Zaloguj się
Wszystkie
27 grudnia 2024
57
Rezonatory i generatory kwarcowe są w niemal każdym urządzeniu posiadającym jakikolwiek mikrokontroler, mikroprocesor czy specjalizowany układ czasowy. Niemal, bo czasem nie potrzeba ani wysokiej stabilności, ani dokładności częstotliwości, a w takich sytuacjach dla producenta wychodzi taniej zrezygnować z rezonatora kwarcowego na rzecz innego rozwiązania. Są też sytuacje, w których stabilność i dokładność typowego rezonatora nie wystarczy, dobrym przykładem są dokładne mierniki i generatory częstotliwości. W takich sytuacjach zwykły rezonator nie wystarczy. Zacznijmy jednak od typowego projektu każdego początkującego programisty mikrokontrolerów – odmierzania czasu.
Parametry rezonatorów, generatorów i innych źródeł sygnałów czasowych
Kluczowym parametrem, na który każdy zwraca uwagę jest częstotliwość pracy. Na rezonatorach podawana jest podstawowa częstotliwość rezonansowa, dla generatorów jest to częstotliwość generowanego sygnału, lub zakres częstotliwości. Wybór rezonatora lub generatora zależy właśnie od założonej częstotliwości pracy docelowego układu. Konstruktor-hobbysta często skupia się na tym parametrze, zapominając o innych, które też mogą mieć znaczenie, zależnie od zastosowania.
Drugim parametrem, na który wypada zwrócić uwagę jest dokładność częstotliwości. Parametr ten określa, jak blisko podanej częstotliwości znamionowej jest rzeczywista częstotliwość rezonatora czy generatora. Parametr ten najczęściej podawany jest w ppm, czyli w częściach na milion. Jako przykład niech posłuży rezonator 10 MHz firmy IQD, LFXTAL003169. Dokładność częstotliwości, zwana też tolerancją, ma, wg noty katalogowej, wartość ±30 ppm. By obliczyć tolerancję należy podzielić częstotliwość przez milion i pomnożyć przez podaną wartość. W tym przypadku częstotliwość rzeczywista może się różnić o ±300 Hz. Czytelnik może dojść do wniosku, iż taki rezonator do niczego się nie nadaje, ale w praktyce rozrzut parametrów przypomina klasyczny rozkład Gaussa, co oznacza, iż elementów będących najbliżej pożądanej częstotliwości będzie najwięcej, a tych o skrajnych wartościach najmniej. Dla typowych zastosowań, jak zegary mikrokontrolerów czy mikroprocesorów, taka dokładność jak najbardziej wystarczy.
Kolejnym, istotnym parametrem jest stabilność częstotliwości. Dla naszego przykładowego rezonatora wynosi ona ±50 ppm. Określa on, o ile może zmieniać się częstotliwość rezonatora bądź generatora w trakcie pracy. W tym przypadku będzie to aż ±500 Hz. Na stabilność mają wpływ takie rzeczy, jak temperatura otoczenia, zewnętrzne drgania, warunki zasilania rezonatora czy nawet jego orientacja względem Ziemi. Pole grawitacyjne bowiem ma wpływ na drgania rezonatora. Częstotliwość rezonatora może też ulec zmianie pod wpływem wstrząsu, i czasem jest to trwała zmiana. Stabilność częstotliwości rezonatora dotyczy przede wszystkim krótkich okresów pracy – zazwyczaj w perspektywie długoterminowej częstotliwość rezonatora jest znacznie bardziej stabilna, gdyż krótkotrwałe jej zmiany są uśredniane.
Powiązanym parametrem jest współczynnik starzenia się rezonatora. Ponieważ rezonator fizycznie drga, materiał półprzewodnikowy ulega ciągłym deformacjom, w naszym przypadku dziesięciu milionom deformacji na sekundę. Zmęczenie materiału powoduje zatem po pewnym czasie zmianę częstotliwości drgań. Dla naszego przykładu nota podaje zmianę o ±5 ppm na rok przy pracy w temperaturze 25°C. Problem starzenia dotyczy nie tylko tanich rezonatorów, ale też drogich generatorów skompensowanych termicznie (TXCO) czy stabilizowanych termicznie (OCXO). Dlatego jeśli Czytelnika kusi zakup generatora lub miernika częstotliwości wyprodukowanego 30-50 lat temu, bo ma relatywnie niską cenę, a przy tym świetne parametry, powinien on pamiętać o problemie starzenia się rezonatorów i generatorów oraz o kosztach kalibracji takiego instrumentu względem dokładnego wzorca czasu i częstotliwości.
Na koniec warto nadmienić o mocy strat rezonatorów, elementy te bowiem mają pewną rezystancję pasożytniczą wynikającą z ich poniekąd mechanicznej natury pracy. Noty katalogowe podają tę informację, jak i też dopuszczalny poziom sygnału pobudzającego rezonator.
Zbytnie przeciążenie rezonatora nie tylko go rozgrzewa wpływając na częstotliwość rezonansową, ale w skrajnych przypadkach może zwyczajnie uszkodzić rezonator. W przypadku scalonych generatorów kwarcowych wystarczy nie przekraczać maksymalnego napięcia zasilania układu, jak to jest w przypadkach innych scalonych półprzewodników.
NAPISZ DO AUTORA
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
