Новости при осцилатори, резонатори, таймери, часовници за реално време (RTC) – част 1

• MEMS силициевите осцилатори са относително нова концепция, която намира все по-широко приложение
  
  
• Добре проектираната и изпълнена печатна платка играе съществена роля за коректната работа на осцилатора
  
  
• Проблем за кварцовите и силициевите резонатори е температурата - нейната промяна води до изменение на генерираната честота

Димитър Колев

Класическите компоненти, използвани за гарантиране на точна и стабилна честота за работата на таймери, микроконтролери и генератори, могат да бъдат разделени на няколко добре известни категории. Това са резонатори – кварцови, керамични и микроелектромеханични (MEMS); резонатори с повърхностни акустични вълни (SAW); осцилатори/ генератори с външен резонатор и осцилатори с вграден резонатор, с един или няколко канала.

Осцилаторите могат да бъдат с фиксирани параметри, управлявани с напрежение или чрез цифров интерфейс, като при съвременните осцилатори има възможност отделни параметри и обхвати на работа да бъдат предварително програмирани. Постигането на точност и стабилност в съвременните осцилатори обикновено се реализира чрез един (кварцов) или два интегрирани (MEMS) резонатора, както и вграден температурен сензор с цел компенсиране на отклонението от номиналната честота. Добре проектираната и изпълнена печатна платка също играе съществена роля за коректната работа на осцилатора, независимо дали той е изпълнен с външен или интегриран резонатор.

Микроконтролерите и таймерите (555 и подобни), които използват външен или вграден (и калибриран) RC осцилатор, също са достатъчно точни за широк спектър от приложения. При нужда от по-висока точност RC осцилаторът може да бъде заменен с керамичен или кварцов резонатор. ”Активните“ MEMS резонатори са всъщност осцилатори. Специализираните аналогови функционални генератори (които вече не се произвеждат, но все още са популярни) и цифровите честотни синтезатори са също много интересна тема, която изисква отделна статия и няма да бъдат разглеждани тук.
Точността на осцилатора се дефинира чрез отклонение в ppm (part per million), което е удобна мерна единица за сравнение между различни типове осцилатори. Колко добър е часовник с 1% (10 000 ppm) отклонение? 24 часа х 60 минути х 60 секунди = 86 400 секунди на ден, а 1% e 864 секунди, което прави грешка 14,4 минути на ден!

Обикновените кристални резонатори, използвани при микроконтролерите, типично имат отклонение от 100 ppm (което прави около 8,64 секунди на ден. Обикновените часовникови генератори имат отклонение от около 20 ppm (ако печатната платка е проектирана добре), което прави 1,73 секунди на ден, или приблизително под 1 минута на месец.

Друг проблем за кварцовите и силициевите резонатори е температурата. Нейната промяна води до изменение на генерираната честота. Затова съществуват OCXO (Oven Controlled Crystal Oscillator), или осцилатори, които се подгряват и поддържат в резонатора определена работна температура. Разбира се, това увеличава консумацията. OCXO имат типична грешка от 1 ppb (ppb – part per billion) или 86,4 микросекунди за ден. За да загуби една секунда, на такъв осцилатор са му необходими 32,4 години!

Рубидиевият осцилатор има грешка от 0,001 ppb. Той губи 86,4 наносекунди на ден, което прави една загубена секунда на 32 384 години. Цезиевият резонатор има грешка от 0,0001 ppb или 8,64 наносекунди за ден, и ще загуби една секунда за 322 844 години. Така нареченият цезиев фонтан (caesium fountain) е още по-точен и губи една секунда за 32 384 400 години! Примерно сравнение на различните видове резонатори и осцилатори (без атомните часовници) може да се види в Таблица 2.

Основни типове и характеристики

Резонаторите са елементи, които при свързване в подходяща електронна схема могат да генерират електрически сигнал реално с една-единствена честота fnom, представляваща основния им параметър. Обикновено в каталозите се предлага серия от резонатори с честоти в определен обхват, с изключение на предвидените за часовници поради международно утвърдената fnom=32 768 Hz. Производственият толеранс на честотата (Frequency Tolerance) ftol или DF/F, ppm, обикновено е в сила при температура 25°С. Зависимостта на честотата от температурата се оценява чрез температурната стабилност (Temperature Stability) TC, показваща с колко ppm се променя fnom в работния температурен обхват.

Кварцовите резонатори (Crystal Resonator) независимо че като принцип са твърде стари (първият е от 1921 г.), продължават да са широко използвани.

Керамичните резонатори (Ceramic Resonator) се реализират върху пиезоелектрична керамика, в която възникват механични трептения, както в кварцовите резонатори. Аналогични са честотната зависимост на импеданса им и еквивалентната схема, което води и до същите схеми на свързване. Символичното означение, дългият експлоатационен срок и малката промяна на параметрите през него (Long-Term Stability – типично около ±0,5% на fnom за 10 години) отново са както при кварцовите резонатори. Цената е по-ниска за сметка на по-големите ftol и ТС, които все пак остават значително по-малки от тези на най-добрите LC трептящи кръгове.

Осцилаторите са генератори на стабилна честота fnom, реализирани с външни или вградени LC/RC кръгове, кварцови, керамични или MEMS резонатори. Тук разглеждаме последните три вида. Разновидности са TCXO, VCTXCO, TCVCXO, които предлагат различни видове температурна стабилизация и температурна компенсация, с цел увеличаване на точността.

Микроелектромеханичните (MEMS) силициеви осцилатори са относително нова концепция (по-лесна за интегриране, тъй като резонаторът и електрониката са разположени върху една и съща силициева пластина), която намира все по-широко приложение. Сред факторите за това са възможностите за работа в широк температурен обхват и програмиране на ограничени серии със специфични параметри. Типични приложения на MEMS осцилаторите са автомобилни и индустриални системи, където е необходима повишена устойчивост в тежки работни условия (удари и вибрации). Недостатък е сравнително по-високата цена.

Управляваните с напрежение осцилатори (VCXO) съдържат кварцов, SAW или MEMS резонатор, като чрез вграден електронен блок се осигурява линейна зависимост на честотата от подаваното му управляващо напрежение (Control Voltage) или това се задава през сериен интерфейс (I2C, SPI).

Часовници за реално време (RTC)

Въпреки че време може да се отчита и синхронизира през GPS/GSM/Internet мрежата, както и че повечето микроконтролери отдавна вече се предлагат със стандартно вграден часовник, самостоятелните RTC интегрални схеми (ИС) имат своите области на приложение. Причина за това е много ниска консумация (например до 45 nA @ 3 V), като при интегрираните (част от микроконтролер) и външни решения (GPS) консумацията може да бъде 100 и повече пъти по-голяма. Захранващото напрежение също е подобна причина – RTC ИС могат да поддържат работещ часовник (без периферия) с напрежения под 1 V, като при интегрираните решения се изискват минимум 1,8 V.

Самостоятелните RTC обикновено имат системно и запасно батерийно захранване, директно свързани с литиева или друга батерия/акумулатор, докато при микроконтролерите се изисква допълнителен понижаващ или повишаващ регулатор. Още една причина е и заеманото място върху печатната платка – напълно функционален RTC ИС с вграден резонатор може да има същия размер като обикновен външен часовников (32 768 Hz) или тактов резонатор/осцилатор за микроконтролер. В Таблица 1 е показано сравнение между консумацията на LED, микроконтролер (MCU), самостоятелен и вграден RTC.

RTC ИС използват кварцови резонатори с честота 32 768 Hz, които могат да са вградени в корпуса или да бъдат отделен външен компонент. При RTC с вграден резонатор има варианти с интегриран термистор, чрез който се компенсира промяната в температурата и се увеличава точността, за сметка на малко по-висока консумация. На Фиг. 1 са представени външни kHz резонатори, корпус на миниатюрен RTC с вграден резонатор, както и вътрешната структура на такъв интегриран RTC. В Таблица 2 е направено сравнение на точността според типа резонатор или осцилатор и работния температурен интервал.

Статията продължава в следващия брой
на сп. Инженеринг ревю