление — пьезоэлектричество. В 1921 г. профессор Веслейского университета У. Кэди подключил кварцевую пластину к радиогенератору, что обеспечило заметную стабилизацию излучаемой частоты. Радиолюбители сразу же применили эту новинку в самодельных коротковолновых радиопередатчиках середины 1920-х годов.

К настоящему времени существование пьезоэлектрического эффекта обнаружено более чем у 1000 веществ. Вначале использовались кристаллы турмалина и сегнетовой соли. Позже стали применяться кристаллы природного кварца Si02 различной окраски: горный хрусталь (бесцветный), раухтопаз (дымчатый), морион (чёрный), цитрин (золотисто-жёлтый), аметист (сиреневый).

В 1950-х годах была успешно решена проблема выращивания монокристаллов искусственного кварца, который не только не уступает, но и по ряду показателей даже превосходит свой природный аналог.

Диапазон частот современных кварцевых резонаторов составляет от 32768 Гц до 300...400 МГц. Среди них условно выделяют низкочастотные (до 1 МГц), сред-нечастотные (1...30 МГц) и высокочастотные (свыше 30 МГц) резонаторы.

На Рис. 5.1 показана эквивалентная схема кварцевого резонатора. Элементы L1, С1, R1 относятся к ветви последовательного контура. Физически они не существуют, но являются аналогами механических характеристик: массы (L1), упругих свойств (С1), потерь энергии (R1). Последний параметр определяет добротность колебательной системы.

Рис. 5.2. Схемы пьезостабилизированных генераторов: а) генератор с параллельным резонансом; б) генератор с последовательным резонансом.

Статическая ёмкость кварцедержателя СО параллельно с элементами L1, С1, образует ещё один контур, параллельный. Итого на частотной оси размещаются две базовые точки — последовательного и параллельного резонансов. В первой точке кварцевый резонатор имеет минимальное сопротивление, во второй — максимальное, между ними он ведёт себя подобно высокодобротной индуктивности.

Существование двух «седловых» частот у кварцевых резонаторов позволяет разделить схемы их включения на два типа:

• генераторы с параллельным резонансом или осцилляторные генераторы (Рис. 5.2, а), у которых условие баланса фаз обеспечивается индуктивной составляющей. Колебательная система, состоящая из индуктивности (схема замещения резонатора ZQ1) и последовательно соединённых конденсаторов С1, С2, на рабочей частоте подобна параллельному контуру (отсюда и название). Усилитель А1 должен изменять, точнее, инвертировать, фазу сигнала на нечётное число полупериодов: 180°, 540°, 900° и т.д.;

• генераторы с последовательным резонансом или фильтровые генераторы (Рис. 5.2, б), в которых резонатор ZQ1 работает вблизи минимума своего сопротивления при малом сдвиге фазы между напряжением и током. Последовательный резонанс обеспечивает узкую полосу пропускания, в связи с чем отфильтровываются гармоники (отсюда и название). Усилитель A J должен изменять фазу сигнала на чётное число полупериодов: 360°, 720°, 1080° и т.д.

При покупке кварцевого резонатора (на сленге «кварца») следует проверить его внешний вид на «фирменность», а именно, убедиться в наличие легко читаемой и не стираемой пальцами лазерной маркировки с обозначением частоты, знака изготовителя, даты производства, рекомендуемой ёмкости нагрузки. Последний параметр важен, если требуется обеспечить устойчивость запуска строго на штатной частоте в условиях разброса питания и температуры окружающей среды.

Для бытовых схем с МК, как правило, применяют недорогие низко- и средне-частотные кварцевые резонаторы без претензий на высокую стабильность параметров и точность настройки. Основным является режим генерации с параллельным резонансом (Рис. 5.3, а...и). Ещё бывают схемы с электронной подстройкой частоты (Рис. 5.4, а...в), а также с несколькими резонаторами (Рис. 5.5, а...г).

Рис. 5.3. Схемы подключения кварцевых резонаторов к МК (начало):

а) необходимость в резисторах R1, R2 определяется экспериментально по устойчивости запуска МК во всём диапазоне рабочих температур и напряжений питания. Реально в схемах ставится один из двух резисторов или оба заменяются перемычками. Конденсаторы С1, С2 могут отсутствовать, что определяется указаниями из даташита для выводов ХТ1, ХТ2 или RTC1, RTC2;

б) отсутствие конденсаторов «обвязки» возле низкочастотного кварцевого резонатора ZQ1 является штатным режимом работы при условии, что конденсаторы находятся внутри МК и подключаются к выводам ХТ1, ХТ2 установкой определённых конфигурационных битов. Высокочастотные кварцевые резонаторы тоже могут подключаться к МК напрямую, но устойчивость запуска не гарантируется, надо проверять на практике;

в) цепочка СЗ, L1 шунтирует вывод ХТ2 на низких частотах, предотвращая запуск кварцевого резонатора ZQ1 на первой гармонике. Эта схема эффективна для кварцевых резонаторов, работающих на третьей и пятой механических гармониках. Элементы СЗ, L1 могут подключаться не только к выводу ХТ2, но и к выводу ХТ1;

г) кварцевый резонатор ZQ1 включается по стандартной схеме между выводами ХТ1 и ХТ2 МК. Конденсатор С1 подстраивает в небольших пределах частоту генерации. Рекомендуемые ёмкости конденсаторов указываются в даташитах, но реально они могут быть другими и не обязательно одинаковыми. Общий принцип — чем выше частота, тем меньше ёмкость. Один из двух параллельно включённых конденсаторов С1 и С2 может отсутствовать;

д) конденсатором СЗ подстраивают частоту генерации в небольших пределах. Резисторы R1, R2 облегчают условия автозапуска при крайних значениях температуры и напряжения питания. Резистор R2 может отсутствовать, а конденсатор СЗ и резистор R1 допускается заменить перемычками:

Рис. 5.3. Схемы подключения кварцевых резонаторов к МК (окончание):

е) резистор R1 по высокой частоте шунтирует вход ХТ1 генератора МК, что может улучшить условия самовозбуждения при низком напряжении питания;

ж) общая точка соединения конденсаторов С1, С2 подключается не к общему проводу, а к питанию. Это может понадобиться, например, если «плюс» питания соединяется с «массой», или таким путём удобнее делать разводку проводников на печатной плате;

з) запуск кварцевого резонатора ZQ1 на третьей гармонике (24 МГц). Требуется предварительное макетирование с подбором элементов L1, С1, R1

и) схема применяется, если один из выводов кварцевого резонатора ZQ1 обязательно должен иметь соединение с общим проводом. Требуется предварительное макетирование с подбором ёмкостей конденсаторов.

Рис. 5.4. Схемы с электронной подстройкой частоты кварцевого резонатора:

а) параллельно конденсатору СЗ подключается цепочка, состоящая из конденсатора С2 и двух варикапов VDI, VD2. Резистором RI изменяется напряжение на варикапах (их ёмкость), вследствие чего подстраивается в небольших пределах частота генерации;

б) транзистор VTJ используется как варикап с изменяемой ёмкостью. Частота генерации регулируется резистором R1. Вновь испечённый «транзисторный варикап» по высокой частоте подключается параллельно конденсатору СЗ с учётом последовательного конденсатора С2;

в) частота задающего кварцевого генератора МК модулируется управляющим напряжением с частотой /^од- Ёмкость высокочастотного варикапа VD1 изменяется в пределах от 20 до 40 пФ при напряжении модулирующего сигнала соответственно от +5 до +0.5 В.

Рис. 5.5. Схемы подключения нескольких кварцевых резонаторов к МК (начало):

а) переключение двух тактовых частот F1 (32768 Гц) и F2 (1 МГц) осуществляется по сигналу от МК. Когда электронный ключ микросхемы DA J разомкнут, то М К работает на частоте F1  когда замкнут — на частоте F2. Резистор R2 может отсутствовать. Вывод 7 микросхемы DA1 соединяется с общим проводом, а вывод 14 — с цепью +5 В. На время переключения частоты должна быть сделана программная пауза. Не лишним будет предусмотреть рестарт МК;

б) параллельное включение нескольких низкодобротных кварцевых резонаторов ZQl...ZQn расширяет диапазон регулирования частоты. Конденсатором С J можно плавно перестраивать тактовую частоту 20 МГц на 120 кГц при сохранении «кварцевой» стабильности генерации. Это очень хороший показатель для схем подобного класса. Резистор RI сопротивлением 4.7...20 кОм уменьшает неравномерность амплитуды. Конденсатор СЗ и катушка L1 задают диапазон перекрытия по частоте. Кварцевые резонаторы должны быть одного типа и одной номинальной частоты. Оптимальное их количество подбирается экспериментально, обычно 4 или 5;

Рис. 5.5. Схемы подключения нескольких кварцевых резонаторов к МК (окончание):

в) движковый переключатель S1 коммутирует тактовый сигнал М К от кварцевого генератора G1 или от кварцевого резонатора ZQ1. После переключения необходимо произвести сброс МК;

г) смена частоты генерации осуществляется механическим переключателем SA У, который должен иметь малую переходную ёмкость между своими контактами (единицы пикофарад). После изменения частоты необходимо сделать начальный сброс МК.

Источник: Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема.