Кварцовий генератор

Ква́рцовий генера́тор - генератор змінної напруги, стабілізувальним елементом частоти якого є кварцовий резонатор чи п'єзоелемент. Відзначається високою температурною і тривалою стабільністю, низьким рівнем фазових шумів.

Кварцовий генератор всередині мікроскладання формату DIP-мікросхеми. Усередині знаходиться друкована плата, тонкий круглий кварцовий резонатор з металізованими обкладками зверху та знизу (знаходиться ліворуч на фотографії), мікросхема та обв'язування.

Серце, яке б'ється у більшості електронних систем сьогодні — це кварцовий генератор. У той час як пристрої, засновані на технології мікроелектромеханічної системи (MEMS), безумовно, знаходять застосування в цій галузі, недорогий кварцовий генератор досі домінує, і це також є електромеханічним пристроєм.

По суті, кварцові генератори є пристроями, в яких схема генератора використовує механічний резонанс п'єзоелектричного матеріалу, найчастіше кварцового кристала, для створення електричного сигналу з точною стабільною частотою. Створений таким чином сигнал зазвичай називається тактовим сигналом і використовується для синхронізації роботи інших електронних пристроїв, що становлять систему.

Продуктивність з часом

Стабільність кварцового генератора визначається його добротністю; чим вище добротність, тим стабільніший пристрій. Ряд впливів, у загальному які називаються старінням, може обмежувати довготривалу стабільність кварцових генераторів.

Поступова зміна частоти з часом обумовлена багатьма факторами: напруги, що виникають в опорах і контактах, з часом можуть ослабнути; забруднюючі речовини можуть адсорбуватися на поверхні кристала, змінюючи його масу; склад кристалів може бути поступово змінено; його решітка може бути пошкоджена радіацією та багато іншого. Зведення до мінімуму наслідків старіння багато в чому залежить від вибору матеріалів та компонентів, що використовуються під час створення генератора, методів упаковки та технологій виготовлення. На щастя, старіння логарифмічно зменшується з часом і найбільші зміни відбуваються під час початкового життя генератора. Таким чином, виробники зазвичай штучно старіють кристал шляхом тривалого зберігання при температурі від 85 до 125 °C, щоб збільшити його довготривалу стабільність.

Коливання кварцового генератора

Частота власних коливань кварцового генератора може бути в діапазоні від кількох кГц до сотень МГц. Вона визначається фізичними розмірами резонатора, пружністю та п'єзоелектричною постійною кварцу, а також тим, як вирізаний резонатор із кристала. Так як кварцовий резонатор є закінченим електронним компонентом, його частоту можна змінювати зовнішніми елементами та схемою включення у дуже вузькому діапазоні вибором резонансної частоти (паралельний або послідовний) або знизити паралельно включеним конденсатором. Існують, однак, кустарні методики підстроювання резонатора. Це доцільно у випадках, коли бажано мати кілька резонаторів із дуже близькими параметрами. Для зменшення частоти на кристал короткочасно впливають парами йоду (це збільшує масу срібних обкладок), збільшення частоти обкладки резонатора шліфують.

Можливість зміни частоти

• фіксованої частоти
• частота керується напругою (VCXO)
• частота керується цифровим кодом (NCXO)

Для одержання високої добротності і стабільності резонатор розташовують у вакуумі і підтримують постійною його температуру.^[]

Широковживані частоти

Це 3,579545 МГц, 4,433619 МГц, 10 МГц, 11,0592 МГц, 14,318182 МГц, 17,734475 МГц, 20 МГц, 33,33 МГц, і 40 МГц.

• Популярність 3,579545 МГц обумовлена низькою ціною генераторів через їх використання в телевізорах NTSC. Ділячи і перемножуючи, застосовуючи фазове автопідстроювання частоти, від однієї стабільної частоти можна отримати цілий ряд.
• 14,318182 МГц (чотири рази по 3,579545 МГц) використовується в комп'ютерних дисплеях для отримання растрового екрану системи NTSC.
• Частоти 4,433619 МГц і 17.734475 МГц використовують в системі PAL.
• Частота 11,059 МГц популярна через стандарт RS232.

Вид вихідного сигналу

Генератори можуть вироблятися як з синусоїдальним вихідним сигналом, так і з сигналом прямокутної форми, сумісним за логічним рівнем з одним зі стандартів (TTL, CMOS, LVCMOS, LVDS та інші). Генератор потребує відповідності напруги джерела живлення.

Рівень фазових шумів

У найкращих генераторів спектральна щільність потужності фазових шумів може бути менше -100 дБн/Гц при відхиленні 1 Гц і менше -150 дБн/Гц при відхиленні 1 кГц від вихідної частоти 10 МГц.

Наявність і тип термостабілізації

• термокомпенсовані (TCXO)
• термостатовані (OCXO, DOCXO)

Переваги кварцових генераторів

• Кварцові генератори мають дуже високу стабільність частоти.
• Висока частота роботи.
• Низький частотний дрейф через зміну температури та інших параметрів.
• Q дуже високий.
• Мають автоматичне керування амплітудою.

Приклади використання

• Генератор Пірса

Використання

Кварцові генератори використовують:

• У синтезаторах частоти.
• У спеціальних типах приймачів.
• У радіо та телевізійних передавачах.
• Як кришталевий^[] годинник у мікропроцесорах.

У сучасних ПК все ще використовуються кварцові генератори, але для отримання багатогігагерцових тактових частот застосовуються складніші технології. ПК використовує кристал із частотою набагато меншою, ніж робоча, і множить її за допомогою фазового автопідстроювання частоти. Комп'ютери часто використовують кристал на 14318, оскільки цю частоту використовували в старих телевізорах, і такі кристали були недорогими і широко поширеними.

Див. також

• Кварцовий резонатор

Джерела

1. . Державне підприємство «Український науково-дослідний і навчальний центр проблем стандартизації, сертифікації та якості». Архів оригіналу за 15 Листопада 2021. Процитовано 15 листопада 2021.
2. Кварцові генератори стандартні. www.sea.com.ua. Процитовано 24 липня 2022.
3. Разбираем кварцевый генератор и его крохотную интегральную схему. Хабр (рос.). Процитовано 24 липня 2022.
4. Генератори із кварцовою стабілізацією частоти. Vuzlit. Процитовано 24 липня 2022.