Стабилизация частоты микроконтроллера пьезокерамическим резонатором
Исторически первыми появились кварцевые резонаторы. Но в конце 1940-х годов независимые исследования советских, американских и японских учёных привели к обнаружению пьезоэлектрических свойств у керамики из тотаната бария. Керамика гораздо дешевле, чем природный или искусственный кварц, поэтому следующей задачей стало получение материалов с максимально стабильными параметрами. Современная пьезокерамика изготавливается из цирконата-титаната свинца Pb(Zr,Ti)03. В литературе её называют PZT- или ЦТС-керамикой.
Термин «пьезо» происходит от греческого «piezo» — давлю. При воздействии на пьезокерамический резонатор (ПКР) переменного электрического поля резонатор начинает вибрировать. При внешней частоте, равной частоте внутренних механических колебаний, возникает высокодобротный резонанс.
На Рис. 5.6 показана эквивалентная схема ПКР. Она в целом совпадает со схемой кварцевого резонатора, но статическая ёмкость СО заменяется нелинейной «параллельной» ёмкостью Сп и добавляется резистор утечки R0 = 50...500 кОм [5-1]. В современных ПКР сопротивление R0 может быть гораздо больше (мегаомы).
Типовые значения элементов, входящих в ПКР фирмы Murata Manufacturing, на частоте 3.58 МГц: L, = 0.445 мГн; С, = 4.79 пФ; Сп = 41.7 пФ; R, = 9.9 Ом. По сравнению с кварцевыми резонаторами наблюдается на порядок меньшее отношение ёмкостей конденсаторов Сп/С1 что на практике означает более широкий диапазон перестройки по частоте (Табл. 5.1).
Добротность, коэффициент старения и температурная стабильность у ПКР хуже, чем у кварцевых резонаторов. Это связано с внутренними потерями в пьезо-керамике, обусловленными доменной структурой и неоднородным поликристаллическим строением.
Наибольшая скорость старения пьезокерамики приходится на первый год эксплуатации. Интересно отметить, что старение приводит к увеличению резонансной частоты и повышению добротности. Налицо один из редких случаев, когда у радиоэлемента с течением времени в чем-то даже улучшаются параметры.
В частотном плане все ПКР можно условно разделить на следующие группы:
- низкочастотные (до 1 МГц);
- среднечастотные (1...10 МГц);
- высокочастотные (10...300 МГц);
- сверхвысокочастотные (300...4500 МГц).
На низких частотах ПКР могут дать фору кварцевым резонаторам, имея более низкое сопротивление при последовательном резонансе. Например, на частотах 200...800 кГц это сопротивление у ПКР составляет 20...70 Ом, а у кварцевых резонаторов — 100... 1000 Ом. На средних частотах ПКР изготавливаются массово, но только в узком «ширпотребовском» диапазоне частот 3...4 МГц, что актуально, в частности, для пультов дистанционного управления. Высокочастотные ПКР уже вплотную осваивают частоты 50...70 МГц. К сверхвысокочастотным ПКР относятся керамические резонаторы коаксиального типа, применяемые для стабилизации и перестройки частоты разнообразных радиотехнических устройств.
В целом ПКР занимают промежуточное положение между кварцевыми резонаторами и LC-контурами. Основные достоинства ПКР: низкая стоимость, средняя стабильность, широкий диапазон перестройки по частоте, высокая устойчивость к падениям и ударам, большая допустимая перегрузка по мощности. В любительской практике обычно используются диапазоны 0.3...0.6 МГц и 1...4 МГц.
Схемы подключения ПКР и кварцевых резонаторов во многом совпадают и могут замещать друг друга. Различают двух- и трёхвыводные ПКР (Рис. 5.7, а...г). Последние имеют внутри два конденсатора, соединённые «треугольником», как в схемах генераторов МК с параллельным резонансом.
Рис. 5.7. Схемы подключения ПКР к МК:
а) BQ1 — это трёхвыводной ПКР. Конденсатор С J подстраивает частоту генерации, но он может отсутствовать. Резистор R1 в некоторых случаях облегчает начальный самозапуск;
б) типовое подключение двухвыводного ПКР BQ1. Резисторы RI, R2 подбираются экспериментально по максимальной устойчивости запуска генератора и могут отсутствовать;
в) упрощённая схема подключения двухвыводного ПКР, требующая практической проверки в каждом конкретном случае. Конденсаторы «обвязки» должны находиться внутри МК и активизироваться программированием конфигурационных битов;
г) тактовый генератор на доработанном пьезокерамическом фильтре BFI. Доработка заключается в аккуратной разборке фильтра и извлечении из него отдельных дисков, каждый из которых можно рассматривать как самостоятельный П КР. Конденсатором CI точно подстраивают частоту.
Источник: Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема.