Рассмотрим схему простейшего генератора. Для его самовозбуждения необходимо обеспечить баланс фаз на заданной частоте. Генератор может быть выполнен по схеме индуктивной или ёмкостной трёхточки. Такие схемы называются осцилляторными. В настоящее время обычно используется схема ёмкостной трёхточки, известной в иностранной литературе как схема Пирса, как более дешёвый вариант. На рисунке 1 приведена подобная схема, выполненная на биполярном транзисторе.
Рисунок 1. Ёмкостная трёхточка, выполненная на биполярном транзисторе
В этой схеме усилительный элемент V1 включен в схему контура Z1 C1 C2, резонансная частота которого и задаёт частоту генерации схемы. Глубина положительной обратной связи задаётся соотношением ёмкостей этого контура и коэффициентом усиления транзистора на заданной частоте самовозбуждения.
Приведенная на рисунке 1 принципиальная схема генератора использует коллекторную стабилизацию режима работы ( резисторы R1 и R2). Колебания, формируемые таким генератором, не совсем подходят для синхронизации цифровых микросхем, так как на выходе описанного генератора присутствует синусоидальное напряжение. Его необходимо преобразовать к логическим уровням, которые воспринимают цифровые микросхемы.
Генератор можно построить и на основе одиночного логического инвертора. Как уже говорилось в предыдущих главах, любой логический элемент обладает усилением. Этим будет обеспечен баланс амплитуд. Баланс фаз обеспечим точно так же, как и в предыдущей схеме генератора. Схема ёмкостной трёхточки, построенной на основе логического инвертора, приведена на рисунке 2.
Рисунок 2. Ёмкостная трёхточка, выполненная на логическом инверторе
При реализации генераторов на логических элементах необходимо следить за тем, чтобы при запуске генератора логический элемент находился в активном режиме. В обычном включении логический инвертор находится в режиме ограничения. В этом режиме осуществляется жесткий режим запуска генератора, поэтому для возникновения автоколебаний в такой схеме потребуется подать мощный импульс на вход инвертора.
Для самопроизвольного возникновения колебаний в схеме генератора необходимо перевести логический элемент в усилительный режим. Для этого инвертор необходимо охватить отрицательной обратной связью по постоянному току. В приведённой на рисунке 2 схеме это осуществляется замыканием входа и выхода микросхемы через активное сопротивление индуктивности L1.
Сигнал на выходе первого инвертора благодаря фильтрующим свойствам контура тоже будет синусоидальным. Второй инвертор используется для преобразования формы выходного напряжения к прямоугольной и доведения уровня генерируемого сигнала до цифровых логических уровней. Иными словами, он используется в качестве усилителя-ограничителя. Кроме того, этот инвертор выполняет функции развязывающего (буферного) усилителя. Это означает, что изменение параметров нагрузки не будет влиять на генерируемую частоту.
Известно, что стабильность колебаний LC генератора невысока. Намного большей стабильностью обладают кварцевые генераторы. Схему на одном инверторе можно использовать и для построения кварцевых генераторов. Чаще всего применяются КМОП микросхемы. В этом случае, в ёмкостной трёхточке (схеме Пирса) вместо индуктивности следует включить кварцевый резонатор. Схема кварцевого генератора на одном логическом инверторе приведена на рисунке 3.
Рисунок 3. Схема кварцевого генератора, выполненная на логическом инверторе
Ёмкости в частотозадающей цепочке обычно выбираются в пределах от 10 до 30 пФ. Значение этих ёмкостей определяется значением ёмкости кварцедержателя, которая колеблется от 3 до 5 пФ. Эта схема используется в большинстве цифровых микросхем, таких как микропроцессоры или микроконтроллеры в качестве тактового генератора.
Соотношение ёмкостей задаёт глубину обратной связи, а значит устойчивость запуска генератора в диапазоне температур. На высоких частотах ёмкости обычно выбираются равными. В низкочастотных генераторах ёмкость C1 желательно выбирать меньше ёмкости конденсатора C2. Это обеспечит большее напряжение на входе инвертора, что в свою очередь приведёт к меньшему потреблению тока. При необходимости подстройки частоты генератора в качестве ёмкости C2 может быть использован подстроечный конденсатор.
Кварцевый резонатор не пропускает постоянный ток, поэтому для обеспечения автоматического запуска генератора приходится использовать дополнительные резисторы. В схеме на рисунке 3 это резисторы R1 и R2. Резистор R1 переводит инвертор в активный режим. Соотношение номиналов резисторов R1/R2 определяет коэффициент усиления активного элемента генераторов.
При использовании очень высокочастотных кварцевых резонаторов резистор R2 для облегчения самовозбуждения генератора может отсутствовать. При работе с низкочастотными кварцевыми резонаторами резистор R2 и ёмкость C2 обеспечивают необходимый фазовый сдвиг и предотвращают самовозбуждение генератора на частоте ёмкости кварцедержателя. Кроме того, резистор R2 ограничивает мощность, рассеиваемую на кристалле кварца, что позволяет использовать в генераторе малогабаритные кристаллы.
Достаточно часто возникает необходимость останавливать генератор для экономии потребления электроэнергии. В этом случае вместо логического инвертора можно использовать схему "2И-НЕ".
Рисунок 4. Схема кварцевого генератора, выполненная на элементе логического "И"
Подобная схема приведена на рисунке 4. Для того, чтобы остановить генератор, нужно подать на управляющий вход нулевой потенциал. При этом на выходе элемента 2И-НЕ формируется логическая единица. Она не зависит от сигнала на втором входе элемента, и периодические колебания срываются. Для возобновления генерации нужно подать на управляющий вход логическую единицу. Именно такая схема используется внутри большинства современных микросхем в качестве задающего генератора тактовой частоты.
Дата последнего обновления файла 13.02.2020
