Co to jest oscylator? Wszystko, co musisz wiedzieć

Prawie każda płytka drukowana wykonana w ostatnim czasie posiada jakiś oscylator, a większość układów scalonych również zawiera oscylatory. Możesz się zastanawiać, czym właściwie jest oscylator? Oscylatory to kluczowe komponenty, które wytwarzają periodyczny elektroniczny sygnał, zwykle sinusoidalny lub prostokątny. Oscylatory przekształcają sygnał stały DC na periodyczne sygnały zmiennego AC, które mogą być używane do ustawiania częstotliwości, znajdują zastosowanie w aplikacjach audio, lub służą jako sygnał zegarowy. Wszystkie mikrokontrolery i mikroprocesory wymagają oscylatora do ustawienia sygnału zegarowego, aby mogły funkcjonować. Niektóre urządzenia mają wbudowane oscylatory, a niektóre wymagają zewnętrznego oscylatora - lub oba, posiadając oscylator wewnętrzny o niskiej dokładności z możliwością dostarczenia zewnętrznego sygnału.

Urządzenia elektroniczne używają sygnału zegarowego jako odniesienia do czasu, co pozwala na wykonywanie działań w sposób spójny. Inne urządzenia używają sygnału oscylatora do generowania innych częstotliwości, które mogą dostarczać funkcje audio lub generować sygnały radiowe.

Rozumienie różnych typów oscylatorów i sposobu ich działania może pozwolić Ci wybrać odpowiedni oscylator do Twojego projektu. Jeśli próbujesz stworzyć sygnał radiowy, będziesz potrzebować znacznie dokładniejszego oscylatora, niż może być to potrzebne dla innych urządzeń. Oscylatory to coś, co łatwo można przeoczyć w projekcie, z nastawieniem, aby po prostu wybrać dowolny oscylator, który mieści się w zakresie częstotliwości określonym w karcie katalogowej, który pasuje do przestrzeni na płytce i wymagań kosztowych. Wybór może jednak znacznie się różnić, w zależności od wymagań mocy dla PCB, przestrzeni na płycie i wymaganej precyzji częstotliwości. Niektóre oscylatory działają na mikroampery lub mniej mocy, gdzie inne potrzebują kilku amperów do działania.

Oscylatory dzielą się na dwie główne kategorie: harmoniczne i relaksacyjne. Oscylatory harmoniczne tworzą sinusoidalną formę fali, do tej kategorii należą obwody RC, LC, obwody zbiornikowe, rezonatory ceramiczne i oscylatory kwarcowe.

W tym artykule przyjrzymy się:

• Oscylatory rezystorowo-kondensatorowe (RC)
• Oscylatory induktorowo-kondensatorowe (LC)
• Rezonatory ceramiczne
• Oscylatory kwarcowe
• Moduły oscylatorów kwarcowych
• Oscylatory MEMS
• Oscylatory silikonowe

Może się zdarzyć, że nie planujesz budować samodzielnie oscylatora RC czy LC, a zamiast tego czytasz ten artykuł w poszukiwaniu informacji o gotowych oscylatorach, które można po prostu dodać do obwodu - zacznę więc od omówienia oscylatorów RC i LC. Ważne jest, aby zrozumieć, jak działają i jakie mogą mieć wady, ponieważ wiele układów scalonych z zintegrowanymi oscylatorami wykorzystuje obwód RC lub LC. 

Rozumiejąc, jak działają, lepiej zrozumiesz, kiedy stosować zintegrowany oscylator, a kiedy należy dodać zewnętrzne źródło zegara. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o oscylatorach i zegarach, możesz łatwo zbudować oscylator RC lub LC na płytce stykowej i przetestować go za pomocą oscyloskopu. Zanim jednak przejdziemy do tego, spójrzmy szybko na porównanie poszczególnych typów oscylatorów.

Porównanie wydajności oscylatorów

Warto zauważyć w poniższej tabeli, że każda opcja oferuje szeroką gamę różnych urządzeń dostępnych na rynku. Rozważając na przykład oscylatory MEMS o stałej częstotliwości, opcje regularnie dostępne w DigiKey różnią się stabilnością częstotliwości od 150 części na milion do 50 części na miliard. Ta ogromna różnorodność stabilności częstotliwości wiąże się również z dużym zakresem cen, więc tam, gdzie jeden typ oscylatora może oferować opcje o wyjątkowo wysokiej stabilności lub precyzji w szerokim zakresie temperatur, nie oznacza to, że inna opcja nie może być tańsza dla twoich wymagań precyzyjnych. 

Jako skrajny przykład tego, Connor-Winfield OX200-SC-010.0M 10MHz VCOCXO to oscylator kwarcowy, który ma stabilność częstotliwości na poziomie zaledwie +/- 1,5 części na miliard. Oscylator atomowy IQD Frequency Products LFRBXO059244BULK 10MHz jest ponad dziesięć razy droższy przy zakupie pojedynczych sztuk za tę samą stabilność częstotliwości +/- 1,5ppb. Mimo to, będą momenty, kiedy oscylator atomowy za 2000 dolarów będzie lepszym wyborem dla niezwykle precyzyjnego oscylatora. IQD Frequency Products produkuje również VCOCXO, który ma stabilność częstotliwości zdumiewające +/- 1ppb w szerszym zakresie temperatur niż oscylator atomowy. Za mniej niż dwa razy cenę urządzenia Connor-Winfield przy zakupie pojedynczych sztuk, i nadal mniej niż dziesięć razy taniej niż opcja atomowa. Dla mnie niesamowite jest to, że dzisiaj możemy łatwo zdobyć źródła zegarów atomowych, a jeszcze bardziej szalone, że możemy mieć oscylator kwarcowy, który jest bardziej precyzyjny za ułamek ceny.

Oscylatory RC=rc>

Teraz, gdy mieliśmy ogólny przegląd opcji, przejdźmy od razu do najbardziej podstawowego z oscylatorów i zasad, na których się opiera - oscylator RC, który możesz łatwo zbudować na płytce stykowej z bardzo podstawowych komponentów elektronicznych. Oscylator RC (rezystor-kondensator) to rodzaj oscylatora sprzężenia zwrotnego, który jest budowany przy użyciu rezystorów i kondensatorów, wraz z urządzeniem wzmacniającym, takim jak tranzystor lub wzmacniacz operacyjny. Urządzenie wzmacniające podaje sygnał z powrotem do sieci RC, co powoduje dodatnie sprzężenie zwrotne i generuje powtarzające się oscylacje.

Większość mikrokontrolerów i wiele innych cyfrowych układów scalonych, które wymagają sygnału zegarowego do wykonania akcji, zawiera w sobie sieć oscylatora RC, aby stworzyć ich wewnętrzne źródło zegara.

Zasada działania

Sieć RC oscylatora przesuwa fazę sygnału o 180 stopni.

Pozytywna informacja zwrotna jest potrzebna, aby przesunąć fazę sygnału o kolejne 180 stopni. Przesunięcie fazy daje nam w sumie 180 + 180 = 360 stopni przesunięcia fazy, co jest efektywnie tym samym, co 0 stopni. Dlatego całkowite przesunięcie fazy obwodu musi wynosić 0, 360 lub inną wielokrotność 360 stopni. 

Możemy wykorzystać fakt, że przesunięcie fazy występuje między wejściem do sieci RC a wyjściem z tej samej sieci, używając połączonych ze sobą elementów RC w gałęzi sprzężenia zwrotnego. Na powyższym obrazku widzimy, że każda kaskadowa sieć RC zapewnia 60 stopni przesunięcia fazy napięcia w przeciwfazie. Trzy sieci razem produkują przesunięcie fazy o 180 stopni.

Dla idealnych sieci RC maksymalne przesunięcie fazy może wynosić 90 stopni. Dlatego, aby stworzyć przesunięcie fazy o 180 stopni, oscylatory wymagają co najmniej dwóch sieci RC. Jednak dokładne osiągnięcie 90 stopni przesunięcia fazy na każdym etapie sieci RC jest trudne. Musimy użyć większej liczby kaskadowych etapów sieci RC, aby uzyskać wymaganą wartość i pożądaną częstotliwość oscylacji.

Czysta lub idealna sieć RC jednobiegunowa wytworzyłaby maksymalne przesunięcie fazowe dokładnie o 90 stopni. Dla oscylacji wymagane jest przesunięcie fazowe o 180 stopni, dlatego aby stworzyć oscylator RC, musimy użyć co najmniej dwóch sieci jednobiegunowych. 

Rzeczywiste przesunięcie fazowe sieci RC zależy od wybranych wartości rezystora i kondensatora dla pożądanej częstotliwości.

Łącząc kilka sieci RC, możemy uzyskać przesunięcie fazowe o 180 stopni przy wybranej częstotliwości. Ta kaskada sieci stanowi podstawę dla oscylatora RC, inaczej znanego jako oscylator przesunięcia fazowego. Dodając stopień wzmacniający wykorzystujący tranzystor bipolarny lub wzmacniacz odwracający, możemy wytworzyć przesunięcie fazowe o 180 stopni między jego wejściem a wyjściem, aby zapewnić pełne przesunięcie o 360 stopni z powrotem do 0 stopni, jak wspomniano powyżej.

Podstawowy schemat oscylatora RC

Główny obwód oscylatora RC wytwarza sygnał wyjściowy w postaci fali sinusoidalnej, korzystając z regeneracyjnego sprzężenia zwrotnego uzyskanego z sieci drabinkowej RC. Regeneracyjne sprzężenie zwrotne zachodzi dzięki zdolności kondensatora do przechowywania ładunku elektrycznego.

Sieć sprzężenia zwrotnego rezystor-kondensator może być połączona tak, aby wytworzyć przesunięcie fazy w przód (sieć z przesunięciem fazy w przód) lub może być połączona w celu stworzenia przesunięcia fazy w tył (sieć z opóźnieniem fazy). Jeden lub więcej rezystorów lub kondensatorów z układu przesunięcia fazy RC może być zmieniony, aby zmodyfikować częstotliwość sieci. Zmiana ta może być dokonana poprzez zachowanie tych samych rezystorów i użycie zmiennych kondensatorów, ponieważ reaktancja pojemnościowa zmienia się w zależności od częstotliwości. Jednakże, dla nowej częstotliwości, może być wymagana regulacja wzmocnienia napięciowego wzmacniacza.

Jeśli wybierzemy rezystory i kondensatory dla sieci RC, to częstotliwość oscylacji RC będzie:

R - Opór rezystorów sprzężenia zwrotnego
C - Pojemność kondensatorów sprzężenia zwrotnego
N - Liczba kaskadowo połączonych sieci RC

Jednakże, kombinacja sieci oscylatora RC działa jako tłumik, i redukuje sygnał o pewną wartość, gdy przechodzi przez każdy etap RC. Dlatego wzmocnienie napięciowe etapu wzmacniacza powinno być wystarczające, aby przywrócić utracony sygnał. 

Bardziej powszechnym układem oscylatora RC jest Op-Amp Phase-Lead RC Oscillator.

Sieć RC musi być podłączona do odwracającego wejścia wzmacniacza operacyjnego, co czyni go konfiguracją wzmacniacza odwracającego. Konfiguracja odwracająca daje przesunięcie fazy o 180 stopni na wyjściu, co w połączeniu z sieciami RC prowadzi do całkowitego przesunięcia o 360 stopni.

Inna konfiguracja oscylatora RC to oscylator fazowy z opóźnieniem zrealizowany na wzmacniaczu operacyjnym.

Oscylator LC

Oscylator LC, czyli oscylator indukcyjno-kondensatorowy, to typ oscylatora, który wykorzystuje obwód rezonansowy do wytwarzania dodatniego sprzężenia zwrotnego potrzebnego do podtrzymania oscylacji. Schemat zawiera cewkę indukcyjną, kondensator oraz komponent wzmacniający. 

Zasada działania

Obwód rezonansowy to kondensator i cewka połączone równolegle, powyższy diagram zawiera również przełącznik i źródło napięcia dla łatwiejszego zobrazowania zasady działania, gdy przełącznik łączy kondensator z napięciem zasilania, kondensator się ładuje.

Gdy przełącznik łączy kondensator i cewkę, kondensator rozładowuje się przez cewkę. Rosnący prąd przepływający przez cewkę zaczyna magazynować energię, indukując wokół cewki pole elektromagnetyczne. 

Gdy przełącznik łączy kondensator i cewkę, kondensator rozładowuje się przez cewkę. Rosnący prąd przepływający przez cewkę zaczyna magazynować energię, indukując pole elektromagnetyczne wokół cewki. Po rozładowaniu kondensatora, energia z niego została przeniesiona do cewki jako pole elektromagnetyczne. W miarę jak przepływ energii z kondensatora maleje, prąd przepływający przez cewkę również maleje - powoduje to spadek pola elektromagnetycznego cewki. Dzięki indukcji elektromagnetycznej, cewka wytwarza przeciwną SEM (siłę elektromotoryczną), która jest równa L(di/dt) w opozycji do zmiany prądu. Ta przeciwna SEM zaczyna naładować kondensator. Gdy kondensator pochłonie energię z pola magnetycznego cewki, energia jest ponownie magazynowana jako pole elektrostatyczne w kondensatorze.

Gdybyśmy mieli idealną cewkę i kondensator, ten obwód mógłby generować oscylacje w nieskończoność. Jednak kondensator ma wycieki prądu, a cewki mają oporność. W rzeczywistości oscylacje wyglądałyby jak poniżej, ponieważ energia jest tracona. Ta strata nazywana jest tłumieniem.

Jeśli chcemy utrzymać oscylacje, musimy skompensować utratę energii z obwodu rezonansowego poprzez dodanie do obwodu aktywnych komponentów, takich jak tranzystory bipolarny, tranzystory polowe z efektem pola elektrycznego lub wzmacniacze operacyjne. Główną funkcją komponentów aktywnych jest dodanie niezbędnego wzmocnienia, pomoc w generowaniu pozytywnego sprzężenia zwrotnego oraz kompensacja utraty energii.

Oscylator z strojonym kolektorem

Oscylator z strojonym kolektorem to transformator i kondensator połączone równolegle i przełączane tranzystorem. Ten układ jest najbardziej podstawowym schematem oscylatora LC. Pierwotna cewka transformatora i kondensator tworzą obwód rezonansowy, a wtórna cewka zapewnia pozytywne sprzężenie zwrotne, które zwraca część energii wyprodukowanej przez obwód rezonansowy do bazy tranzystora.

Oscylator Colpittsa

Oscylator Colpittsa to oscylator LC typu Tank, który jest bardzo powszechny w aplikacjach RF. Nadaje się do zastosowań do kilkuset megaherców. Układ ten składa się z dwóch kondensatorów połączonych szeregowo, tworzących dzielnik napięcia, który dostarcza sprzężenie zwrotne do tranzystora, z równolegle połączonym induktorem. Chociaż ten oscylator jest stosunkowo stabilny, może być trudny do strojenia i często jest implementowany z obwodem wtórnika emitera, aby nie obciążać sieci rezonansowej.

Oscylator Clappa

Aby przezwyciężyć trudności z dokładnym strojeniem oscylatora Colpittsa do określonej częstotliwości w produkcji, często dodaje się zmienny kondensator szeregowo z induktorem, tworząc Oscylator Clappa. Ta modyfikacja pozwala na strojenie układu podczas produkcji i serwisowania do wymaganej specyficznej częstotliwości. Niestety, ten typ oscylatora LC jest nadal dość wrażliwy na wahania temperatury i pojemności pasożytnicze.

Rezonator Ceramiczny

Materiał piezoelektryczny z ceramicznym składnikiem oraz dwoma lub więcej metalowymi elektrodami (zazwyczaj 3) stanowi podstawę rezonatora ceramicznego. W obwodzie elektronicznym, element piezoelektryczny rezonuje mechanicznie, co generuje oscylujący sygnał o określonej częstotliwości - podobnie jak widełki stroikowe. Rezonatory ceramiczne są niskokosztowe; jednak tolerancja częstotliwości rezonatorów ceramicznych wynosi tylko około 2500 - 5000 ppm. Ta tolerancja 0,25% do 0,5% docelowej częstotliwości nie nadaje się do zastosowań wymagających precyzji, ale mogą one przynieść znaczne oszczędności kosztów tam, gdzie absolutna dokładność nie jest wymagana.

Z częstotliwościami od poniżej 1kHz do ponad 1GHz, istnieje szereg różnych materiałów i trybów wibracji, które wykorzystują rezonatory ceramiczne. Może być istotne, aby zrozumieć metodę rezonansu używaną w urządzeniu, które umieszczasz w swoim projekcie. Czynniki środowiskowe takie jak wibracje i wstrząsy mogą wpływać na funkcjonowanie rezonatora w twoim obwodzie.

Kwarcowy Oscylator

Oscylator kwarcowy jest najbardziej powszechnym typem oscylatora krystalicznego na rynku. Tam, gdzie dokładność i stabilność są kluczowe, podstawowym wyborem są oscylatory krystaliczne i ich warianty. Stabilność oscylatora krystalicznego mierzona jest w ppm (częściach na milion), a stabilność może wynosić od około 0,01% do 0,0001% w zakresie od -20 do +70 stopni Celsjusza, w zależności od konkretnego urządzenia. Stabilność oscylatora RC w najlepszym przypadku może wynosić 0,1%, a LC 0,01%, zazwyczaj są one jednak na poziomie około 2% i są bardzo wrażliwe na zmiany temperatury. Kryształ kwarcowy może oscylować przy bardzo małym zapotrzebowaniu na energię potrzebną do jego aktywacji w porównaniu z wieloma innymi oscylatorami, co czyni je idealnymi do zastosowań o niskim poborze mocy. 

Gdy kryształ jest pobudzany wstrząsem poprzez fizyczne ściśnięcie lub, w naszym przypadku, przyłożone napięcie, zaczyna wibrować mechanicznie z określoną częstotliwością. Ta wibracja będzie kontynuowana przez pewien czas, generując napięcie przemienne między jego zaciskami. To zachowanie to efekt piezoelektryczny, taki sam jak w rezonatorze ceramicznym. W porównaniu do obwodu LC, oscylacja kryształu po początkowym pobudzeniu będzie trwała dłużej — wynika to z naturalnie wysokiej wartości Q kryształu. Dla wysokiej jakości kryształu kwarcowego, wartość Q na poziomie 100,000 nie jest rzadkością. Obwody LC zwykle mają wartość Q na poziomie kilkuset. Jednakże, nawet z dużo wyższą wartością Q, nie mogą one rezonować w nieskończoność. Są straty wynikające z wibracji mechanicznych, więc potrzebny jest układ wzmacniający, jak oscylatory RC i LC. Dla większości urządzeń, które będą korzystać z zewnętrznego źródła zegara kryształowego, będzie to zintegrowane z urządzeniem, a jedynymi dodatkowymi komponentami elektronicznymi wymaganymi są kondensatory obciążeniowe. Kondensatory obciążeniowe są niezbędne; jeśli pojemność tych kondensatorów jest nieprawidłowa, oscylator nie będzie stabilny. Zazwyczaj karta katalogowa oscylatora zawiera sugerowane wartości lub dostarcza równanie do obliczenia prawidłowej wartości dla twojego obwodu.

Inne kwestie do rozważenia:

1. Umieść oba kondensatory i kryształ kwarcowy jak najbliżej MCU
2. Użyj jak najkrótszych i najszerszych ścieżek, aby zapobiec parazytycznej indukcyjności.

Istnieje wiele wariantów oscylatora kwarcowego; jednak poza typowym kryształem, czyli "XO", zazwyczaj będziesz używać innych opcji tylko w specjalistycznych zastosowaniach. Te specjalistyczne oscylatory mogą być bardzo drogie i charakteryzować się zdumiewająco stabilnymi i precyzyjnymi oscylacjami w niesamowicie wymagających środowiskach, gdzie wymagana jest absolutna precyzja. Większość projektów nie będzie potrzebować niczego poza TCXO z poniższej listy, ale możesz uznać je za interesujące do dalszych badań. 

Ta lista pochodzi z Wikipedii:

• ATCXO — Analogowy oscylator kwarcowy sterowany temperaturą
• CDXO — Skalibrowany podwójny oscylator kwarcowy
• DTCXO — Cyfrowy oscylator kwarcowy kompensowany temperaturą
• EMXO — Ewakuowany miniaturowy oscylator kwarcowy
• GPSDO — Oscylator dyscyplinowany systemem pozycjonowania globalnego
• MCXO — Mikrokomputer-kompensowany oscylator kwarcowy
• OCVCXO — Piecowo-kontrolowany oscylator kwarcowy sterowany napięciem
• OCXO — Oscylator kwarcowy kontrolowany piecowo
• RbXO — Rubidowy oscylator kwarcowy (RbXO), oscylator kwarcowy (może być MCXO) zsynchronizowany z wbudowanym standardem rubidowym, który jest uruchamiany tylko okazjonalnie, aby oszczędzać energię
• TCVCXO — Oscylator kwarcowy kompensowany temperaturą i sterowany napięciemTCXO — Oscylator kwarcowy kompensowany temperaturą
• TMXO – Taktyczny miniaturowy oscylator kwarcowy
• TSXO — Oscylator kwarcowy czujący temperaturę, adaptacja TCXO
• VCTCXO — Oscylator kwarcowy sterowany napięciem i kompensowany temperaturą
• VCXO — Oscylator kwarcowy sterowany napięciem
• Moduły oscylatorów kwarcowych

  Załóżmy, że szukasz precyzyjnego źródła zegara dla aplikacji, która nie posiada wzmacniacza umożliwiającego wykorzystanie oscylatora kwarcowego. W takim przypadku moduł oscylatora może być świetnym rozwiązaniem. Te moduły posiadają wszelkie niezbędne układy wbudowane, aby zapewnić wzmocniony i zbuforowany zegar dla dowolnej aplikacji, której wymagasz. Jak to bywa z wieloma w pełni zintegrowanymi urządzeniami, płacisz za wygodę, ceny są zazwyczaj znacznie wyższe niż samego oscylatora kwarcowego, a ich rozmiar jest większy. Pomimo tego, mogą być nadal mniejsze niż budowanie układów wzmacniających i buforujących oscylatora i nie martwić się o stabilność.

  Większość modułów oscylatorowych posiada kryształ i bramkę inwertera CMOS, używając obwodu oscylatora Pierce'a. Chociaż inwertery CMOS są mniej stabilne i mają wyższe zużycie energii niż oscylatory oparte na tranzystorach, bramki oparte na inwerterach CMOS są łatwe w użyciu i całkowicie przydatne w wielu aplikacjach. 

  Oscylatory MEMS

  MEMS, czyli mikroelektromechaniczne systemy oscylatorów, to precyzyjne urządzenia czasowe oparte na technologii MEMS, i są stosunkowo nową technologią. Oscylatory MEMS składają się z rezonatorów MEMS, OpAmps oraz dodatkowych komponentów elektronicznych do ustawiania lub regulacji ich częstotliwości wyjściowych. Oscylatory MEMS często zawierają pętle fazowe, które produkują wybieralne lub programowalne częstotliwości wyjściowe.

  Działanie rezonatorów MEMS jest podobne do działania maleńkiego kamertonu, który dzwoni z wysokimi częstotliwościami. Ponieważ urządzenia MEMS są małe, mogą dzwonić z bardzo wysokimi częstotliwościami, a ich dostrojone struktury rezonansowe wytwarzają częstotliwości od dziesiątek kHz do setek MHz. 

  Rezonatory MEMS są napędzane mechanicznie i dzielą się na dwie kategorie: elektrostatyczne i piezoelektryczne. Głównie, oscylatory MEMS wykorzystują transdukcję elektrostatyczną, ponieważ rezonatory z transdukcją piezoelektryczną nie są wystarczająco stabilne. Rezonatory MEMS z transdukcją piezoelektryczną znajdują zastosowanie w aplikacjach filtrujących.

  Jedną z głównych zalet oscylatorów MEMS jest ich zdolność do obsługi wielu obciążeń, co pozwala na zastąpienie wielu oscylatorów kwarcowych w obwodzie. Ta cecha może znacząco obniżyć cenę oraz zajmowaną na płytce przestrzeń przez obwody oscylatorów. W porównaniu z innymi obwodami oscylatorów, nawet kwarcowymi, zużycie energii przez urządzenia MEMS jest wyjątkowo niskie ze względu na mniejszy pobór prądu rdzenia. Niskie zużycie energii może pozwolić urządzeniom zasilanym z baterii na znacznie dłuższą pracę lub wyeliminować potrzebę wyłączania głównego obwodu oscylatora w celu oszczędzania energii. Oscylatory MEMS, w przeciwieństwie do innych oscylatorów, nie wymagają żadnych zewnętrznych komponentów do działania, co oferuje dalsze oszczędności miejsca i kosztów. Wczesne modele oscylatorów MEMS miały pewne problemy ze stabilnością, ale na rynku dostępne są opcje z stabilnością częstotliwości +/- 8 części na miliard, jeśli jesteś gotów za to zapłacić.  

  Oscylatory krzemowe

  Jak wspomniano na początku artykułu, wiele urządzeń ma oscylatory zintegrowane z ich krzemem. Oscylatory krzemowe są w większości takie same, tylko w osobnym opakowaniu. Ten układ scalony zapewnia kompletny obwód oscylatora RC zbudowany z krzemu. Zapewnia lepsze dopasowanie i kompensację, niż można zwykle uzyskać za podobny koszt, używając komponentów pasywnych, w mniejszym opakowaniu. Oscylatory krzemowe mogą być świetnym atutem dla urządzeń, które będą poddawane wstrząsom lub doświadczą wibracji, ponieważ nie mają mechanicznie rezonansowych elementów. Na większości stron dostawców znajdziesz je w kategorii Układy Scalony, a nie Oscylatory.

  Oprócz zalet w porównaniu z innymi oscylatorami w trudnych warunkach, oscylator krzemowy jest zwykle programowalny. Opcje programowania zależą od konkretnego urządzenia; jednak rezystor ustawiający częstotliwość lub interfejs SPI/I2C są powszechne. Chociaż oscylatory krzemowe zwykle mają stosunkowo słaby błąd częstotliwości około 1-2%, są kompaktowe i wymagają tylko zewnętrznego zasilania kondensatora omijającego. Mogą być niskokosztową alternatywą dla innych typów oscylatorów w aplikacjach niewymagających precyzji.

  Podsumowanie

  Wybór optymalnego źródła zegara nie jest łatwy. Istnieje wiele czynników, takich jak ogólna stabilność, czułość na zmiany temperatury, wibracje, wilgotność, EMI, koszt, rozmiar, zużycie energii, zaawansowany układ, oraz dodatkowe komponenty. 

  Wiele aplikacji, gdzie zintegrowane oscylatory RC lub krzemowe są odpowiednie, ponieważ te aplikacje nie wymagają dodatkowej dokładności. Wykorzystanie wewnętrznego oscylatora może zaoszczędzić czas projektowania, koszty i zmniejszyć ryzyko inżynierskie. Jednakże, współczesne aplikacje coraz częściej wymagają wysokiej dokładności, co wymaga użycia zewnętrznego oscylatora, takiego jak kryształ kwarcowy, ceramiczny, lub MEMS.

  Jako przykład, szybki USB wymaga minimalnej dokładności częstotliwości 0,25%, podczas gdy inne zewnętrzne komunikacje mogą poprawnie funkcjonować z źródłami zegara o stabilności 5%, 10%, czy nawet 20%. Inne szybkie magistrale i aplikacje RF często wymagają znacznie większej precyzji częstotliwości niż USB.

  Zużycie energii przez oscylatory dla mikrokontrolerów zależy od prądu zasilania wzmacniacza sprzężenia zwrotnego oraz użytych wartości pojemności. Zużycie energii przez te wzmacniacze zależy głównie od częstotliwości, więc jeśli chcesz zaprojektować urządzenie o bardzo niskim zużyciu energii, rozważ obniżenie częstotliwości zegara do minimum, przy którym twoje urządzenie może nadal wykonywać swoją pracę. Często można zauważyć, że mikrokontroler ma wiele niewykorzystanych cykli zegara, które wszystkie zużywają niepotrzebną energię.

  Obwody rezonatorów ceramicznych zwykle określają większe wartości pojemności obciążenia niż obwody kryształowe i pobierają jeszcze więcej prądu niż obwód kryształowy przy użyciu tego samego wzmacniacza. Dla porównania, moduły oscylatorów kryształowych zazwyczaj pobierają od 10mA do 60mA prądu zasilania ze względu na funkcje kompensacji temperatury i kontroli.

  Istnieje wiele typów oscylatorów dostępnych na rynku, każdy z własnymi zaletami i wadami. Do zastosowań ogólnych, gdzie precyzyjne czasomierzenie nie jest absolutnie krytyczne, można użyć prawie dowolnego urządzenia oscylatorowego lub obwodu, który spełnia wymagania częstotliwości. Dla obwodów o wyższej precyzji warto rozważyć droższe urządzenia, takie jak oscylatory MEMS, które mogą oferować stabilność częstotliwości na poziomie części na miliard nawet w szerokim zakresie temperatur, jednak należy spodziewać się wydatków rzędu dziesiątek lub setek dolarów za oscylator.

  Jeśli budujesz kontroler LED lub podobne układy, które wymagają tylko mikrokontrolera do zarządzania lub obsługi interfejsu użytkownika, zintegrowany oscylator RC zapewni Ci wszystko, czego potrzebujesz. Załóżmy, że pracujesz nad głębinowym pojazdem podwodnym, który może precyzyjnie śledzić swoją pozycję. W takim przypadku oscylator o stabilności zaledwie kilku części na miliard w szerokim zakresie temperatur może być minimum, z którym możesz się obejść. Im bardziej chcesz zintegrować dane z czujników, lub im węższy pasmo chcesz użyć do komunikacji radiowej, tym bardziej stabilny musi być Twój oscylator. Załóżmy, że znacznie zwiększasz swoją częstotliwość, na przykład. W takim przypadku, tworząc sygnał gigahercowy z oscylatora megahercowego, tym bardziej stabilny musi być oscylator, ponieważ każdy błąd będzie potęgowany.

  Zastanawiasz się, czym jest oscylator? Zadzwoń do eksperta z Altium.