Особенности кварцевой стабилизации частоты цифровых генераторов

При разработке кварцевого генератора следует обращать внимание, что кварцевый генератор на основе мультивибратора работает несколько по другим принципам по сравнению с осцилляторной схемой. Если в осцилляторной схеме кварцевый резонатор используется в качестве индуктивности, входящей в колебательный контур резонатора, то в схеме мультивибратора кварцевый резонатор используется в качестве узкополосного фильтра в цепи обратной связи. Это приводит к тому, что один и тот же резонатор, включённый в схему мультивибратора и осцилляторную схему, будет генерировать различные частоты!

Для того, чтобы разобраться с этим явлением, вспомним эквивалентную схему кварцевого резонатора и характеристику зависимости сопротивления кварцевого резонатора от частоты. Эквивалентная схема кварцевого резонатора приведена на рисунке 4.9 а, а характеристика зависимости сопротивления от частоты - на рисунке 4.9 б.

Рисунок 4.9. а - эквивалентная схема кварцевого резонатора;
б - зависимость сопротивления кварцевого резонатора от частоты.

В схеме мультивибратора используется последовательный резонанс кварцевого резонатора (собственные колебания кристалла), а в осцилляторной схеме генерация производится на частоте, близкой к параллельному резонансу контура, образуемого индуктивностью резонатора и ёмкостью кварцедержателя. Эти частоты близки, но не могут совпадать по определению. В результате частоты генерируемых колебаний будут отличаться между собой. Обычно разность частот последовательного и параллельного резонансов составляет около 1 килогерца. Настолько же будут отличаться и частоты кварцевых генераторов, построенных по схеме мультивибратора и схеме ёмкостной трёхточки.

Так как генератор, собранный по схеме мультивибратора возбуждается на собственной частоте кварцевого кристалла, то стабильность кварцевого мультивибратора будет выше по сравнению с осцилляторной схемой, так как на частоту последовательного резонанса кварцевого резонатора не влияют внешние паразитные ёмкости. Однако в этой схеме возможно самовозбуждение генератора на частоте, далеко отстоящей от резонансной частоты кварцевого резонатора. Это обуславливается ёмкостью кварцедержателя, поэтому в схеме мультивибратора необходимо предусматривать специальные меры для борьбы с этим явлением.

При построении схем генераторов следует отметить, что они являются мощными источниками помех, поэтому эти генераторы обычно экранируют. Цепи питания микросхем, на которых реализуются генераторы обязательно содержат фильтрующие высокочастотные конденсаторы. Часто для лучшей фильтрации по цепи питания кроме конденсаторов используются фильтрующие дроссели.

Для уменьшения помех используются и конструктивные меры. Например, рядом с цепью генерируемого сигнала прокладывают корпусные проводники. Таким образом фактически образуется полосковая (или волноводная) линия передачи.