Частота кварцевого генератора компьютера

О частотах кварцевых резонаторов в компьютерах класса IBM PC

О частотах кварцевых резонаторов в компьютерах класса IBM PC.

Intel Corp. всегда жестко нормировало частоты для чипсетов своего производства применяемых при построении компьютеров класса IBM PC – 1431818 кГц и 32768 кГц.
В компьютерах, начиная с i8088 и кончая i486 процессоров частота 1431818 кГц производителями материнских плат соблюдалась.
Частота 32768 кГц (или ей кратная) соблюдалась в компьютерах не всегда. Частота шины ISA в большинстве случаев была 8 МГц (32/4). Подчеркиваю во многих, но не во всех.
Norton Utilities 7 на многих компьютерах не мог пройти полный тест – остановка происходила при проверке LPT порта при установленной тестовой заглушке.
Причина – не соответствие компьютеров нормам установленным Intel Corp.
После появления процессоров Pentium и увеличения спроса на рынке фирмы, выпускающие материнские платы начали позволять себе вольности и в отношении частоты 1431818 кГц – то 14318 кГц, то 14300 кГц и т.д.
Такое положение дел существует до сих пор – кто во что горазд: 32000кГц,32500кГц , 33000кГц, 14318 кГц , 14300 кГц для многих фирм-производителей чуть ли не норма.
Для тех, кто на компьютерах играет да тексты набирает все это должно быть безразлично.
Для тех, кто занимается делами посерьезнее вряд ли надо объяснять, что такое аппаратная и программная рассинхронизация за счет времени.
Вопросы температурной нестабильности и отклонений частоты в результате производства не поднимаю. Стоит ли говорить о сотне Герц, когда речь идет об отклонении от нормы в сотни килоГерц .
Не спешите самостоятельно менять кварцы — к примеру, кварц на котором отмаркировано14.31818 не даст взамен устанавливаемого данную частоту. На самом деле генерируемая частота на многих компьютерах выпуска 1997-2005 года в таком случае будет1431822 кГц.
Дело в том, что кварцы используют с параллельным резонансом и приведенной емкостью
47 пикоФарад на каждом выводе кварцевого резонатора относительно земли для частоты1431818 кГц. Производители синтезаторов частоты рекомендуют устанавливать конденсаторы 11- 22 пикоФарад в зависимости от типа синтезатора и частоты . Если увеличивать емкости конденсаторов до 47 пикофарад чтобы получить частоту 1431818 кГц, то возрастет нагрузка на усилитель генератора частоты вплоть до недопустимых нагрузочных значений .
Подстройку частот с помощью переменного конденсатора видел только на одном типе материнских плат с i286 процессором – не выгодно производителям делать точно.

Встроенный на материнскую плату АС 97 кодек – частота для большинства чипсетов 24576 кГц, поскольку чипсеты Intel счет ведут от нормированной частоты 12288 кГц.
Нередки случаи, когда производители материнских плат вместо кварцевых резонаторов
с частотой 24576 кГц ставят кварцевые резонаторы 24500 кГц. Для тех, кто не имеет музыкального слуха нечего беспокоится по этому поводу – все равно не услышат изменения тональности.
Для тех, кому не безразлично, поясняю – идет частотный синтез отправной точкой которого является частота опорного генератора в данном случае кварцевого. Желаете чтобы А.Челентано пел голосом Буратино из мультфильма –измените частоту опорного генератора.
Второй случай, когда опорной частотой для AC 97 кодека является частота 14318 кГц, которая генерируется синтезатором для Intel чипсета. Если производитель материнской платы установил частоту 14318 кГц со звуком все в порядке, а с самой материнской платой не все хорошо. Если частота 1431818 кГц – с материнской платой все в порядке ,
со звуком не лады – отклонение очень мало, но есть.
Использование готовых кварцевых генераторов вместо кварцевых резонаторов с генераторами на отдельных микросхемах (что имело место на материнских платах i286 и i386) имеет следующую особенность: Готовые кварцевые генераторы бывают с буферным усилителем и без него. Если без буферного усилителя – то частота может измениться в зависимости от емкости нагрузки и паразитной емкости монтажа.
Если кварцевый генератор с буферным усилителем – то частота устанавливается производителем и зависит только от характеристик самого устройства.

Данные за 15 лет работы с компьютерами класса IBM PC , INTEL CORP. чипсеты,
Производители от brand name начиная с INTEL , IBM и кончая no name.
Количество за этот период более 100 наименований материнских плат.
Данных о частотах кварцевых резонаторов компьютеров с чипсетами VIA , SiS ,AMD не имею – поскольку не покупал и не интересовался. Только год назад , пока болел ,без меня купили 6 компьютеров под AMD процессор.

У себя дома и на работе в отношении частот все в порядке – дорабатывать приходиться.
A что поделать ежели такой бардак творится !?

Как тактировать AVR

Введение

Прежде чем разбирать, какие бывают источники тактирования, чем они отличаются, их плюсы и минусы и тд, нам нужно определиться, что вообще означает словосочетание тактовая частота. Да и вообще, что означает термин «частота»?

Как нам говорит учебник физики, частота — это количество колебаний, произведенных за определенный промежуток времени. Чаще всего этот промежуток времени называют периодом и для удобства измерений его берут равным одной секунде.

Какие можно привести примеры подобных колебаний? Это могут быть часы с кукушкой, маятник, качели

и даже круги на воде от камушка, который мы кинули в воду:

Более подробно про частоту и период можно прочитать в статье Электрические сигналы и их виды.

Так, теперь ближе к делу. Что же такое тактовая частота?

Любая операция МК или его мегакрутого брата-микропроцессора состоит из отдельных элементарных действий, то есть тактов.

Получается, тактовая частота — это сколько тактов в секунду может выполнить наш МК или процессор. Отсюда напрашивается вывод, чем больше тактовая частота, тем больше количество операций за секунду может сделать МК или микропроцессор.

В МК AVR тактовая частота в основном измеряется в МегаГерцах. Как помните, приставка «Мега» означает один миллион. Если у нашего МК тактовая частота 8 МегаГерц, то это означает, что он может выполнять 8 000 000 тактов в секунду, или, грубо говоря, около 8 000 000 различных операций в секунду ;-). Пусть вас не пугает это число, потому что ваши настольные компьютеры, телефоны и планшеты уже работают на частоте в несколько ГигаГерц. Гига — это уже миллиард! Например, если частота процессора вашего компа 2 ГГц, это означает, что он может произвести 2 миллиарда операций в секунду). Мало? Как оказалось на практике, уже стает мало)).

Вернемся к нашим баранам), а именно, к тактовой частоте. Допустим, мы имеем МК Tiny 2313, сконфигурированный на работу 8 МегаГерц и который может выполнять при этом 8 миллионов тактов в секунду. Каждая операция процессора состоит из тактов. А когда процессор выполняет нашу программу, записанную во Flash память, он тоже производит определенные операции которые указаны в программе. Граничная частота МК Tiny 2313, как говорит нам Datasheet, довольно высокая и составляет аж целых 20 МГц! Это довольно много по меркам МК

Правда, это только с применением внешнего кварцевого резонатора.

Кварцевый резонатор, называемый часто просто кварц, может выглядеть по-разному:

На схемах он обозначается так:

На кварце часто указана частота, на которой он работает. Ниже на фото мы видим кварц, который работает на частоте 8 МегаГерц (8.000MHz)

В большинстве случаев стараются указывать частоту на корпусе кварца. Если у вас есть какое-либо ненужное цифровое устройство, вы вполне можете выпаять кварц на нужную частоту прямо оттуда. Но в большинстве случаев в этом нет необходимости, так как новый кварцевый резонатор в радиомагазине стоит порядка 20-30 рублей.

Есть один нюанс, любезно предоставленный нам производителями микроконтроллера. Если нам нужно, чтобы программа выполнялась медленнее в восемь раз, мы можем этого добиться даже не переписывая программу и не выставляя задержки по новой, то есть в 8 раз длиннее. Нам достаточно уменьшить частоту МК в восемь раз и программа будет для нас выполняться медленнее в восемь раз. Забегая вперед, скажу, что сделать это мы можем очень легко, выставив всего одну галочку при программировании фьюз-битов, в бите CKDIV 8. Также легко мы можем отменить все наши изменения.

Этот способ мы использовали при прошивке МК в прошлой статье.

Существуют 4 варианта, которые применяются для тактирования МК:

— тактирование от внутреннего RC-генератора

— тактирование от внешнего кварца

— тактирование от внешнего генератора

— тактирование от RC-цепочки

Тактирование от внутреннего RC-генератора

На тактирование от внутреннего RC генератора МК настроен сразу с завода и не требует внешних деталей. Это означает, что с помощью МК, питания +5 Вольт и одного светодиода с резистором, мы уже можем заставить наш МК работать и выполнять программу без всяких сложных настроек и дополнительных деталей, задав скорость программно, путем выставления задержки «Delay». Имейте ввиду, что встроенный RC-генератор может работать только на четырех частотах: 1, 2, 4 или 8 МегаГерц, поэтому если вам требуется какая-нибудь эксклюзивная частота, типа 1 638 000 Герц, то такой способ не прокатит.

Тактирование от внешнего кварца

Тактирование от внешнего кварца чуточку сложнее. Как же нам подключить внешний кварц? Для начала нам надо найти цоколевку МК, которую мы собираемся тактировать от внешнего кварца. Пусть в нашем примере это будет Тiny 2313. Чтобы подключить внешний кварц, достаточно найти ножки микросхемы с названием «XTAL1» и «XTAL2».

Потом подсоединить кварц вот по такой схеме:

Потом при прошивке надо правильно выставить фьюзы. О них мы с вами поговорим в следующих статьях.

На реальных платах можно увидеть примерно вот такие схемы расположения элементов с тактированием от кварца. Здесь изображен МК AVR в корпусе TQFP , конденсаторы в SMD исполнении, скорее всего в корпусе 0805, и кварц.

А здесь изображен МК в корпусе DIP , два керамических конденсатора, так называемые “желтые капельки”, и кварц.

Как видно на схеме подключения кварца к МК, номинал нужных нам конденсаторов должен составлять 15-22 пикофарада. Расшифровать номинал таких конденсаторов, можно с помощью этого рисунка:

Тактирование от внешнего генератора

К тактированию от внешнего генератора прибегают тогда, когда требуется синхронизовать МК с внешними цепями, либо этот МК тактируют какой-либо своей частотой от генератора частоты. Тактирующий сигнал подают на ножку XTAL1:

Тактирование от RC-цепи

Тактирование от RC-цепочки осуществляется вот по такой схеме:

Здесь мы берем конденсатор емкостью не менее 22 пФ, а резистор от 10 Ом и до 100 КилоОм. По простой формуле можно с легкостью рассчитать частоту, на которой будет тактироваться наш МК:

R — сопротивление резистора, Ом.

С — емкость, Фарад.

Внутренний RC-генератор и внешняя RC-цепь дают нестабильную частоту, которая «гуляет» и зависит от температуры. Для того чтобы помигать светодиодом и прочих неответственных действий, нам это будет не принципиально. В наших проектах, поначалу не требующих особой точности, мы будем использовать тактирование от внутреннего RC-генератора.

Но чтобы получить очень точную частоту тактирования, которая почти не гуляет, надо использовать кварц. Тактирование от кварца важно при создании точных измерительных приборов, электронных часов, устройств сложной и точной автоматики, да и вообще любых устройств, где важна точность и не допустимы малейшие отклонения.

Итак, как мы помним из предыдущей статьи, некоторые ножки имеют двойное назначение, и помимо того, что могут использоваться как порты ввода-вывода, также используются для обеспечения расширения функций МК. Действительно, если МК сконфигурирован для работы от внутреннего RC-генератора, вам достаточно подать на него питание +5 Вольт и землю, и микроконтроллер включится и начнет выполнять программу. Но если вы выпаяли микроконтроллер из какого-либо устройства и он должен был в нем тактироваться от кварца, или по ошибке выставляя биты конфигурации, вы выставили тактирование от кварца, МК перестанет у вас быть виден в программе оболочке, и не сможет выполнять программу, даже если вы подадите на него +5 Вольт и землю.

Что же делать в таком случае? В первую очередь не паниковать) и собрать схему с тактированием от кварца, и тогда мы сделаем видимым наш МК, который вдруг может быть переставать у вас определяться оболочкой программатора и работать в схеме, если вы ошибочно переведете МК в режим тактирования от кварца, путем выставления определенных фьюзов. Об этом мы как-нибудь еще поговорим

Выбор правильного генератора для вашего микроконтроллера

Внутренний или внешний? Кварц или керамика? Кварцевый генератор или кремниевый генератор? Так много вариантов тактовой синхронизации. какой из них подойдет для вашего проекта?

Варианты генерирования тактового сигнала

Каждому микроконтроллеру нужен источник тактового сигнала. Процессор, шина памяти, периферия – тактовые сигналы находятся внутри микроконтроллера. Они определяют скорость, с которой процессор выполняет инструкции, скорость передачи сигналов по последовательной связи, количество времени, необходимое для выполнения аналого-цифрового преобразования, и многое другое.

Всё это тактирующее действие приводит к источнику тактового сигнала, а именно к генератору. Поэтому вам необходимо убедиться, что ваш генератор сможет поддерживать любую производительность, которую вы ожидаете от своего микроконтроллера. Однако, в то же время некоторые варианты генераторов более сложны или дороги, по сравнению с другими. Поэтому ваш выбор генератора должен также основываться на важности снижения затрат и сложности, когда это возможно.

Существует довольно много способов формирования тактового сигнала для микроконтроллера. Техническое описание для вашего конкретного устройства должно содержать достаточно много информации о том, какие типы генераторов вы можете использовать, и как реализовать их таким образом, чтобы это было совместимо с аппаратным обеспечением устройства. В данной статье основное внимание будет уделено преимуществам и недостаткам различных источников тактовых импульсов, чтобы вы могли осмысленнее сделать выбор среди вариантов генераторов, описанных в техническом описании на ваш микроконтроллер.

Итак, давайте начнем со списка, а затем обсудим каждый вариант:

внутренний:
- обычно (насколько я знаю, всегда) схема резистор-конденсатор;
- петля фазовой автоподстройки частоты с дальнейшим умножением частоты;
внешний:
- генератор на CMOS логике;
- кварцевый резонатор;
- керамический резонатор;
- резистор-конденсатор;
- только конденсатор.

Внутренние генераторы: принцип KIS

Я сторонник принципа KIS («Keep it simple», «не усложняй»), следовательно, я высоко ценю внутренние генераторы и призываю вас использовать внутренний генератор, когда это возможно. Внешние компоненты не требуются. Вы можете смело предположить, что частота соответствует выбранной, поскольку генератор был разработан теми же людьми, что всё остальное в микроконтроллере. Кроме того, основные технические характеристики – например, начальная точность, коэффициент заполнения (скважность), зависимость от температуры – (будем надеяться) указаны непосредственно в техническом описании.

Основным недостатком внутренних генераторов является малые точность и стабильность частоты. Частота зависит от значений пассивных компонентов, составляющих схему генератора, а допуски для значений этих пассивных компонентов не особенно жесткие. Кроме того, на емкость и сопротивление влияет температура окружающей среды, поэтому внутренние RC-генераторы подвержены температурному дрейфу, то есть изменения температуры приводят к изменениям частоты.

По моему опыту, многие приложения могут терпеть недостатки внутреннего генератора, особенно когда частота была откалибрована на заводе. В старых микроконтроллерах частота внутреннего генератора может иметь допуск до ±20%. Однако более новое устройство может дать вам точность ±1,5% (или лучше), что достаточно точно для связи по RS-232 и даже (в сочетании со схемой восстановления тактового сигнала) для USB.

Другим способом расширения возможностей внутреннего генератора является ручная «подстройка» – если у вашего микроконтроллера есть регистр подстройки/калибровки, вы можете регулировать частоту, изменяя значение в этом регистре. Это очень практичный метод для небольших проектов: просто измерьте тактовую частоту с помощью осциллографа или частотомера, а затем, соответствующим образом, подстройте генератор.

Разновидностью внутреннего генератора является использование петли фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ, PLL). ФАПЧ позволяет низкокачественному высокочастотному внутреннему генератору извлекать выгоду из стабильности и точности внешнего генератора. В целом, ФАПЧ не помогает вам избежать внешних компонентов, поскольку для нее требуется эталонный тактовый сигнал, который обычно получают с помощью кварцевого резонатора. Тем не менее, если у вас где-то на плате есть высококачественный тактовый сигнал, но вы не хотите использовать его для микроконтроллера, потому что он слишком медленный, вы можете использовать PLL, чтобы умножить этот тактовый сигнал до приемлемой частоты.

Генератор на CMOS логике

Другой простой способ синхронизации – это так называемый «генератор CMOS логике», который подпадает под категорию «из-за отсутствия лучшего термина». «Генератор CMOS логике» – расплывчатый (хотя и удобный) способ обращения к любому тактовому сигналу, создаваемому каким-либо другим компонентом на плате. Генератор CMOS логике – это отличный вариант, если в вашем проекте уже есть генератор тактового сигнала с 1) подходящей частотой и 2) электрическими характеристиками, совместимыми с входной CMOS схемой тактового сигнала микроконтроллера. Однако часто это не так, поэтому давайте рассмотрим два варианта формирования тактовых импульсов на CMOS логике.

Во-первых, это «кварцевый генератор». Сейчас самое время указать, что кварцевый резонатор – это не генератор; скорее, это центральный компонент схемы кварцевого генератора, который может выглядеть примерно так:

Кварцевый генератор

Кварцевые генераторы – это удобные устройства, которые состоят из кварцевого резонатора и дополнительной схемы, необходимой для генерирования стандартного цифрового тактового сигнала. Таким образом, вы получаете стабильность и точность кварца, не беспокоясь о нагрузочной емкости и тщательности компоновки печатной платы, необходимой для обеспечения надежной работы микроконтроллера с отдельным кварцевым резонатором.

Второй вариант – «кремниевый генератор». Этот термин относится к микросхемам генераторов, которые не основаны на кварцевых или керамических резонаторах. Эти устройства универсальны и просты в использовании, и они могут быть довольно точными. Например, для серии LTC6930 от Linear Tech требуется только один блокировочный конденсатор, а подавляющее большинство моделей таких микросхем обеспечивают точность номинальной частоты в пределах 0,05%:

Генератор тактового сигнала на микросхеме LTC6930-8.00 График распределения типового отклонения частоты

Кремниевые генераторы более надежны, чем кварцевые и керамические резонаторы, особенно в суровых условиях, подверженных ударам или вибрации. Но они дороже.

Кварцевые и керамические резонаторы

Если вам нужна действительно высокая точность и стабильность без дополнительных затрат на микросхему генератора на основе кварцевого резонатора, выбирайте вариант с одиночным кварцевым резонатором. На рынке широко доступны компоненты с допуском менее 20 миллионных долей (т.е. 0,002%). Схема генератора, показанная выше, частично интегрирована в микроконтроллеры, которые поддерживают конфигурацию с отдельным кварцем; вам нужно будет только обеспечить правильные нагрузочные конденсаторы. Общая емкость нагрузки (C_{нагр.общ.}) указывается в техническом описании на кварцевый резонатор, а нагрузочные конденсаторы выбираются следующим образом:

где C_пар. представляет любую паразитную емкость. Этот расчет на практике довольно прост: выберите разумное значение для C_пар. (скажем, 5 пФ), вычтите его из C_{нагр.общ.}, и затем умножьте результат на два. Таким образом, если техническое описание указывает нагрузочную емкость 18 пФ, мы имеем

[C_ <нагр.1>= C_ <нагр.2>= (18пФ — 5пФ) cdot 2 = 26 пФ]

Керамические резонаторы менее точны, чем кварцевые; допуски обычно составляют от 1000 до 5000 милилонных долей. Они могут сэкономить вам несколько центов, если вам не нужна точность кварца. Но, на мой взгляд, главное преимущество заключается в том, что вы можете получить керамические резонаторы со встроенными нагрузочными конденсаторами.

Последний и наименее распространенный.

Существует не так много ситуаций, когда требуется генератор на внешних резисторе-конденсаторе или только на конденсаторе. Если по какой-то причине вам не подходят варианты внешних генераторов, рассмотренные выше, выбирайте микроконтроллер с внутренним генератором и используйте его. Однако, если вы полны решимости откопать один или два пассивных компонента из своей коробки запчастей, обратитесь к техническому описанию микроконтроллера за инструкциями по подключению и проектированию схемы генератора. Ниже показаны примеры подключения компонентов, взятые из технического описания на микроконтроллеры C8051F12x – 13x от Silicon Labs:

Варианты использования внешних резисторов и конденсаторов для создания схемы тактового генератора микроконтроллера

И вы можете обратиться к странице 190 этого же технического описания для получения информации о выборе значений компонентов.

Заключение

Надеюсь, что теперь вы знаете достаточно, чтобы в следующий раз, когда вам нужно будет выбрать генератор для микроконтроллера, принять обоснованное и уверенное решение. Вот мои рекомендации в двух словах:

используйте внутренний генератор, когда это возможно;
используйте кремниевый генератор, если его точность адекватна, а стоимость приемлема – в противном случае, используйте кварцевый резонатор.

Генератор тактовых импульсов

Генератор тактовой частоты (генератор тактовых импульсов) генерирует электрические импульсы заданной частоты (обычно прямоугольной формы) для синхронизации различных процессов в цифровых устройствах — ЭВМ, электронных часах и таймерах, микропроцессорной и другой цифровой технике. Тактовые импульсы часто используются как эталонная частота — считая их количество, можно, например, измерять временные интервалы.

В микропроцессорной технике один тактовый импульс, как правило, соответствует одной атомарной операции. Обработка одной инструкции может производиться за один или несколько тактов работы микропроцессора, в зависимости от архитектуры и типа инструкции. Частота тактовых импульсов определяет скорость вычислений.

Содержание

Типы генераторов

В зависимости от сложности устройства, используют разные типы генераторов.

Классический

В несложных конструкциях, не критичных к стабильности тактового генератора, часто используется последовательное включение нескольких инверторов через RC-цепь. Частота колебаний зависит от номиналов резистора и конденсатора. Основной минус данной конструкции — низкая стабильность. Плюс — предельная простота.

Кварцевый

Кварц + микросхема генерации

Микросхема генерации представляет собой специальную микросхему, которая при подключении к её входам кварцевого резонатора будет выдавать на остальных выводах частоту, делённую или умноженную на исходную. Данное решение используется в часах, а также на старых материнских платах (где частоты шин были заранее известны, только внутренняя частота центрального процессора умножалась коэффициентом умножения).

Программируемая микросхема генерации

В современных материнских платах необходимо большое количество разных частот, помимо опорной частоты системной шины, которые, по возможности, не должны быть зависимы друг от друга. Хотя базовая частота всё же формируется кварцевым резонатором (частота — 14,3 МГц), она необходима лишь для работы самой микросхемы. Выходные же частоты корректируются самой микросхемой. Например, частота системной шины может быть всегда равна стандартным 33 МГц, AGP — 66 МГц и не зависеть от частоты FSB процессора.

Если в электронной схеме необходимо разделить частоту на 2 используют Т-триггер в режиме счётчика импульсов. Соответственно, для увеличения делителя увеличивают количество счётчиков (триггеров).

Тактовый генератор

Тактовый генератор — автогенератор, формирующий рабочие такты процессора («частоту»). В некоторых процессорах (например, Z80) выполняется встроенным.

Кроме тактовки процессора в обязанности тактового генератора входит организация циклов системной шины. Поэтому его работа часто тесно связана с циклами обновления памяти, контроллером ПДП и дешифратором сигналов состояния процессора.

См. также

Кварцевый резонатор
Кварцевый генератор
Блокинг-генератор
Генератор (электроника)
Автогенератор

Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное.
Проставив сноски, внести более точные указания на источники.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Инвентаризация
Удивительный доктор Клиттерхаус

Полезное

Смотреть что такое «Генератор тактовых импульсов» в других словарях:

генератор тактовых импульсов — генератор синхроимпульсов — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы генератор синхроимпульсов EN clock … Справочник технического переводчика

генератор тактовых импульсов — takto impulsų generatorius statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. clock pulse generator; timing pulse generator vok. Taktimpulsgenerator, m rus. генератор тактовых импульсов, m pranc. générateur d impulsions de rythme, m … Automatikos terminų žodynas

генератор тактовых импульсов — taktų impulsų generatorius statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Generatorius, kuriantis stabilaus periodo impulsus, kurie naudojami tam tikrų įtaisų ar grandinių veikai sinchronizuoti. atitikmenys: angl. cycle repeat timer; … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

генератор тактовых импульсов — taktų impulsų generatorius statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. clock pulse generator; timing pulse generator vok. Impulszeitgeber, m; Taktimpulsgeber, m rus. генератор тактовых импульсов, m pranc. générateur d’impulsions de rythme, m;… … Fizikos terminų žodynas

задающий генератор (тактовых импульсов) — Ведущий опорный генератор, формирующий тактовые или синхронизирующие импульсы, используемые для управления другими генераторами, которые называются ведомыми. [Л.М. Невдяев. Телекоммуникационные технологии. Англо русский толковый словарь… … Справочник технического переводчика

опорный генератор тактовых импульсов — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999] Тематики электротехника, основные понятия EN reference clock … Справочник технического переводчика

Генератор сигналов — Генератор сигналов это устройство, позволяющее получать сигнал определённой природы (электрический, акустический или другой), имеющий заданные характеристики (форму, энергетические или статистические характеристики и т. д.).… … Википедия

генератор синхроимпульсов, управляемый напряжением — генератор тактовых импульсов, управляемый напряжением — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы… … Справочник технического переводчика

Генератор колебаний электрический — Электронные генераторы большое множество устройств в радиотехнике и электронике (радиоэлектронике). Генератор представляет собой электронный усилитель охваченный цепью положительной обратной связи с фильтром. Содержание 1 Виды генераторов 2… … Википедия

Электронный генератор — Электронные генераторы большое множество устройств в радиотехнике и электронике (радиоэлектронике). Генератор представляет собой электронный усилитель охваченный цепью положительной обратной связи с фильтром. Содержание 1 Виды электронных… … Википедия

Тактовый генератор: устройство, принцип работы, применение

Тактовый генератор – электронная схема, производящая тактовый сигнал для синхронизации работы цифровых схем. Такой сигнал может иметь любую форму: и простую прямоугольную, и более сложную. Основными элементами генератора являются резонансная схема и усилитель.

Тактовые сигналы

В электронике, в особенности в синхронных цифровых сетях, тактовый сигнал – это сигнал, имеющий постоянную частоту, два устойчивых состояния (верхнее и нижнее), предназначенных для согласования работы цифровых схем.

Тактовые сигналы создаются тактовыми генераторами. Наиболее распространенной формой тактового сигнала является меандр (сигнал с рабочим циклом 50%). Рабочий цикл – отношение длительности к периоду импульса. Другими словами, это часть периода, в течение которой сигнал активен.

Схемы, использующие тактовые сигналы, могут становиться активными во время переднего фронта, заднего фронта, или, в случае удвоенной скорости передачи данных, переднего и заднего фронтов импульса.

Принцип формирования тактового сигнала

Источником тактовых колебаний является кварцевый кристалл, расположенный в оловянном корпусе. При подаче на кварцевую пластинку напряжения, он начинает совершать механические колебания. Под действием пьезоэлектрического эффекта на электродах кристалла наводится ЭДС. Колебания электротока следуют на генератор, который, собственно, и преобразует их в импульсы.

Генератор тактовых импульсов для компьютера

В компьютере генератор отвечает за синхронную работу всех его устройств: процессора, оперативной памяти, шин данных. Работу процессора при этом можно сравнить с работой часов. Исполнение инструкции центральным процессором осуществляется за определенное число тактов. Точно также функционируют и часы. Такты в механических часах определяются колебаниями маятника.

Производительность процессора напрямую зависит от частоты тактов. Чем больше частота тактов, тем больше инструкций процессор способен выполнить за определенный промежуток времени. Одна команда или инструкция может выполняться процессором за часть такта или за несколько сотен тактов. Общая тенденция современного развития компьютерной техники заключается в снижении количества тактов, выделяемых для выполнения одной простейшей инструкции.

Оверклокинг

Особый интерес тактовый генератор процессора представляет для оверклокеров. К оверклокерам относят специалистов в области компьютерных технологий и просто любителей, стремящихся повысить производительность своей техники. В настоящее время оверклокинг доступен даже простым пользователям. Для изменения настроек компонентов компьютера иногда достаточно просто зайти в BIOS.

Прежде всего необходимо ответить на вопрос: за счет чего будет повышаться производительность? Здесь все очень просто. Производители компьютерных комплектующих для повышения надежности своих компонентов закладывают в них технологический запас. Именно этот запас и привлекает любителей выжать максимум из своего компьютера.

Одним из способов разгона компьютера будет замена кварцевого резонатора на кристалл, имеющий более высокую частоту. Или, например, можно убрать дополнительные элементы в виде делителей частоты из схемы генератора.

В современных компьютерах генераторы, как правило, реализуются на одной интегральной схеме. Значения тактовой частоты и множителя процессора, как уже было отмечено выше, можно изменить непосредственно из BIOS.

Начинающие оверклокеры нередко задаются вопросом, как определить модель тактового генератора. Программными средствами это сделать невозможно. Остается только открывать системный блок и искать генератор визуально.

С другой стороны, программным способом определяется модель материнской платы (AIDA64, Everest и другие). Затем для данной модели ищется подробная инструкция, а в ней вполне возможно будет найти информацию о названии генератора. А как узнать для тактового генератора значение тактовой частоты, установленное по умолчанию, и значение после разгона? Эти сведения также можно почерпнуть из инструкции для материнской платы.

Основные элементы

В качестве резонансной схемы генератора часто выступает кварцевый пьезо-электрический возбудитель. В то же время могут использоваться более простые схемы параллельного резонансного контура и RC-цепь (схема состоящая из конденсатора и резистора).

Генератор может иметь дополнительные схемы для изменения основного сигнала. Так процессор 8088 использует только две трети от рабочего цикла тактового сигнала. Это требует наличия в генераторе тактовых импульсов. И встроенной логической схемы для преобразования рабочего цикла.

По мере усложнения формы выходного синхросигнала в схеме генератора тактовых импульсов могут использоваться смеситель, делитель или умножитель частоты. Смеситель частоты генерирует сигнал, частота которого равна сумме или разности двух частот входных сигналов.

Схема фазовой автоподстройки частоты

Многие устройства используют схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) для сравнения фазы сигнала с выхода генератора с фазой частоты и регулировки частоты генератора таким образом, чтобы значения фаз совпали.

На рисунке приведена схема фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Устройство сравнения фаз (компаратор) имеет 2 входа и 1 выход. В качестве входных сигналов используется сигнал от задающего генератора (сигнал на входе схемы ФАПЧ) и сигнал с выхода генератора, управляемого напряжением (ГУН). Компаратор сравнивает фазы двух сигналов и формирует сигнал ошибки, который следует на фильтр нижних частот (ФНЧ), а с него – на ГУН, управляя его частотой.

Виды тактовых генераторов

1. Генераторы общего назначения

Генераторы общего назначения, как правило, используют схемы ФАПЧ для генерирования выходных сигналов из общей входной частоты. Они для получения опорной частоты используют простые недорогие кварцевые кристаллы. Из сигнала опорной частоты они генерируют выходные тактовые сигналы с низким уровнем дрожания фронта сигнала.

2. Программируемые генераторы

Позволяют изменять коэффициент, используемый делителем или умножителем. Благодаря этому можно выбрать любую из множества выходных частот без изменения аппаратной части.

Применение генераторов синхронизирующих сигналов в сетях SONET

Это тактовый генератор, используемый сетями поставщиков услуг часто в виде встроенного источника сигналов (BITS) для центрального офиса.

Цифровые коммутационные системы и некоторые системы передачи (например, системы синхронной цифровой иерархии SONET) зависят от надежной высококачественной синхронизации. Чтобы обеспечить такое состояние, большинство поставщиков услуг применяют схемы распределения сигналов синхронизации между офисами и реализуют концепцию BITS для обеспечения синхронизации внутри офиса.

На вход генератора тактовой частоты поступают входные сигналы синхронизации, а из выхода следуют выходные сигналы синхронизации. В качестве входных опорных сигналов могут выступать сигналы синхронизации DS-1 или CC (составные сигналы), выходными сигналами также могут быть сигналы DS-1 или CC.

входной интерфейс синхронизации, принимающий входные сигналы DS-1 или CC;
схема генерирования синхросигналов, которая создает синхросигналы, используемые схемой распределения выходной схемой распределения сигналов;
выходная схема распределения сигналов синхронизации, создающая множество сигналов DS-1 и CC;
схема контроля характеристик, предназначенная для контроля параметров синхронизации входных сигналов;
интерфейс аварийной сигнализации, подсоединенный к системе управления аварийной сигнализацией центрального офиса;
служебный интерфейс, предназначенный для использования местным обслуживающим персоналом и поддерживающий связь с удаленными служебными системами.

КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ SMD

Кварцевые генераторы это источники опорной частоты и тактового сигнала во многих электронных схемах. Следовательно, они должны быть точными и стабильными. Конечно «идеальный» генератор существует только в теории, поэтому проблема состоит в том, чтобы выбрать правильный компонент, отвечающий требованиям конструкции. Радиолюбителю необходимо найти компонент, который обеспечивает баланс между производительностью, стоимостью, стабильностью, размером, мощностью, размерами и интерфейсом для связанных схем. Для этого нужно понимать как работает кварцевый генератор и его основные характеристики.

Как работают кварцевые генераторы

В КГ используется пьезоэлектрический резонатор с высокой добротностью, который является частью резонансного контура и включен в контур обратной связи. Используемый элемент и технология его изготовления определяют электрические и механические параметры.

Кристалл кварца с пьезоэлектрическим эффектом действует как стабильный и точный резонансный элемент с высокой добротностью

Много лет генераторы создавались с использованием ламп, затем транзисторов и теперь интегральных микросхем. Схема была адаптирована к так называемому углу среза кристалла кварца и его характеристикам, а также необходимым параметрам применения. В настоящее время попытки самостоятельно сконструировать кварцевые генераторы очень редки, поскольку получение хороших результатов требует времени и точного измерительного оборудования. Вместо этого просто покупаем небольшой готовый модуль SMD, который содержит как кварцевый резонатор, так и схему генератора и выходной драйвер. Это снижает затраты и время на разработку, и гарантирует получение элемента с известными параметрами.

Кстати, радиолюбители часто используют слово «кварц», хотя на самом деле говорят обо всей схеме генератора. Обычно это не проблема, поскольку предполагаемое значение можно понять из контекста. Но иногда это может привести к путанице, поскольку можно также купить кварцевый резонатор как отдельный компонент, а затем добавить к нему отдельно схему генератора.

Параметры кварцевых генераторов

Производительность кварцевого генератора определяется набором важных параметров, таких как:

Рабочая частота — может быть от десятков кГц до сотен МГц. Генераторы для высоких частот, то есть выше основного диапазона резонатора, например в диапазоне гигагерц, обычно используют контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) в качестве умножителя для увеличения основной частоты.

Стабильность частоты — определяет отклонение выходной частоты от исходного значения из-за внешних условий, поэтому чем оно меньше, тем лучше. Есть много факторов которые влияют на стабильность генерируемой частоты, и многие производители указывают их в спецификациях, например изменение температуры по сравнению с номинальной частотой при 25?C. К другим факторам относятся долговременная стабильность к старению, а также влияние процесса пайки, колебания напряжения и изменения выходной нагрузки. Для высокоточных продуктов она обычно выражается в частях на миллион (ppm) или частях на миллиард (ppb) в зависимости от номинальной выходной частоты.

Джиттер во временной области и фазовый шум в частотной области — два равных параметра, характеризующих одни и те же недостатки

Фазовый шум и джиттер — два показателя одного класса производительности. Фазовый шум характеризует колебания в частотной области, а джиттер во временной. Фазовый шум обычно определяется как отношение шума в полосе частот 1 Гц при определенном сдвиге частоты fM к амплитуде сигнала генератора на частоте fO. Фазовый шум ухудшает точность, разрешение и отношение сигнал / шум (SNR) в синтезаторах частот, в то время как джиттер вызывает ошибки синхронизации и, таким образом, способствует увеличению частоты ошибок по битам (BER) при передаче данных.

Фазовый шум рассеивает спектр генерируемой частоты и отрицательно влияет на разрешение и отношение сигнал / шум

Джиттер (под этим словом имеется ввиду дрожание фронтов) во временной области вызывает ошибки выборки в аналого-цифровых преобразователях, также влияет на отношение сигнал / шум (SNR) и результаты последующего анализа сигналов в частотной области с использованием быстрого преобразования Фурье (FFT).

К примеру семейство генераторов MultiVolt ECS обеспечивает базовую стабильность до ± 20 ppm, а версии SMV — до ± 5 ppm. Еще лучше продукты TCXO со стабильностью ± 2,5 ppm в версии с выходами HCMOS и ± 0,5 ppm для моделей с так называемыми выходами усеченной синусоиды.

Фазовый шум и джиттер всегда являются важным критерием выбора в усовершенствованном проектировании и должны учитываться при оценке ошибок. Обратите внимание, что существует множество типов джиттера, включая абсолютный, межцикловый, фазовый, долговременный и периодический. Для фазового шума также существуют различные диапазоны и типы интеграции, включая белый и другие шумы.

Понимание специфики колебаний частоты и фазового шума в генераторе и того, как они влияют на производительность, часто может быть проблемой. Также важно иметь хорошее представление о различных определениях параметров, используемых производителями для количественной оценки характеристик генератора и оценки общей погрешности.

Тип выходного сигнала и выходной драйвер — должны быть адаптированы к нагрузке. Две популярные топологии конфигурации выходов — несимметричная и дифференциальная.

Различные конфигурации выхода генератора

Генераторы с несимметричным выходом проще в использовании, но они более чувствительны к шуму и обычно подходят только до нескольких сотен мегагерц. Среди типов выходов доступны следующие драйверы:

TTL с логикой от 0,4 до 2,4 В,
CMOS от 0,5 до 4,5 В,
HCMOS (быстрая CMOS) от 0,5 до 4,5 В,
LVCMOS (низковольтная CMOS) от 0,5 до 4,5 В.

Дифференциальные выходы труднее использовать, но они обеспечивают лучшую производительность на высоких частотах, так как шум, общий для дифференциальных трактов, нейтрализуется. Типы дифференциальных выходов:

PECL от 3,3 до 4,0 В,
CML от 0,4 до 1,2 В и от 2,6 до 3,3 В,
LVPECL (низковольтный PECL) от 1,7 до 2,4 В,
LVDS от 1,0 до 1,4 В,
HCSL от 0,0 до 0,75 В

Форма выходного сигнала генератора может быть классической одночастотной синусоидальной волной или синусоидальной волной с обрезанными пиками. Чистый синус наименее подвержен дрожанию и колебаниям по сравнению с версией с ограничением компаратора, поскольку он добавляет шум и дрожание и, таким образом, ухудшает качество. А подрезанная синусоида похожа на прямоугольную волну и может быть напрямую введена в цифровую логику.

Усеченная синусоида имеет форму прямоугольной волны с небольшим дрожанием или фазовым шумом

Напряжение и ток питания: потребление энергии значительно снизилось в последние годы, напряжение питания становится ниже, что соответствует потребностям современных устройств с батарейным питанием. Большинство генераторов могут работать с напряжением питания 1,8, 2,5, 3,0 и 3,3 В.

Размер корпуса: корпуса генератора также становятся меньше. Многие производители сохраняют стандартные размеры для версии с несимметричным выходом (для которой требуется только четыре контакта), в то время как версии с дифференциальным выходом имеют шесть контактов и, следовательно, более крупные корпуса с размерами: 1612 1,6 х 1,2 мм, 2016 2,0 х 1,6 мм, 2520 2,5 х 2,0 мм, 3225 3,2 х 2,5 мм, 5032 5,0 х 3,2 мм, 7050 7,0 х 5,0 мм.

Диапазон температур. Наибольшее влияние на работу генераторов оказывает температура. Даже если потребляемая мощность мала и самонагревание практически незначительно, температура окружающей среды влияет на рабочую частоту, поскольку эти изменения влияют на механические размеры и силы механического напряжения в кристалле кварца. Важно проверить работу выбранного генератора на крайних значениях ожидаемых диапазонов.

Для некоторых конструкций учитывается не только стабильность как функция температуры, но и необходимость удовлетворения других требований к надежности. Например, ECS-2016MVQ — миниатюрный SMD-генератор с выходом HCMOS с напряжением от 1,7 до 3,6 В. Керамический корпус размера 2016 (2,0 х 1,6 мм) имеет высоту всего 0,85 мм. Он разработан для требовательных промышленных устройств и сертифицирован AEC-Q200 (автомобильная промышленность) класса 1. Он доступен с частотами от 1,5 до 54 МГц с четырьмя степенями стабильности, от ± 20 до ± 100 частей на миллион в диапазоне от -40°C до + 85°С. Его фазовый джиттер очень мал, всего 1 пс в диапазоне от 12 кГц до 5 МГц.

Чипы ECS-2016MVQ и ECS-TXO-32CSMV — кварцевый генератор с обрезанной синусоидой на выходе и встроенной температурной компенсацией

Кварцы TCXO имеют более сложную конструкцию по сравнению с базовой версией, но потребляют значительно меньше энергии, чем OCXO со встроенным нагревателем, который обычно требует нескольких ватт. Кроме того, TCXO лишь немного больше, чем некомпенсированный блок, и значительно меньше, чем OCXO.

ECS-TXO-32CSMV — это пример TCXO с синусоидальным выходом в корпусе SMD из серии MultiVolt (питание от 1,7 до 3,465 В), доступный для диапазона частот от 10 до 52 МГц. Керамический корпус размером 3,2 x 2,5 x 1,2 мм идеально подходит для портативных и беспроводных устройств, где стабильность имеет решающее значение. Спецификация говорит об очень высокой температурной стабильности, с изменениями напряжения питания, различной нагрузкой и старением, а также низким потреблением тока ниже 2 мА.

Низкое энергопотребление в КГ

Мобильная электроника и область Интернета вещей (IoT) создают большой спрос на низкочастотные кварцевые генераторы, необходимые для схем с чрезвычайно низким энергопотреблением. Для таких целей подходит микросхема ECS-327MVATX в SMD-версии (корпуса с 2016 по 7050) с фиксированной частотой 32,768 кГц. Она потребляет всего 200 мкА и имеет выход CMOS. Она идеально подходит для использования с часами реального времени (RTC) и Интернетом вещей, обеспечивая стабильность частоты в диапазоне от ± 20 ppm до ± 100 ppm в диапазоне температур от -40 до + 85 C.

Чтобы свести к минимуму энергопотребление, многие генераторы допускают отключение. Например, ECS-5032MV с выходом CMOS в керамическом корпусе 5032. Дополнительный блокирующий контакт позволяет снизить ток питания с 35 мА в активном состоянии до 10 мкА в состоянии ожидания. Время запуска 5 мс.

В общем решение о выборе правильного кварцевого генератора — это больше, чем очевидное рассмотрение частоты, питания, стабильности и фазового шума. Разработчик также должен убедиться, что драйвер КГ совместим с нагрузкой. Вот несколько общих рекомендаций:

Для выхода LVDS требуется только один согласующий резистор в приемнике сигнала, в то время как LVPECL требует его как в передатчике, так и в приемнике.
LVDS, LVPECL и HCSL обеспечивают более крутые наклоны, чем CMOS, но потребляют больше энергии и лучше всего подходят для высокочастотных проектов.
CMOS или LVDS — лучший выбор для самого низкого энергопотребления на частотах выше 150 МГц.
LVPECL, LVDS, затем CMOS обеспечивают самый небольшой джиттер на низких частотах.