Что такое осциллятор: Осцилляторы: что это, виды и основные сигналы

Что такое осциллятор? Все, что вам нужно знать | Блог

Практически каждая печатная плата, сделанная в новейшей истории, имеет генератор той или иной формы, и большинство интегральных схем также содержат генераторы. Вам может быть интересно, что такое осциллятор? Генераторы являются важными компонентами, которые производят периодический электронный сигнал, обычно синусоидальную или прямоугольную волну. Генераторы преобразуют сигнал постоянного тока в периодические сигналы переменного тока, которые можно использовать для установки частоты, в аудиоприложениях или в качестве тактового сигнала. Все микроконтроллеры и микропроцессоры требуют генератора для установки тактового сигнала, чтобы функционировать. В некоторых устройствах они встроены, а для некоторых требуется внешний генератор или и то, и другое, имея внутренний генератор низкой точности с возможностью подачи внешнего сигнала.

Электронные устройства используют сигнал часов в качестве эталона времени, что позволяет последовательно выполнять действия. Другие устройства используют сигнал генератора для генерации других частот, которые могут обеспечивать звуковые функции или генерировать радиосигналы.

Понимание различных типов генераторов и принципов их работы поможет вам выбрать правильный генератор для вашего проекта. Если вы пытаетесь создать радиосигнал, вам понадобится гораздо более точный осциллятор, чем для других устройств. Генераторы — это то, что можно легко упустить из виду в проекте, с намерением просто взять любой старый генератор, который находится в диапазоне частот, указанном в техническом описании, который соответствует требованиям к пространству на плате и стоимости. Выбор может быть значительно больше; однако, в зависимости от требований к питанию платы, площади платы и требуемой точности частоты. Некоторые генераторы работают от микроампер или меньшей мощности, тогда как некоторым для работы требуется несколько ампер.

Осцилляторы делятся на две основные категории: гармонические и релаксационные. Гармонические генераторы создают синусоидальную форму волны, RC, LC, колебательные контуры, керамические резонаторы и кварцевые генераторы попадают в эту категорию.

В этой статье мы рассмотрим:

• Резисторно-конденсаторные генераторы (RC)
• Индуктивно-конденсаторные генераторы (LC)
• Керамические резонаторы
• Кварцевые генераторы
• Модули кварцевого генератора
• Генераторы МЭМС
• Силиконовые осцилляторы

Хотя вы, возможно, и не хотите самостоятельно собирать RC- или LC-генераторы, а вместо этого читаете эту статью для получения информации о корпусных генераторах, которые можно просто добавить в схему, я начну с рассказа о RC- и LC-генераторах. . Важно понимать, как они работают и какие у них могут быть недостатки, поскольку многие ИС со встроенными генераторами используют RC- или LC-схему.

Поняв, как они работают, вы сможете лучше понять, когда целесообразно использовать встроенный генератор, а когда целесообразно добавить внешний источник синхронизации. Если вы хотите узнать больше об осцилляторах и тактовых генераторах, вы можете легко собрать RC- или LC-осциллятор на макетной плате и протестировать его с помощью осциллографа. Прежде чем мы углубимся в это, давайте кратко рассмотрим сравнение между каждым типом осциллятора.

В приведенной ниже таблице стоит отметить, что каждый вариант имеет широкий спектр различных устройств, доступных на рынке. Например, если рассматривать генераторы MEMS с фиксированной частотой, варианты, которые регулярно продаются в DigiKey, варьируются от 150 частей на миллион до 50 частей на миллиард с точки зрения стабильности частоты. Этот огромный диапазон частотной стабильности также сопровождается огромным диапазоном цен, поэтому, если один тип генератора может иметь опции для чрезвычайно высокой стабильности или точности в широком диапазоне температур, это не означает, что другой вариант не может быть дешевле для вашей точности. требования.

В качестве крайнего примера можно привести Connor-Winfield OX200-SC-010. 0M 10 МГц VCOCXO — кварцевый генератор со стабильностью частоты всего +/- 1,5 части на миллиард. Атомный осциллятор IQD Frequency Products LFRBXO059244BULK 10 МГц стоит более чем в десять раз дороже в единичных количествах при той же стабильности частоты +/- 1,5 ppb. Несмотря на это, будут времена, когда атомный генератор за 2000 долларов будет лучшим выбором для чрезвычайно точного генератора. IQD Frequency Products также производит VCOCXO, который имеет потрясающую стабильность частоты +/- 1ppb в более широком диапазоне температур, чем атомный генератор. Менее чем в два раза дороже устройства Коннора-Уинфилда в единичных объемах, и все же менее чем в десять раз дешевле атомарного варианта. Для меня невероятно, что сегодня у нас есть источники атомных часов, и еще более безумно, что мы можем иметь кварцевый генератор, который является более точным за небольшую часть цены.

Теперь, когда у нас есть общий обзор опций, давайте перейдем к самым основным генераторам и принципам, лежащим в их основе. RC-генератор — это генератор, который вы можете легко собрать на макетной плате из самых простых компонентов. RC-генератор (резисторно-конденсаторный) представляет собой тип генератора с обратной связью, который построен с использованием резисторов и конденсаторов, а также усилительного устройства, такого как транзистор или операционный усилитель. Усилительное устройство возвращается в RC-цепь, что вызывает положительную обратную связь и генерирует повторяющиеся колебания.

Большинство микроконтроллеров и многих других цифровых ИС, которым требуется тактовый сигнал для выполнения действий, содержат внутри себя сеть RC-генератора для создания внутреннего источника тактового сигнала.

Принцип работы

RC-цепочка RC-генератора сдвигает фазу сигнала на 180 градусов.

Положительная обратная связь необходима для сдвига фазы сигнала еще на 180 градусов. Затем этот фазовый сдвиг дает нам 180 + 180 = 360 фазового сдвига, что фактически равно 0 градусов. Следовательно, общий фазовый сдвиг схемы должен быть равен 0, 360 или другому кратному 360 градусам.

Мы можем использовать тот факт, что фазовый сдвиг происходит между входом в RC-цепь и выходом из той же сети, используя взаимосвязанные RC-элементы в ветви обратной связи. На рисунке выше мы видим, что каждая каскадная RC-цепочка обеспечивает отставание напряжения фазы на 60 градусов. Вместе три сети производят фазовый сдвиг на 180 градусов.

Для идеальных RC-сетей максимальный фазовый сдвиг может составлять 90 градусов. Следовательно, для создания фазового сдвига на 180 градусов генераторам требуется как минимум две RC-цепочки. Тем не менее, трудно достичь ровно 90 градусов фазового сдвига на каждом каскаде RC сети. Нам нужно использовать больше каскадов RC-цепи, соединенных вместе, чтобы получить требуемое значение и желаемую частоту колебаний.

Чистая или идеальная однополюсная RC-цепочка будет давать максимальный фазовый сдвиг ровно 90 градусов. Для генерации нам требуется сдвиг фаз на 180 градусов, поэтому для создания RC-генератора мы должны использовать не менее двух однополюсных цепей.

Фактическая фаза RC-цепи зависит от выбранного номинала резистора и конденсатора для желаемой частоты.

Соединяя несколько RC-сетей каскадом, мы можем получить 180-градусный фазовый сдвиг на выбранной частоте. Этот каскад сетей образует основу для RC-генератора, также известного как генератор фазового сдвига. Добавив усилительный каскад с использованием биполярного транзистора или инвертирующего усилителя, мы можем получить фазовый сдвиг на 180 градусов между его входом и выходом, чтобы обеспечить полный 360-градусный сдвиг обратно к 0 градусам, который нам требуется, как упоминалось выше.

Базовая схема RC-генератора

Первичная схема RC-генератора вырабатывает синусоидальный выходной сигнал с использованием регенеративной обратной связи, получаемой от RC-цепи. Регенеративная обратная связь возникает из-за способности конденсатора накапливать электрический заряд.

Сеть обратной связи резистор-конденсатор может быть подключена для получения опережающего фазового сдвига (сеть фазового опережения) или может быть подключена для создания отстающего фазового сдвига (фазозапаздывающая сеть). Один или несколько резисторов или конденсаторов из схемы фазового сдвига RC могут изменить, чтобы изменить частоту сети. Это изменение можно осуществить, оставив резисторы одинаковыми и используя переменные конденсаторы, поскольку емкостное реактивное сопротивление зависит от частоты. Однако для новой частоты может потребоваться регулировка коэффициента усиления усилителя по напряжению.

Если мы выберем резисторы и конденсаторы для RC-цепочек, то частота RC-колебаний будет:

R — Сопротивление резисторов обратной связи
C — Емкость конденсаторов обратной связи
N — Количество цепочек RC в каскаде

Однако комбинация Сеть RC-генератора работает как аттенюатор и уменьшает сигнал на некоторую величину, когда он проходит через каждый каскад RC. Таким образом, усиление по напряжению усилительного каскада должно быть достаточным для восстановления потерянного сигнала.

Наиболее распространенной схемой RC-генератора является RC-генератор с фазовым опережением на операционном усилителе.

RC-цепь должна быть подключена к инвертирующему входу операционного усилителя, что делает его конфигурацией инвертирующего усилителя. Инвертирующая конфигурация дает 180 градусов фазового сдвига на выходе, что в сумме дает 360 градусов в сочетании с RC-цепочками.

Другой конфигурацией RC-генератора является генератор фазовой задержки операционного усилителя.

поддерживающие колебания. Схема содержит катушку индуктивности, конденсатор, а также усилительный компонент.

Принцип работы

Баковая цепь представляет собой конденсатор и катушку индуктивности, соединенные параллельно, на приведенной выше схеме также показаны переключатель и источник напряжения для простоты демонстрации принципа работы, когда переключатель подключает конденсатор к источнику напряжения, конденсатор обвинения.

Когда переключатель соединяет конденсатор и катушку индуктивности, конденсатор разряжается через катушку индуктивности. Увеличивающийся ток через индуктор начинает накапливать энергию, индуцируя электромагнитное поле вокруг катушки.

Когда переключатель соединяет конденсатор и катушку индуктивности, конденсатор разряжается через катушку индуктивности. Увеличивающийся ток через индуктор начинает накапливать энергию, индуцируя электромагнитное поле вокруг катушки. После разрядки конденсатора энергия от него передается в катушку индуктивности в виде электромагнитного поля. По мере уменьшения потока энергии от емкости уменьшается ток через индуктор, что приводит к падению электромагнитного поля индуктора. Из-за электромагнитной индукции индуктор создаст обратную ЭДС, равную L(di/dt), противодействующую изменению тока. Затем эта обратная ЭДС начинает заряжать конденсатор. Как только конденсатор поглотил энергию магнитного поля индуктора, энергия снова сохраняется в виде электростатического поля внутри конденсатора.

Если бы у нас были идеальные катушка индуктивности и конденсатор, эта схема могла бы бесконечно генерировать колебания. Однако у конденсатора есть утечка тока, а у катушек индуктивности есть сопротивление. Однако в реальной жизни колебания будут выглядеть так, как показано ниже, поскольку энергия теряется. Эти потери называются демпфированием.

Если мы хотим поддерживать колебания, нам необходимо компенсировать потери энергии из колебательного контура путем добавления в контур активных компонентов, таких как биполярные транзисторы, полевые эффектные транзисторы или операционные усилители. Основная функция активных компонентов состоит в том, чтобы добавить необходимое усиление, помочь создать положительную обратную связь и компенсировать потерю энергии.

Настроенный коллекторный генератор

Настроенный коллекторный генератор представляет собой трансформатор и конденсатор, соединенные параллельно и переключаемые транзистором. Эта схема является самой простой схемой LC-генератора. Первичная обмотка трансформатора и конденсатор образуют колебательный контур, а вторичная обмотка обеспечивает положительную обратную связь, которая возвращает часть энергии, произведенной колебательным контуром, на базу транзистора.

Генератор Колпитца

Генератор Колпитца представляет собой LC-танковый генератор, который широко используется в радиочастотных устройствах. Он подходит для приложений до нескольких сотен мегагерц. Эта схема состоит из двух последовательно соединенных конденсаторов, образующих делитель напряжения, обеспечивающий обратную связь с транзистором, с дросселем, включенным параллельно. Хотя этот осциллятор относительно стабилен, его может быть сложно настроить, и он часто реализуется со схемой эмиттерного повторителя, чтобы не нагружать резонансную цепь.

Чтобы преодолеть трудности с настройкой генератора Колпитца на определенную частоту в процессе производства, часто добавляют переменный конденсатор последовательно с катушкой индуктивности, образуя генератор Клаппа. Эта модификация позволяет настраивать схему во время производства и обслуживания на конкретную требуемую частоту. К сожалению, этот тип LC-генератора все еще весьма чувствителен к колебаниям температуры и паразитным емкостям.

Пьезоэлектрический керамический материал с двумя или более металлическими электродами (обычно 3) образует основу керамического резонатора. В электронной схеме пьезоэлектрический элемент резонирует механически, что генерирует колебательный сигнал определенной частоты — как камертон. Керамические резонаторы имеют низкую стоимость; однако допуск по частоте керамических резонаторов составляет всего около 2500–5000 частей на миллион. Этот допуск от 0,25% до 0,5% заданной частоты не подходит для точных приложений, но может обеспечить значительную экономию средств, когда не требуется абсолютная точность.

При частотах от ниже 1 кГц до более 1 ГГц керамические резонаторы используют различные материалы и режимы вибрации. Может быть важно понять метод резонанса, используемый в устройстве, которое вы размещаете в своем проекте. Факторы окружающей среды, такие как вибрация и удары, могут повлиять на работу резонатора в вашей схеме.

Кварцевый осциллятор

Кварцевый генератор является наиболее распространенным типом кварцевого генератора на рынке. Там, где точность и стабильность имеют решающее значение, в первую очередь выбирают кварцевые генераторы и их варианты. Стабильность кварцевого генератора измеряется в ppm (частях на миллион), и стабильность может составлять от 0,01% до 0,0001% при температуре от -20 до +70 градусов Цельсия, в зависимости от конкретного устройства. Стабильность RC-генератора в лучшем случае может составлять 0,1%, а LC 0,01%, чаще всего они составляют около 2% и очень чувствительны к изменениям температуры. Кварцевый кристалл может колебаться с очень небольшой мощностью, необходимой для его работы по сравнению со многими другими генераторами, что делает их идеальными для приложений с низким энергопотреблением.

Когда кристалл подвергается ударному возбуждению либо физическим сжатием, либо, в нашем случае, приложенным напряжением, он будет механически вибрировать с определенной частотой. Эта вибрация будет продолжаться некоторое время, создавая переменное напряжение между его выводами. Такое поведение является пьезоэлектрическим эффектом, таким же, как в керамическом резонаторе. По сравнению с LC-контуром колебания кристалла после начального возбуждения будут длиться дольше — результат естественного высокого значения добротности кристалла. Для высококачественного кварцевого кристалла добротность 100 000 не является редкостью. LC-схемы обычно имеют добротность около нескольких сотен. Однако даже при гораздо более высоком Q они не могут резонировать вечно. Есть потери от механической вибрации, поэтому ему нужна усилительная схема, такая как RC- и LC-генераторы. Для большинства устройств, которые используют внешний кварцевый источник тактового сигнала, он будет интегрирован в устройство, и единственными необходимыми дополнительными компонентами являются нагрузочные конденсаторы. Нагрузочные конденсаторы необходимы; если их емкость неверна, генератор не будет стабильным. Как правило, техническое описание генератора будет содержать рекомендуемые значения или уравнение для расчета правильного значения для вашей схемы.

Что еще нужно учитывать:

1. Разместите конденсаторы и кварцевый кристалл как можно ближе к микроконтроллеру
2. Используйте как можно более короткие и широкие дорожки для предотвращения паразитной индуктивности.

Существует множество вариантов кварцевого генератора; однако, помимо типичного кристалла или «XO», вы обычно будете использовать другие варианты только для специализированных приложений. Эти специализированные генераторы могут быть очень дорогими и иметь удивительно стабильные и точные колебания в невероятно сложных условиях, где требуется абсолютная точность. Подавляющему большинству проектов не потребуется ничего, кроме TCXO из списка ниже, но вы можете найти их интересными для дальнейшего изучения.

Этот список взят из Википедии:

• ATCXO — Аналоговый кварцевый генератор с регулируемой температурой
• CDXO — калиброванный двухкварцевый генератор
• DTCXO — Цифровой кварцевый генератор с температурной компенсацией
• EMXO — миниатюрный вакуумный кварцевый генератор
• GPSDO — Регулируемый осциллятор глобальной системы позиционирования
• MCXO — кварцевый генератор с компенсацией микрокомпьютера
• OCVCXO — кварцевый генератор с печным управлением, управляемый напряжением
• OCXO — кварцевый генератор с печным управлением
• RbXO — генераторы на кристалле рубидия (RbXO), генератор на кристалле рубидия (может быть MCXO), синхронизированный со встроенным эталоном рубидия, который запускается лишь изредка для экономии энергии
• TCVCXO — Кварцевый генератор с температурной компенсацией, управляемый напряжением
• TCXO — Кварцевый генератор с температурной компенсацией
• TMXO — Тактический миниатюрный кварцевый генератор
• TSXO — кварцевый генератор с датчиком температуры, адаптация TCXO
• VCTCXO — Кварцевый генератор с температурной компенсацией, управляемый напряжением
• VCXO — кварцевый генератор, управляемый напряжением

Модули кварцевого генератора

Предположим, вы ищете точный источник тактового сигнала для приложения, в котором нет схемы усиления для использования кварцевого генератора. В этом случае модуль генератора может быть отличным решением. Эти модули имеют все необходимые встроенные схемы для обеспечения усиленных и буферизованных тактовых импульсов для любого требуемого приложения. Как и во многих полностью интегрированных устройствах, вы платите за удобство, цены обычно намного выше, чем у самого кварцевого генератора, и они занимают большую площадь. Несмотря на это, они все еще могут быть меньше, чем схема усиления генератора и буфера, и не беспокоятся о стабильности.

Большинство генераторных модулей имеют кварцевый и инверторный затвор на КМОП с использованием схемы генератора Пирса. Хотя КМОП-инверторы менее стабильны и имеют более высокое энергопотребление, чем генераторы на основе транзисторов, вентили на основе КМОП-инверторов просты и полностью применимы во многих приложениях.

Генераторы МЭМС

Генераторы МЭМС или микроэлектромеханических систем представляют собой синхронизирующие устройства, основанные на технологии МЭМС и являющиеся относительно новой технологией. Генераторы MEMS состоят из резонаторов MEMS, операционных усилителей и дополнительных электронных компонентов для установки или регулировки их выходных частот. Генераторы MEMS часто включают в себя контуры фазовой автоподстройки частоты, которые создают выбираемые или программируемые выходные частоты.

Работа резонаторов MEMS похожа на крошечный камертон, который звенит на высоких частотах. Поскольку устройства MEMS имеют небольшие размеры, они могут звонить на очень высоких частотах, а их настроенные резонансные структуры воспроизводят частоты от десятков кГц до сотен МГц.

Резонаторы МЭМС имеют механический привод и делятся на две категории: электростатические и пьезоэлектрические. В первую очередь, генераторы MEMS будут использовать электростатическую трансдукцию, поскольку резонаторы с пьезоэлектрической трансдукцией недостаточно стабильны. Резонаторы MEMS с пьезоэлектрическим преобразованием находят применение в приложениях фильтрации.

Одним из основных преимуществ генераторов MEMS является то, что они могут использоваться для нескольких нагрузок, заменяя несколько кварцевых генераторов в цепи. Эта функция может значительно снизить цену и площадь платы, используемую схемой генератора. По сравнению с другими схемами генератора, даже с кварцевыми генераторами, энергопотребление устройств MEMS чрезвычайно низкое из-за меньшего потребляемого тока ядра. Низкое энергопотребление может позволить устройствам, работающим от батареи, работать значительно дольше или свести на нет необходимость отключать первичную цепь генератора для экономии энергии. Генераторы MEMS, в отличие от других генераторов, не требуют для работы каких-либо внешних компонентов, что обеспечивает дополнительную экономию места и средств. Ранние генераторы MEMS несколько боролись со стабильностью, и на рынке есть варианты со стабильностью частоты +/- 8 частей на миллиард, если вы готовы за это платить.

Кремниевые генераторы

Как упоминалось в начале статьи, многие устройства имеют встроенные в кремний генераторы. Кремниевые генераторы в основном такие же, только в отдельном корпусе. Эта интегральная схема представляет собой полную схему RC-генератора, построенную из кремния. Он обеспечивает лучшее согласование и компенсацию, которые вы обычно можете получить с аналогичной стоимостью, используя пассивные компоненты в меньшем корпусе. Кремниевые генераторы могут быть отличным подспорьем для устройств, которые будут подвергаться ударам или вибрациям, поскольку они не имеют механически резонансных элементов. На большинстве веб-сайтов поставщиков вы найдете их в категории «Интегральные схемы», а не в категории «Генераторы».

В дополнение к преимуществам по сравнению с другими генераторами в суровых условиях, кремниевый генератор обычно является программируемым. Возможности программирования зависят от конкретного устройства; однако обычно используется резистор для задания частоты или интерфейс SPI / I2C. Хотя кремниевые генераторы обычно имеют относительно низкую погрешность частоты около 1-2%, они компактны и требуют только внешнего блокирующего конденсатора источника питания. Они могут быть недорогой альтернативой другим типам генераторов в неточных приложениях.

Резюме

Выбор оптимального источника тактового сигнала непрост. Есть много факторов, таких как общая стабильность, чувствительность к температуре, вибрации, влажности, электромагнитным помехам, стоимость, размер, энергопотребление, сложная компоновка и дополнительные компоненты.

Во многих случаях подходят встроенные RC- или кремниевые генераторы, поскольку эти приложения не требуют дополнительной точности. Использование внутреннего генератора может сэкономить время проектирования, затраты и снизить инженерные риски. Однако современные приложения все чаще требуют высокой точности, что требует использования внешнего генератора, такого как кварцевый, керамический или МЭМС.

Например, для высокоскоростного USB требуется минимальная точность частоты 0,25 %, в то время как некоторые другие внешние средства связи могут корректно работать с источниками тактовой частоты со стабильностью 5 %, 10 % или даже 20 %. Другие высокоскоростные шины и радиочастотные приложения часто требуют гораздо большей точности частоты, чем USB.

Потребляемая мощность генераторов для микроконтроллеров зависит от используемого тока питания усилителя обратной связи и емкости. Потребляемая мощность этих усилителей в основном зависит от частоты, поэтому, если вы хотите разработать устройство с очень низким энергопотреблением, рассмотрите возможность снижения тактовой частоты до минимума, при котором ваше устройство все еще может выполнять свою работу. Часто вы обнаружите, что микроконтроллер имеет много оставшихся тактов, и все они потребляют ненужную энергию.

Цепи с керамическими резонаторами обычно имеют более высокие значения емкости нагрузки, чем схемы с кварцевыми резонаторами, и потребляют еще больший ток, чем схемы с кварцевыми резонаторами, использующие тот же усилитель. Для сравнения, модули кварцевых генераторов обычно потребляют от 10 мА до 60 мА тока питания из-за включенных функций температурной компенсации и управления.

На рынке доступно множество типов осцилляторов, каждый из которых имеет свои плюсы и минусы. Для приложений общего назначения, где синхронизация не является абсолютно критичной, вы можете использовать практически любое генераторное устройство или схему, которая удовлетворяет требованиям по частоте. Для схем с более высокой точностью вы можете рассмотреть более дорогие устройства, такие как генераторы MEMS, которые могут обеспечить стабильность частоты частей на миллиард даже в большом диапазоне температур, однако рассчитывайте заплатить десятки или сотни долларов за генератор.

Если вы создаете контроллер светодиодов или аналогичные схемы, которым нужен только микроконтроллер для запуска некоторого кода управления или пользовательского интерфейса, встроенный RC-генератор предоставит вам все, что вам нужно. Предположим, вы работаете над глубоководным аппаратом, который может точно отслеживать свое местоположение. В этом случае осциллятор со стабильностью всего несколько частей на миллиард в широком диапазоне температур может быть минимумом, который вам может сойти с рук.