Програмируеми кристални осцилатори Epson

Появата през 1997 г. на програмируеми кристални осцилатори на Epson бележи началото на нова ера в технологията на кристалните осцилатори. Вместо да се произвежда огромен асортимент от продукти с различни работни честоти, захранващи напрежения и диапазони на работната температура, стана възможно да се използват само няколко стандартни функционално завършени генератора и техните многобройни вариации в основните електрически параметри могат да бъдат предоставени от софтуера на етапа на доставка на продукт или дори директно при клиента.

Дългогодишният опит в доставката на програмируеми кристални осцилатори показа, че широкото им разпространение до голяма степен е затруднено от почти пълната липса на информация за тези продукти. Досега повечето разработчици на електронно оборудване са изненадани да възприемат дори самата фраза „програмируеми кристални осцилатори“ и изобщо не си представят както възможностите, така и недостатъците на тези продукти.

Фигура: 1. Блок-схема на програмируем кристален осцилатор

Какво представляват програмируемите кристални осцилатори? И как изобщо могат да се комбинират тези две на пръв поглед несъвместими понятия - „кристален осцилатор“ и „програмируем“?

Достатъчно е просто да отклоните вниманието от думата „генератор“ за известно време. Всъщност тези продукти са честотен синтезатор с кварцова стабилизация. Името „генератор“ е дадено на продуктите, за да се подчертае тяхното място на пазара на електронни компоненти. В повечето случаи стандартен кристален осцилатор с фиксирана честота може свободно да бъде заменен с програмируем аналог. Следователно в бъдеще ще се придържаме към терминологията, предложена от Epson за продукти от това семейство.

Блоковата схема на програмируемия кристален генератор SG-8002 е показана на фиг. един.

Микросхемата включва 25 MHz кристален генератор, 1/Q делител, фазов детектор, VCO, 1/P делител, еднократно програмируем EEPROM и контролирани изходни етапи. Фазовият детектор, VCO и 1/P делител образуват фазова верига. Фазовият детектор приема Q пъти разделен сигнал от еталонния кристален генератор и P пъти разделен сигнал от VCO. Фазовият детектор сравнява фазите на двата сигнала и контролира VCO, за да поддържа постоянна фазова разлика между двата сигнала.

По този начин изходната честота на VCO ще бъде fVCO = fREF * P/Q и неговата стабилност се определя само от стабилността на честотата на еталонния кристален осцилатор. В този случай, в зависимост от съотношението на коефициентите на разделяне P и Q, изходната честота може да бъде или по-висока, или по-ниска от честотата на референтния генератор. Стойността на референтната честота, заедно с коефициентите на разделяне P и Q, определят мрежата от допустими изходни честоти на генератора. Със съответния битов капацитет на броячите, стъпката на тази мрежа може да се направи достатъчно малка. Освен това, за да се осигури генерирането на изходната честота с възможно най-висока точност, се извършва допълнителна настройка на референтния генератор чрез свързване към него на един или повече кондензатори, съставляващи микросхемата.

Преди най-накрая да пристигне на изхода на генератора, сигналът от VCO преминава през честотен делител на 2, за да осигури симетрията на изходния сигнал, както и чрез програмируеми нивелирни вериги, които осигуряват работата на генератора с TTL или CMOS натоварване.

Всички микросхеми от серията SG-8002 имат само четири щифта, които също се използват за програмиране на генераторите. Програмирането се извършва съгласно технологията, разработена от Epson с помощта на специален програмист и под контрола на програма, инсталирана на IBM-съвместим компютър.

След въвеждане на първоначалните данни за необходимата честота на генериране, нейната стабилност, работен температурен диапазон и конфигурация на изходния етап, въведените данни се проверяват за съвместимост с възможностите на даден тип кристален генератор. Ако проверката е успешна, ще бъдете подканени да запишете. След като инсталирате генератора в гнездото на програмиста, можете да започнете програмиране. Целият цикъл на запис се извършва автоматично и се състои от няколко етапа.

На първия етап към пин 1 (управляващ вход на изходния етап) се подава отрицателно напрежение, което прехвърля микросхемата в режим на програмиране.

Следващата стъпка е да се контролира изходната честота. За непрограмиран осцилатор изходната честота трябва да бъде равна на честотата на трептене на референтния осцилатор. Ако изходната честота се отклонява значително от стандартната стойност, по-нататъшното програмиране се прекратява и се издава съобщение за грешка. Ако измерената стойност на честотата не надвишава допустимите граници, на базата на резултата от измерването и необходимата стойност на честотата на генериране, програмата взема решение относно необходимостта от коригиране на референтната честота за постигане на максимална точност. Честотното съвпадение на кристалния референтен осцилатор е възможно благодарение на вградената кондензаторна банка. По време на програмирането необходимите кондензатори са свързани или изключени.

Таблица 1. Основни електрически параметри на генератори от семейство SG-8002

Освен това се програмират коефициентите на разделяне на двата честотни делителя и веригата за изместване на нивото в изходния етап. Тогава щифтът на OUT чипа, който досега е служил като вход, се програмира само като изход. По този начин се блокира всяка възможност за случайно препрограмиране на генератора по време на по-нататъшната му работа.

След края на програмирането се проверяват и показват на екрана основните параметри на генератора: изходната честота, измерена при стайна температура, консумираният ток в режим на работа и почивка, нива на изходното напрежение. Ако микросхемата отговаря на изискванията на клиента в тези параметри, тогава нейното програмиране завършва там.

Генераторите от семейство SG-8002 се предлагат в пет версии - три за повърхностен монтаж (SG-8002JA/JC/JF) и два за монтаж през отвори (SG-8002DB/DC). Видовете пакети и пиновете са напълно съвместими със стандартните, широко разпространени серии генератори SG-51, SG-531, SG-615, SG-636 и SG-710. Всички те са произведени по една и съща технология и практически не се различават по своите електрически параметри. По този начин се постига максимална степен на взаимозаменяемост на генераторите в съществуващо и новоразработено оборудване.

Таблица 2. Конфигурации за програмиране на изходния етап

Таблица 1 показва основните електрически параметри на семейството генератори SG-8002. Тези генератори се различават само по програмните параметри. Има 6 опции за програмиране за изходния етап: PT/ST за 5V TTL, PH/SH за 5V CMOS и PC/SC за 3.0-3.3V CMOS вериги.

В допълнение, във версии PT, PH и PC, щифт 1 на OE (Output Enable) микросхема е програмиран да контролира изходния етап на микросхемата, а във версии ST, SH и SC, изход 1 ST (ST в режим на готовност) се използва за поставете микросхемата в режим на почивка. Разликата между тези два режима е, че в OE режим, когато ниско логическо ниво се прилага към вход 1, изходът на микросхемата се прехвърля в състояние на висок импеданс, докато останалите вериги на микросхемата продължават да функционират напълно. В режим ST, когато към вход 1 се приложи ниско логическо ниво, работата на микросхемата е напълно спряна и изходът е свързан към общия проводник чрез високоустойчив резистор. В този режим на покой токът, консумиран от микросхемата от захранването, намалява с приблизително три порядъка и не надвишава 50 μA. Плащането за това е непрекъснатият изход на микросхемата към работния режим, след като високото логическо ниво е приложено към ST щифта. Това време ще бъде около 10 ms и ще бъде точно същото, както когато захранващото напрежение е приложено към микросхемата. Ако не планирате да използвате някоя от опциите за изключване на алтернатора, щифт 1 може да бъде свързан към положителното захранване или да остане несвързан. Микросхемата вече включва 30 kΩ резистор, свързан между щифтове 1 (OE/ST) и 4 (VDD). В същото време, когато към вход 1 се прилага ниско ниво, стойността на този резистор се увеличава приблизително 10 пъти, за да се намали токът, протичащ на входа.

Всички възможни конфигурации за програмиране на изходния етап са показани в таблица 2.

Няколко думи за програмиране на работната честота на генератора. Тъй като технологията за производство на генератори от семейство SG-8002 е затворена технология на компанията Epson, информация за битовата ширина на честотните делители, обхвата на настройка на еталонния кристален осцилатор и подробен алгоритъм за програмиране никога не са публикувани в отворени източници. Следователно е практически невъзможно да се изчисли предварително мрежата от допустими програмни честоти. Освен това, в рамките на един и същи тип генератор, те периодично се модернизират, с цел повишаване на допустимата точност.

Таблица 3. Опции за програмиране за генератори от семейството HG-8002DC/JA

В резултат на това мрежата от допустими програмни честоти има стъпка от 2 Hz до 100 Hz. Следователно, ако сте доволни от допустимата честотна стабилност ± 100´10-6 в диапазона на работната температура от –20. +70 ° C, почти всяка работна честота може да бъде програмирана в рамките на тези граници на точност.

Ако се нуждаете от стабилност ± 50´10-6 или работа на генератор в диапазона на работната температура от –40. +85 ° С, тогава е препоръчително първо да разберете възможността за програмиране на вашата конкретна честота. За да направите това, можете да ни изпратите заявление или независимо да проверите тази функция на уебсайта на Epson (www.epson.co.jp/device/ crystal/sg8000).

Основните предимства и недостатъци на програмируемите кристални осцилатори

Основното предимство на програмируемите кристални осцилатори от семейството SG-8002 е, че те могат да бъдат програмирани на последния етап на доставка или, в случай на голям обем на консумация, директно от клиента. Следователно, вместо широка гама от продукти и независимо от изискванията на клиента, производителят осигурява производството само на пет „чисти“ непрограмирани генератора в различни варианти на корпуса. Генераторите могат да се натрупват в достатъчни количества в складовете на доставчиците или на самия клиент и да се програмират за специфични изисквания при необходимост. Това значително намалява времето за доставка на необходимите опции на генератора и ви позволява бързо да решавате проблеми, свързани с промяна на параметрите на генератора по време на работата по проекта. Освен това не е проблем да се използва работна честота, която не попада в мрежата на стандартните честоти на генератори от други производители.

В същото време самият принцип на работа на програмируем генератор налага редица ограничения върху възможните области на неговото приложение. Осцилатор с вътрешни фазово заключени контури трябва да се използва изключително внимателно във вериги, съдържащи външни PLL. Повишеното ниво на фазов шум в генератора може да доведе до неизправност на PLL веригите. Същите проблеми могат да възникнат при използване на програмируем генератор като еталон в схемите на анализатора на спектъра.

Въпреки това, в по-голямата част от приложенията, програмируеми кристални осцилатори могат да се използват вместо стандартни осцилатори с фиксирана честота без проблеми.

Прецизни програмируеми кристални осцилатори

На пазара на програмируеми генератори се появи ново семейство HG-8002, което беше пуснато въз основа на технологични решения и схеми, използвани преди това при разработването на семейството SG-8002, и следователно има същите електрически параметри. Единствената разлика между генераторите е, че понастоящем те се произвеждат само в два типа случаи (DC и JA) и могат да бъдат програмирани с три градации на AV стабилност на честотата: ± 20´10-6, –20. +70 ° С; BV: ± 25´ 10-6, –20. +70 ° С; CX: ± 30´10-6, –40. +85 ° C. Дългосрочната стабилност на честотата за всички генератори от семейството HG-8002 не надвишава ± 2´10-6/година. Пълната гама от генератори от семейството HG-8002 е представена в таблица 3.

По-нататъшни перспективи за развитие на програмируеми кристални осцилатори