Чим стабільніша працює МК, тим краще. Ця аксіома в першу чергу відноситься до тактовій частоті генератора, що задає. Забезпечити її високу стабільність можуть кварцові резонатори, що підключаються до висновків ХТ1 (вхід) і ХТ2 (вихід) підсистеми синхронізації МК.

Трохи історії. У 1880 р. французькими вченими братами П’єром і Жаком Кюрі було відкрите нове фізичне явище – п’єзоелектрика. У 1921 р. професор Веслейского університету У. Кеді підключив кварцову пластину до радіогенератору, що забезпечило помітну стабілізацію випромінюваної частоти. Радіоаматори відразу ж застосували цю новинку в саморобних короткохвильових радіопередавачах середини 1920-х років.

До теперішнього часу існування п’єзоелектричного ефекту виявлено більше ніж у 1000 речовин. Спочатку використовувалися кристали турмаліну і сегнетової солі. Пізніше стали застосовуватися кристали природного кварцу Si02 різного забарвлення: гірський кришталь (безбарвний), раухтопаз (димчастий), моріон (чорний), цитрин (золотисто-жовтий), аметист (бузковий).

У 1950-х роках була успішно вирішена проблема вирощування монокристалів штучного кварцу, який не тільки не поступається, але і по ряду показників навіть перевершує свій природний аналог.

Діапазон частот сучасних кварцових резонаторів становить від 32768 Гц до 300 … 400 МГц. Серед них умовно виділяють низькочастотні (до 1 МГц), середовищ-нечастотние (1 … 30 МГц) і високочастотні (Понад 30 МГц) резонатори.

   

На Рис. 5.1 показана еквівалентна схема кварцевого резонатора. Елементи L1, С1, R1 відносяться до гілки послідовного контуру. Фізично вони не існують, але є аналогами механічних характеристик: маси (L1), пружних властивостей (С1), втрат енергії (R1). Останній параметр визначає добротність коливальної системи.

   

Рис. 5.2. Схеми пьезостабілізірованних генераторів: а) генератор з паралельним резонансом; б) генератор з послідовним резонансом.

Статична місткість кварцедержателя СО паралельно з елементами L1, С1, утворює ще один контур, паралельний. Разом на частотній осі розміщуються два базові точки – послідовного і паралельного резонансів. У першій точці кварцовий резонатор має мінімальний опір, у другій – максимальне, між ними він веде себе подібно високодобротних індуктивності.

Існування двох «сідлових» частот у кварцових резонаторів дозволяє розділити схеми їх включення на два типи [5-1]:

• генератори з паралельним резонансом або осциляторні генератори (Мал. 5.2, а), у яких умова балансу фаз забезпечується індуктивної складової. Коливальна система, складається з індуктивності (схема заміщення резонатора ZQ1) і послідовно з’єднаних конденсаторів С1, С2, на робочій частоті подібна паралельного контуру (звідси й назва). Підсилювач А1 повинен змінювати, точніше, інвертувати, фазу сигналу на непарне число напівперіодів: 180 °, 540 °, 900 ° і т.д.;

• генератори з послідовним резонансом або фільтровані генератори (Мал. 5.2, б), в яких резонатор ZQ1 працює поблизу мінімуму свого опору при малому зсуві фази між напругою і струмом. Послідовний резонанс забезпечує вузьку смугу пропускання, в зв’язку з чим фільтруються гармоніки (звідси й назва). Підсилювач AJ повинен змінювати фазу сигналу на парне число напівперіодів: 360 °, 720 °, 1080 ° і т.д.

При покупці кварцового резонатора (на сленгу «кварцу») слід перевірити його зовнішній вигляд на «фірменість», а саме, переконатися в наявність легко читається і не зтирається пальцями лазерного маркування з позначенням частоти, знака виробника, дати виробництва, рекомендованої ємності навантаження. Останній параметр важливий, якщо потрібно забезпечити стійкість запуску строго на штатній частоті в умовах розкиду харчування і температури навколишнього середовища.

Для побутових схем з МК, як правило, застосовують недорогі низько-та середньо-частотні кварцові резонатори без претензій на високу стабільність параметрів і точність настройки. Основним є режим генерації з паралельним резонансом (Мал. 5.3, а … і). Ще бувають схеми з електронною підстроюванням частоти (Мал. 5.4, а … в), а також з декількома резонаторами (Мал. 5.5, а … г).

   

Рис. 5.3. Схеми підключення кварцових резонаторів до МК (початок):

а) необхідність в резисторах R1, R2 визначається експериментально по стійкості запуску МК у всьому діапазоні робочих температур і напруг живлення. Реально в схемах ставиться один з двох резисторів або обидва замінюються перемичками. Конденсатори С1, С2 можуть бути відсутніми, що визначається вказівками з даташіта для висновків ХТ1, ХТ2 або RTC1, RTC2;

б) відсутність конденсаторів «обв’язки» біля низькочастотного кварцового резонатора ZQ1 є штатним режимом роботи за умови, що конденсатори знаходяться всередині МК і підключаються до висновків ХТ1, ХТ2 установкою певних конфігураційних бітів. Високочастотні кварцові резонатори теж можуть підключатися до МК безпосередньо, але стійкість запуску не гарантується, треба перевіряти на практиці;

в) ланцюжок СЗ, L1 шунтує висновок ХТ2 на низьких частотах, запобігаючи запуск кварцового резонатора ZQ1 на першій гармоніці. Ця схема ефективна для кварцових резонаторів, що працюють на третього і п’ятого механічних гармоніках. Елементи СЗ, L1 можуть підключатися не тільки до висновку ХТ2, але і до висновку ХТ1;

г) кварцовий резонатор ZQ1 включається за стандартною схемою між висновками ХТ1 і ХТ2 МК. Конденсатор С1 підлаштовує в невеликих межах частоту генерації. Рекомендовані ємності конденсаторів вказуються в даташітах, але реально вони можуть бути іншими і не обов’язково однаковими. Загальний принцип – чим вище частота, тим менше ємність. Один з двох паралельно включених конденсаторів С1 і С2 може бути відсутнім;

д) конденсатором СЗ підлаштовують частоту генерації в невеликих межах. Резистори R1, R2 полегшують умови автозапуску при крайніх значеннях температури і напруги живлення. Резистор R2 може бути відсутнім, а конденсатор СЗ і резистор R1 допускається замінити перемичками:

   

Рис. 5.3. Схеми підключення кварцових резонаторів до МК (закінчення):

е) резистор R1 по високій частоті шунтує вхід ХТ1 генератора МК, що може поліпшити умови самозбудження при низькій напрузі харчування;

ж) загальна точка з’єднання конденсаторів С1, С2 підключається не до загального проводу, а до харчування. Це може знадобитися, наприклад, якщо «плюс» харчування з’єднується з «масою», або таким шляхом зручніше робити розведення провідників на друкованій платі;

з) запуск кварцового резонатора ZQ1 на третій гармоніці (24 МГц). Потрібне попереднє макетування з підбором елементів L1, С1, R1

і) схема застосовується, якщо один з висновків кварцового резонатора ZQ1 обов’язково повинен мати з’єднання із загальним проводом. Потрібне попереднє макетування з підбором ємностей конденсаторів.

   

   

Рис. 5.4. Схеми з електронною підстроюванням частоти кварцового резонатора:

а) паралельно конденсатору СЗ підключається ланцюжок, що складається з конденсатора С2 і двох варикапов VDI, VD2. Резистором RI змінюється напруга на варикапах (їх ємність), внаслідок чого підлаштовується в невеликих межах частота генерації;

б) транзистор VTJ використовується як варикап із змінною ємністю. Частота генерації регулюється резистором R1. Знову спечений «транзисторний варикап» по високій частоті підключається паралельно конденсатору СЗ з урахуванням послідовного конденсатора С2;

в) частота задаючого кварцевого генератора МК модулюється керуючою напругою з частотою / ^ од-Ємність високочастотного варикапів VD1 змінюється в межах від 20 до 40 пФ при напрузі модулюючого сигналу відповідно від +5 до +0.5 В.

   

Рис. 5.5. Схеми підключення декількох кварцових резонаторів до МК (початок):

а) перемикання двох тактових частот F1 (32768 Гц) і F2 (1 МГц) здійснюється за сигналом від МК. Коли електронний ключ мікросхеми DA J розімкнений, то М К працює на частоті F1 коли замкнутий – на частоті F2. Резистор R2 може бути відсутнім. Висновок 7 мікросхеми DA1 з’єднується із загальним проводом, а висновок 14 – з ланцюгом +5 В. На час перемикання частоти повинна бути зроблена програмна пауза. Не зайвим буде передбачити рестарт МК;

б) паралельне включення декількох нізкодобротного кварцових резонаторів ZQl … ZQn розширює діапазон регулювання частоти. Конденсатором С J можна плавно перебудовувати тактову частоту 20 МГц на 120 кГц при збереженні «кварцовою» стабільності генерації. Це дуже хороший показник для схем подібного класу. Резистор RI опором 4.7 … 20 кОм зменшує нерівномірність амплітуди. Конденсатор СЗ і котушка L1 задають діапазон перекриття по частоті. Кварцові резонатори повинні бути одного типу і однієї номінальної частоти. Оптимальне їх кількість підбирається експериментально, зазвичай 4 або 5;

   

Рис. 5.5. Схеми підключення декількох кварцових резонаторів до МК (закінчення):

в) движкового перемикача S1 ​​комутує тактовий сигнал М К від кварцового генератора G1 або від кварцового резонатора ZQ1. Після перемикання необхідно зробити скидання МК;

г) зміна частоти генерації здійснюється механічним перемикачем SA У, який повинен мати малу перехідну ємність між своїми контактами (одиниці пікофарад). Після зміни частоти необхідно зробити початковий скидання МК.

   
Джерело:
Рюмік С.М. 1000 і одна мікроконтролерних схема.