<< Előző oldal   Vissza a tartalomjegyzékhez   Következő oldal >>

• Oszcillátor üzemmód
• Kvarckristály
• Kerámia rezonátor
• Fázistoló kondenzátorok
• Túláramvédő ellenállás
• Gyári ajánlások

      A mikrovezérlős áramköröknek gyakran szélsőséges környezeti jellemzők között kell megbízhatóan működniük. Ha már szükségszerűen kvarckristállyal vagy kerámia rezonátorral kialakított oszcillátor kerül alkalmazásra, az alkatrészválasztást (és a későbbi tesztelést) a megvalósítandó mikrovezérlős áramkör egyedi követelményei alapján kell végezni.
      A tervezéskor célszerű figyelembe venni:
      • a megfelelő oszcillátor üzemmódot;
      • a kívánt frekvencia értékét és pontosságát;
      • a működési hőmérséklettartományt;
      • a tápfeszültségtartományt;
      • a megkívánt oszcillátor feléledési időt;
      • a frekvenciastabilitást;
      • a megengedett fogyasztást;
      • szabványos és elterjedt alkatrészek használatát;
      • és a minimális alkatrészszámra való törekvést.
      Ezek a szempontok sokszor összefüggnek, de néha ellent is mondanak egymásnak. A tervező feladata a megfelelő, de leggazdaságosabb megoldás kiválasztása.
      Az oszcillátor áramkör átgondolatlan felépítése számos problémát okozhat a későbbi működés során. Például szélsőségesen magas hőmérséklet és alacsony (de üzemszerű) tápfeszültség esetén a hurokerősítés csökkenése miatt az oszcillátor túlzottan lassan vagy el sem indul. Vagy ellenkezőleg, alacsony hőmérséklet és magas tápfeszültség mellett a hurokerősítés nemkívánt növekedése miatt a kristály túlvezérlődik, esetleg sérül, vagy valamelyik felharmonikus frekvencián kezdődik el az oszcilláció, amelynél az áramkör valószínűleg ismét működésképtelen.

Vissza a lap tetejére

Az oszcillátor üzemmód kiválasztása

      Az oszcillátor üzemmód (LP, XT, HS) kiválasztása elsődlegesen a gyári ajánlás alapján végezhető.

      Az üzemmód a mikrovezérlő programozásakor választható ki egy konfigurációs szó megfelelő módosításával. (Néhány régebbi típusnál nem volt meg ez a lehetőség. A gyártó külön LP, XT, HS és RC jelű eszközöket gyártott, amelyek csupán a jelzés szerinti oszcillátorral működtek.)
      Az üzemmódkiválasztás valójában az oszcillátor áramkör belső inverterének erősítését állítja be. Alacsonyabb frekvenciákhoz kisebb, magasabbakhoz nagyobb erősítés kerül kiválasztásra. Az erősítés növelésével nő az áramkör fogyasztása, viszont csökken a feléledési idő.
      Ha az alacsony fogyasztás fontos szempont, természetesen minél kisebb erősítésű üzemmód és a lehető legalacsonyabb frekvencia választása a célszerű. Így persze a feléledési idő viszonylag magas lesz.
      Az oszcillátor működtethető a gyári ajánlás frekvenciatartományán kívül is. Kis erősítés mellett túl nagy frekvencia választása az oszcillátor feléledési folyamatát nehezíti, esetleg lehetetlenné teszi. Nagy erősítés melletti túl alacsony frekvencia esetén a fogyasztás indokolatlanul magas lehet és a kvarckristály vagy rezonátor túlterhelődhet.

Vissza a lap tetejére

Kvarckristály választása

      Mivel a PIC mikrovezérlők párhuzamos alapharmonikus oszcillátor áramkört tartalmaznak, párhuzamos rezonáns alapharmonikus kristály alkalmazására van szükség.
      Az adott feladat elvárásainak megfelelően kell figyelembe venni a kristály frekvenciapontosságát, hőstabilitását, öregedését. A szükségtelennél "jobb" kristály használata felesleges költségnövekedést eredményez.
      A kvarckristályokat a gyártók több különböző kialakításban készíthetik. A vágási irányok és szögek alapvetően meghatározzák a kvarckristály tulajdonságait.
      1 MHz felett a legtöbb kristály úgynevezett AT metszésű, amely sok kedvező tulajdonsággal rendelkezik. Az AT metszésű kvarckristályok frekvenciájának hőfüggése látható a következő ábrán különböző vágási szögek esetében.

3.2.2-1. Ábra

      Az ábrából látható, hogy szélesebb működési hőmérséklettartományok esetén a gyártónak nagyobb vágási szöget célszerű választani egy adott pontosság eléréséhez. Emiatt az ilyen kristályok drágák és általában csak külön rendelésre készítik őket.

      Az 1 MHz alatti kristályokat számos különböző metszési móddal gyártják (AC, CT, GT, ET, BT, DT, FT, BC, NT, SL...).
      A PIC mikrovezérlők LP oszcillátor üzemmódja kiválóan illeszkedik az NT metszésű kristályokhoz, melyeket a 10..200 kHz-es frekvenciatartományban gyártanak. Ezek kis méretűek, frekvenciastabilitásuk rosszabb az AT metszésű kristályokénál, viszont a kerámia rezonátoroknál sokkal stabilabbak. Mivel kiválóan működnek alacsony kivezérlési szinten, a kisfogyasztású áramkörök ideális elemei.
      Az NT metszésű kristályok frekvenciájának hőmérsékletfüggését mutatja a következő ábra.

3.2.2-2. Ábra

      A 25°C-on való működéshez képesti frekvenciaeltérés (Df) a következőképpen számítható ki:

Df [ppm] = -0,04 [ppm] · (T_ÜZEMI [°C] - 25°C)².

      Ezen ismeretek segítségével akár egy aktív hőmérsékletkompenzáció is megvalósítható.

Vissza a lap tetejére

Kerámia rezonátor választása

      Azoknál a gyors áramköröknél, ahol nincs szükség nagy pontosságú órajelre, ideális megoldás a kerámia rezonátorral felépített oszcillátor alkalmazása. A kerámia rezonátorok a kvarckristályoknál olcsóbb eszközök, a 400kHz..70MHz tartományban gyártják őket. Hosszútávú frekvenciastabilitásuk elég jó: 0,3%/10év. Működési frekvenciájuk hőfüggése 40..80 ppm/°C, amely egy torz parabola függvény szerint változik.
      Méreteik általában a nekik megfelelő frekvenciájú kvarckristályok méretének felét sem érik el. A legideálisabb helykihasználást a fázistoló kondenzátorokkal egybeépített három-kivezetéses változataik alkalmazása eredményezi.
      Az alacsony jósági tényező miatt az oszcillátor indulási folyamata a kristályoszcillátorokénál könnyebb.

Vissza a lap tetejére

Fázistoló kondenzátorok választása

      A fázistoló kondenzátorok értéke meghatározó az oszcillátor üzembiztos működése szempontjából. Ha értékük túlzottan alacsony, az oszcillátor hullámformája torzultá, az órajel instabillá válhat. Túl nagy kapacitású kondenzátorok alkalmazása viszont nehezíti az indulást, sőt a már beindult oszcilláció meg is állhat.
      A fázistoló kondenzátorok értékére a Microchip és a kvarckristály-, illetve kerámia rezonátor gyártók adatlapjaikon közelítő ajánlásokat adnak. Célszerű a kondenzátorok értékét ezen tartományokban vagy közelében tartani.
      Az oszcillátor áramkör C₁ "fázisszabályzó" kondenzátora a mikrovezérlő órajel bemenetére van kapcsolva és a kristályon, illetve rezonátoron keresztül töltődik fel. A C₂ "erősítésszabályzó" kondenzátorral kell beállítani az oszcillátor szinuszos kimenő feszültségét; lehetőleg minél nagyobbra. Ez a két kondenzátor alkotja, a C_K külső járulékos kapacitásokkal (NYÁK hozzávezetések) együtt a párhuzamos rezonáns oszcillátor áramkör terhelő kapacitását.
      A C_T terhelő kapacitás a következőképpen számítható ki:

C_T = (C₁ · C₂) / (C₁ + C₂) + C_K

3.2.2-3. Ábra

      (Felharmonikus kristályok esetén a frekvenciát kevésbé befolyásolja a terhelő kapacitás eltérése.)

      Első lépésként válasszunk ki a terhelő kapacitás és a gyári ajánlás alapján egy minél alacsonyabb szabványos értéket (C₁ = C₂) és végezzük el a tesztelést a szükséges legmagasabb hőmérsékleten és az előforduló legalacsonyabb tápfeszültségen. Ha az oszcilláció nem stabil, növeljük az értékeket.
      Végezzük el a tesztelést alacsony hőmérsékleten magas tápfeszültség mellett. (Mivel ilyenkor a legnagyobb a hurokerősítés értéke, itt kell ellenőrizni az esetleges túlvezérlés létrejöttét.) Ha ebben az esetben is megfelelő az oszcilláció, akkor köztes környezeti jellemzők esetén sem várható működési zavar.
      Gyorsítható az oszcillátor indulási folyamat, ha C₂ értékét C₁ értékénél nagyobbra választjuk.

Vissza a lap tetejére

Túláramvédő ellenállás választása

      Az R_S túláramvédő ellenállást abban az esetben kell az oszcillátor áramkörbe beépíteni, ha az összes többi alkatrész kiválasztása után, a stabilan működő oszcilláció mellett a kvarckristályon vagy kerámia rezonátoron túlzottan nagy hőteljesítmény van jelen. A kristályon vagy rezonátoron létrejövő teljesítménydisszipáció annak ellenállásától függ. Az adatlapokon ezt, mint ESR (Equivalent Series Resistance) adják meg. Szerepeltetik még a maximálisan megengedett teljesítmény disszipációt is (Maximum Drive Level).
      A kristályon átfolyó I_Q áram mérésével számítható a P_D disszipált teljesítmény:

P_D = I_Q² · R_T,

      ahol a kristály R_T terhelt ellenállása:

R_T = R_ES · (1 + C_O/C_L)².

      Itt az R_ES a kristály ESR ellenállásérték; C_O a kristály belső párhuzamos kapacitása, amely a tokozás és a kivezetések hatásából adódik és hagyományos tokozásoknál 6..7pF körüli értékű; C_L a kristály kapacitása a rezonanciafrekvencián való működéskor.
      Az ESR, C_O és C_L értékek a kristályok adatlapján szerepelnek.
      A kristályon átfolyó áram mérésekor figyelembe kell venni a mérőfej esetleges kapacitását is!
      Szükség esetén építsük be az oszcillátor áramkörbe a megfelelő R_S áramkorlátozó ellenállást!

      Alacsony hőmérsékleten és magas tápfeszültségnél ellenőrizzük az oszcillátor jelalakját a mikrovezérlő OSC2 kivezetésén, ahol szabályos szinuszhullámnak kell jelen lenni 4..5 V-os csúcstól csúcsig mért feszültséggel (5 V-os tápfeszültség esetén).
      Ha a csúcsoknál hibát vagy vágást tapasztalunk, akkor valószínűleg túlvezérléssel állunk szemben, ami a kristály tönkremenetelét okozhatja.
      Helyezzünk el az áramkörben egy ideiglenes potenciométert az R_S helyére! Állítsuk be a kívánt szinuszos jelalakot (a minimális hőmérsékleten és maximális tápfeszültség mellett) majd a potenciométert cseréljük ki egy neki megfelelő szabványos értékű ellenállásra.
      Ha R_S túl nagy (20kΩ felett), a belső inverter bemenetének és kimenetének túlzott elszigetelése miatt az oszcillátor zavarérzékennyé válhat. R_S értékét próbáljuk 10kΩ alatt tartani! Ha a 10kΩ-os érték mellett is fennáll a túlvezérlés, akkor először a C₂, majd együttesen a C₁ és C₂ értékének az ajánlott tartományon belüli növelésével csökkentsük a túlvezérlést.

Vissza a lap tetejére

Gyári alkatrészajánlások

      A Microchip kondenzátorérték ajánlása kerámia rezonátorokhoz:

      Kondenzátorértékek ajánlása kristályoszcillátorokhoz:

<< Előző oldal   Vissza a tartalomjegyzékhez   Vissza a lap tetejére   Következő oldal >>