Хронометрирование на основе кварцевых кристаллов
С момента своего появления миниатюрный часовой кристалл на 32768КГц стал самым популярным средством хронометрирования. В данной заметке приводятся некоторые рекомендации по использованию кварцевого кристалла в задачах хронометрирования.
Почти во всех случаях для таких задач разработчики хотели бы использовать генераторы на основе простого логического вентиля из соображений удобства и стоимости. Обычно используемыми критериями в этих задачах являются точность, малая стоимость и низкая потребляемая мощность. Этим критериям полностью отвечает использование часового кварца и КМОП-логики.
В генераторах на КМОП-ключах потребляемая мощность растет с повышением частоты, поэтому весьма желательно понизить рабочую частоту до минимума - именно по этой причине используется частота 32768КГц. Другим путем снижения потребляемой мощности в КМОП-схемах является уменьшение величины любой нагрузки, на которую работает генератор. Отчасти по этой причине часовые кристаллы разрабатываются на типовую нагрузку 12.5пФ вместо более обычных 20 или 30 пФ. Также следует принимать во внимание, что: (a) КМОП схема перестает запускаться при используемом в часах низком напряжении, если нагрузка кристалла не обладает достаточно малой ёмкостью; (b) следует сохранять низкий уровень напряжения управления кристаллом при поддержании адекватного входного напряжения инвертора и (c) дать возможность использовать очень маленький подстроечный конденсатор при необходимости обеспечить некоторый диапазон подстройки.
Основные требования к генератору на КМОП-инверторе могут быть выполнены на одном вентиле с внешними компонентами, обеспечивающими создание опорного уровня и цепи обратной связи. На Рис. 29 показана типовая схема этого типа. Нагрузочной ёмкостью для кристалла является последовательно включенные Cout (C1) и Cin (C2) совместно с паразитными ёмкостями выводов входа и выхода вентиля. При указанных на Рис. 29 величинах компонент схема работает хорошо и обеспечивает хорошую корреляцию с результатами тестовых измерений, полученными с помощью измерителя импеданса кристалла Saunders 140. Результирующая нагрузочная ёмкость для кристалла в этой схеме составляет:
Cout = выходная ёмкость вентиля, Cin = входная ёмкость вентиля
Для указанных на схеме значений получаем нагрузочную ёмкость 6.9пФ. Это значительно ниже требуемых для схемы 12.5 пФ, однако следует учесть, что оба входной и выходной выводы вентиля обладают заметной ёмкостью и эти дополнительные ёмкости следует добавить к 6.9пФ. Их типовые значения составляют от 3 до 4 пФ в зависимости от используемого семейства микросхем. Эти внешние ёмкости вместе с паразитными ёмкостями схемы увеличат нагрузочную ёмкость до примерно 12.5пФ.
Если нужна подстройка генератора, выходную ёмкость 22пФ следует заменить на параллельно соединенные постоянный конденсатор 10пФ и подстроечный конденсатор от 2 до 22 пФ. Для получения наилучших результатов по термостабильности следует использовать конденсаторы типов NPO, COG или аналогичные, использующие диэлектрик с низким температурным коэффициентом.
Часто выражаемое требование к генераторам иметь иметь жесткий допуск действительно оправдано в конструкциях, не предусматривающих установку подстроечного конденсатора. Однако, даже если не учитывать влияния допусков на ёмкость конденсаторов, следует принимать во внимание, что при их малой величине вариации импеданса ИС будут приводить к некоторой неопределённости фазового сдвига и, следовательно, к изменению частоты. Поэтому настоятельно рекомендуется использовать подстроечный конденсатор, если нужна точность лучше, чем, скажем, ±50 ppm независимо от реального допуска кристалла.
Другой важный фактор влияния обусловлен изменением температуры. Часовые кварцы и другие сходные с ними типы кристаллов с частотой ниже 1МГц имеют параболические температурно-частотные зарактеристики с заложенной при разработке температурой точки поворота 25°C (Рис. 31). Типовые допуски на температуру точки поворота и постоянную параболической кривой составляют соответственно ±3°C и 0.038 ppm/°C, что означает, что жесткие допуска могут поддерживаться только в ограниченном температурном диапазоне. Конечно, это приводит к незначительным последствиям в часах, поскольку они используются при температуре, близкой к температуре точки поворота, но это может стать существенным фактором для выбора кристалла более дешевого, чем со срезом типа AT, если нужно обеспечить температурный диапазон шире, чем от 0 до 50°C.
Аналогичная схема на частоту 4.194304 МГц (32.768 КГц x 27) для кристалла с AT-срезом показана на Рис. 30. Конденсаторы C2 и C4 предназначены для точной подстройки частоты кристалла, калиброванного при стандартной для тактового генератора нагрузочной ёмкости 12пф. Если подстройка не нужна, то следует заменить эти два конденсатора одним постоянным ёмкостью 18пф или 22пф (следует выбрать величину, с которой генератор будет ближе к номинальной частоте) или убрать их оба и взять кристалл, калиброванный при нагрузке 30пф.