Генератор тактовых импульсов

Генератор тактовой частоты(генератор тактовых импульсов) генерирует электрические импульсы заданной частоты (обычно прямоугольной формы) для синхронизации различных процессов в цифровых устройствах —ЭВМ,электронных часахитаймерах, микропроцессорной и другойцифровой технике. Тактовые импульсы часто используются как эталонная частота — считая их количество, можно, например, измерять временные интервалы.

В микропроцессорной технике один тактовый импульс, как правило, соответствует одной атомарной операции. Обработка одной инструкции может производиться за один или несколько тактов работы микропроцессора, в зависимости от архитектуры и типа инструкции. Частота тактовых импульсов определяет скорость вычислений.

[править] Типы генераторов

В зависимости от сложности устройства, используют разные типы генераторов.

[править] Классический

В несложных конструкциях, не критичных к стабильности тактового генератора, часто используется последовательное включение нескольких инверторов через RC-цепь. Частота колебаний зависит от номиналов резистора и конденсатора. Основной минус данной конструкции — низкая стабильность. Плюс — предельная простота.

[править] Кварцевый

Генератор Пирса.

[править] Кварц + микросхема генерации

Микросхема генерации представляет собой специальную микросхему, которая при подаче на её входную ногу сигнала с кварцевого резонаторабудет выдавать на остальных выводах частоту, делённую или умноженную на исходную. Данное решение используется в часах, а также на старых материнских платах (где частоты шин были заранее известны, только внутренняя частота центрального процессора умножалась коэффициентом умножения).

[править] Программируемая микросхема генерации

В современных материнских платах необходимо большое количество разных частот, помимо опорной частоты системной шины, которые, по возможности, не должны быть зависимы друг от друга. Хотя базовая частота всё же формируется кварцевым резонатором (частота — 14,3 МГц), она необходима лишь для работы самой микросхемы. Выходные же частоты корректируются самой микросхемой. Например, частота системной шины может быть всегда равна стандартным 33 МГц, AGP — 66 МГц и не зависеть от частотыFSBпроцессора.

Если в электронной схеме необходимо разделить частоту на 2 используют Т-триггерв режимесчётчикаимпульсов. Соответственно, для увеличения делителя увеличивают количество счётчиков (триггеров).

[править] Тактовый генератор

Тактовый генератор — автогенератор, формирующий рабочие тактыпроцессора(«частоту»). В некоторых процессорах (например,Z80) выполняется встроенным.

Кроме тактовки процессора в обязанности тактового генератора входит организация циклов системной шины. Поэтому его работа часто тесно связана с циклами обновления памяти, контроллером ПДП идешифраторомсигналов состояния процессора.

Кварцевый резонатор

Кварцевый резонатор,кварц— прибор, в которомпьезоэлектрический эффекти явлениемеханического резонансаиспользуются для построениявысокодобротногорезонансного элемента электронной схемы.

Несмотря на то, что вместо кварцачасто используются и другиепьезоэлектрики, например, керамика (Crystal oscillator), прилагательное «кварцевый» является общеупотребительным для всех таких устройств.

Принцип действия

Обозначение кварцевого резонатора на принципиальной электрической схеме

Кварцевые резонаторы на 27,14 МГц и 32768 Гц

Кварцевый резонатор извлечён из корпуса. Видно золочение противоположных плоскостей пластинки.

На пластинку, кольцо или брусок, вырезанные из кристалла кварца определённым образом, нанесены 2 и более электродов — проводящие полоски.

Пластинка закреплена и имеет собственную резонансную частоту механических колебаний.

При подаче напряжения на электроды благодаря пьезоэлектрическому эффекту происходит изгибание, сжатие или сдвиг в зависимости от того, каким образом вырезан кусок кристалла.

Однако колеблющаяся пластинка в результате того же пьезоэлектрического эффекта создаёт во внешней цепи противо-ЭДС, что можно рассматривать как явление, эквивалентное работе катушки индуктивностивколебательном контуре.

Если частота подаваемого напряжения равна или близка к частоте собственных механических колебаний пластинки, затраты энергии на поддержание колебаний пластинки оказываются намного ниже, нежели при большом отличии частоты. Это тоже соответствует поведению колебательного контура.

Эквивалентная схема

История

Пьезоэлектрический эффект был впервые открыт братьями ЖакомиПьером Кюри.Поль Ланжевенвпервые использовал этот эффект в часовом резонаторегидролокаторапередпервой мировой войной. Первыйкристальныйрезонатор, работающий насегнетовой соли, был изготовлен в 1917 году и запатентован в 1918 году Александром М. Николсоном (Alexander M. Nicholson) из компанииBell Telephone Laboratories, хотя это оспаривалось Уолтером Гейтоном Кэди (Walter Guyton Cady), который изготовилкварцевыйрезонатор в 1921 году. Некоторые улучшения в кварцевые резонаторы вводились позжеЛьюисом Эссеном(Louis Essen) и Джорджом Вашингтоном Пирсом (George Washington Pierce).

Первые стабильные по частоте кварцевые резонаторы были разработаны в 1920—30-х годах. Начиная с 1926 года, кварцевые резонаторы на радиостанциях использовались в качестве задающих несущую частоту элементов. В то же время резко возросло количество компаний, начавших выпускать кварцевые резонаторы; только до 1939 года в США было выпущено более чем 100 000 ед.

[править] Применение

Одним из самых популярных видов резонаторов являются резонаторы, применяемые в часовых схемах. Резонансная частота часовых резонаторов 32768 Гц, поделённая на 15-разрядном двоичном счётчике, даёт интервал времени в 1 секунду.

Применяются в генераторах с фиксированной частотой, где необходима высокая стабильность частоты. В частности, в опорных генераторах синтезаторов частот и в трансиверных радиостанциях для формирования DSB-сигнала на промежуточной частоте и детектирования SSB или телеграфного сигнала.

Также применяются в кварцевых полосовых фильтрах промежуточной частоты супергетеродинных приёмников. Такие фильтры могут выполняться по лестничной или дифференциальной схеме и отличаются очень высокой добротностью и стабильностью по сравнению с LC-фильтрами.

По типу корпуса кварцевые резонаторы могут быть выводные для объёмного монтажа (стандартные и цилиндрические) и для поверхностного монтажа(SMD).

Качество схемы, в которую входят кварцевые резонаторы, определяют такие параметры, как допуск по частоте (отклонение частоты), стабильность частоты, нагрузочная ёмкость, старение.

[править] Преимущества перед другим решениями

• Достижение намного больших значений добротности (10⁴−10⁶) эквивалентного колебательного контура, нежели любым другим способом.

• Малые размеры устройства (вплоть до долей мм).

• Большая температурная стабильность.

• Большая долговечность.

• Лучшая технологичность.

• Построение качественных каскадных фильтров без необходимости их ручной настройки.

[править] Недостатки

• Чрезвычайно узкий диапазон подстройки частоты внешними элементами. Практически для многодиапазонных систем эта проблема решается построением синтезаторов частотыразличной степени сложности.