Генератор частот — принцип работы, сбор и тест кварцевого генератора

Ни один радиоприбор не обходится без достаточно неприметного на вид, но в то же время важного и незаменимого устройства. Этой важнейшей деталью является генератор частот. Именно благодаря наличию этого прибора радиоаппаратура «оживает» и становится регулируемой.

Генератор частот является устройством, которое выполняет преобразование одного вида энергии в иной. В данном случае устройством преобразуется энергия от источников энергии в периодическое колебание различных форм. Проще говоря, генератор частот является электротехническим прибором, посредством которого могут выдаваться периодические сигналы различной формы.

Описание

Рассмотрим описание и технические характеристики подобного рода приборов на примере обычного китайского генератора частот.

Китайский генератор частот
Китайский генератор частот

На задней панели имеется 4 гнезда: OUT, Ext.IN, TTL и USB.

Задняя часть генератора частот
Задняя часть генератора частот

Предлагаем поподробнее остановиться на каждом из имеющихся гнёзд и разобраться, каким целям служит каждое из них:

  • USB – не что иное, как разъём для подачи питания на сам генератор частот. Питающий провод одним концом подключается к этому разъёму, а другим — к блоку питания, идущему в комплекте к прибору.
  • OUT – разъём для подключения кабеля генератора частоты. Зажимами, имеющимися на другом конце этого кабеля, устройство подключается к щупам, например, осциллографа.
  • TTL – не что иное, как выход, через который осуществляется тактирование импульсов непосредственно на ту или иную логическую микросхему. TTL в переводе на русский означает «транзисторно-транзисторная логика». Если говорить более понятно, то через данный разъём задаётся рабочая частота для различного типа микросхем, необходимая для их работы и выполнения их функций. Данный разъём выдаёт сигнал исключительно прямоугольной формы с частотой 1 килогерц и амплитудой в более чем 3 вольта.
  • Ext.IN – весьма и весьма интересный разъём. Если помыслить логично, то IN в его обозначении означает «вход». Рассматриваемый нами китайский генератор частот имеет встроенный счётчик сигнальных периодов и измеритель частот. Как раз для выполнения этих функций и предназначается Ext.IN-разъём.

К примеру, нам интересна частота электрического тока в обыкновенной и знакомой всем бытовой розетке. Всем известно, что частота протекающего в розетке переменного тока — 50 герц. На самом ли деле это так? Проверим. Напряжение, подаваемое на Ext.IN-вход, обязано находиться в пределах 0,5–20 вольт. Розетка же выдаёт все 220 вольт. Для того чтобы убавить напряжение и привести его к нужному нам пределу в 0,5–20 вольт, применим трансформатор. После подсоединения трансформатора на выходе мы получили напряжение 2 вольта. Для наглядности того, что вторичная обмотка трансформатора находится под напряжением, установим туда светодиод. Подсоединяем с помощью «крокодильчиков» наш генератор частоты к выводам вторичной обмотки трансформатора и производим интересующий нас замер. Что же мы видим! Так и есть — 50 герц.

Замер вторичной обмотки трансформатора
Замер вторичной обмотки трансформатора

Кроме этого, есть возможность провести подсчёт периодов или импульсов какого-либо периодического сигнала за определённый период времени. Это имеет примерно такой вид:

Подсчёт периодов или импульсов периодического сигнала
Подсчёт периодов или импульсов периодического сигнала

Характеристики генератора частот

Предлагаем ознакомиться с характеристиками рассматриваемого нами китайского генератора частоты.

Функции счётчика

  • Диапазон счётчика: 0-4294967295.
  • Диапазон частот: 1 Гц ~ 60 МГц.
  • Диапазон входного напряжения: 0.5Vp-p ~ 20Vp-p.
  • Хранение и передача: 10 наборов параметров с функциями хранения и возврата.

Функции выходного сигнала

  • Формы волны: синусоида, прямоугольная волна и треугольная волна.
  • Амплитуда: ≥10Vp-p (выходной сигнал, без нагрузки).
  • Сопротивление: 50 Ом ± 10 % (выходной сигнал).
  • Смещение постоянного тока: ± 2,5 В (без нагрузки).
  • Дисплей: LCD160.
  • Диапазон частот: 0,01 Гц ~ 2 МГц.
  • Разрешение: 0,01 Гц.
  • Стабильность частоты: ± 1 × 10-6.
  • Точность частоты: ± 5 × 10-6.
  • Синусоидальное искажение: 0,8 % (опорная частота 1 кГц).
  • Линейность треугольной волны: ≥98 % (0,01 Гц ~ 10 кГц).
  • Время нарастания и спада прямоугольной волны: ≤100 нс.
  • Диапазон прямоугольной волны: 1 % ~ 99 %.

Функции выхода TTL

  • Диапазон частот: 0,01 Гц ~ 2 МГц.
  • Амплитуда: 3Vp-p.
  • Выход вентилятора: >20 нагрузок TTL.

После рассмотрения функционала и характеристик данного генератора частот возникает вопрос: насколько же хорош этот прибор от китайского производителя? Для начинающих электронщиков, думается, этого функционала с такими характеристиками будет более чем достаточно. Тем более, что и по стоимости такое устройство является достаточно доступным.

Однако для тех, кому 2 мегагерц прямоугольного, треугольного и синусоидального сигналов покажется недостаточно, есть два варианта: приобрести аппарат подороже, а значит, с более «навороченными» характеристиками и расширенным функционалом; собрать генератор частот самостоятельно.

Второй вариант выглядит предпочтительнее по нескольким причинам: во-первых, это крайне познавательно и увлекательно — собрать что-то полезное собственными руками (приобрести прибор хотя бы на том же AliExpress может любой и каждый, здесь много сил и ума не требуется); во-вторых, собирая такой аппарат самостоятельно, можно сконструировать именно то, что необходимо конкретно для решения наших текущих задач. Итак, собираем генератор частот самостоятельно.

Собираем кварцевый генератор

Кварцевый генератор является устройством, генерирующим частоты и включающим в свой состав кварцевый резонатор. Подобные устройства существуют двух видов:

  • Выдающие синусоидальные сигналы.
  • Выдающие прямоугольные сигналы.

Последний вид применяется в электронике чаще всего.

Схема Пирса

Для возбуждения кварца на резонансной частоте необходимо собрать определённую схему. Простейшей схемой, приводящей к возбуждению кварца, считается классического типа генератор Пирса, представляющий из себя небольшую обвязку из 4 радиоэлементов и единственного полевого транзистора.

Принцип работы данной схемы таков: она обладает положительной обратной связью, и в её контуре со временем возникают автоколебания. При подаче малейшего импульса на такую схему кварцевый генератор разгоняется самостоятельно и останавливается, лишь достигнув частоты параллельного резонанса. Итак, приступим к сборке.

Изначально необходимо выбрать подходящую катушку индуктивности. Мы, к примеру, возьмём тороидальный сердечник. В качестве обмотки в нашем случае выступят несколько витков МГТФ-провода.

Тороидальный сердечник с МГТФ обмоткой
Тороидальный сердечник с МГТФ обмоткой

Весь ход действий контролируем LC-метром, максимально приближаясь к номиналу в 2,5 мГн. При недостаче добавляем витки, при избытке — убавляем. Результатом наших усилий стало значение 2,44 мГн.

Подходящего транзистора у нас под рукой не оказалось, и в ближайшем магазине радиоэлектроники на наш запрос тоже руками развели да головой помахали. На выручку пришли китайцы со своим AliExpress. Там мы обзавелись вот таким транзистором полевым с N-каналом. Кому интересно узнать распиновку этого малютки, она такая: Сток-Исток-Затвор (слева-направо).

Полевой транзистор с N-каналом
Полевой транзистор с N-каналом

Далее остаётся только лишь правильно собрать схему.

Кратко отступим от темы. Как заметно на последней фотографии, мы попытались максимально уменьшить связи меж радиодеталями. Причина такого решения заключается в том, что абсолютно у всех радиоэлементов имеются собственные паразитные параметры. В итоге выходит так: чем длиннее провода, которыми соединяются радиодетали, а также выводы из самих этих радиоэлементов, тем сильнее это будет сказываться на работоспособности схемы и далеко не в лучшую сторону, вплоть до полного отказа схемы функционировать. Собственно схема на печатных платах, в состав которой включён кварцевый резонатор, трассируется не абы как. Здесь существует целый ряд собственных тонких нюансов. Из-за малейших паразитных параметров на выходе подобного генератора может испоганиться весь сигнал.

Кварцевый генератор собран и запитан, теперь необходимо снять сигнал на выходе самостоятельно собранного нами кварцевого генератора. Это с лёгкостью делается с помощью цифрового осциллографа OWON SDS6062.

Осциллограф OWON SDS6062
Осциллограф OWON SDS6062

Перво-наперво мы взяли кварц на наибольшей имеющейся у нас частоте: 32768 мегагерц. Не следует путать наш кварц с часовым (последний мы рассмотрим немногим далее). И тут же паразитные параметры дали о себе знать, и идеальной синусоиды на осциллографе увидеть не удалось. Вывод: схема плохо собрана и смонтирована.

В нижнем левом углу следующего фото видно, что осциллограф показал частоту 32,77 мегагерца. Это демонстрирует, что схема полностью рабочая и кварцевый резонатор «дышит».

Кварцевый резонатор 32,77 мегагерц
Кварцевый резонатор 32,77 мегагерц

Теперь предлагаем взять кварц, частота которого 27 мегагерц:

Кварцевый резонатор 27 мегагерц
Кварцевый резонатор 27 мегагерц

Затем на 16 мегагерц:

Кварцевый резонатор 16 мегагерц
Кварцевый резонатор 16 мегагерц

На 6 мегагерц:

Кварцевый резонатор 6 мегагерц
Кварцевый резонатор 6 мегагерц

И 4 мегагерца:

Кварцевый резонатор 4 мегагерц
Кварцевый резонатор 4 мегагерц

Ну и для полноты картины возьмём советский 1-мегагерцевый кварц, имеющий маркировку 1000 килогерц, что соответствует значению в 1 мегагерц.

Кварцевый резонатор 1 мегагерц
Кварцевый резонатор 1 мегагерц

Осциллограмма показала полную работоспособность собранной схемы и советского кварцевого резонатора в том числе. При замерах частоты советского кварца-старичка достигалась погрешность в 400 герц. Это вполне допустимая погрешность для такой устаревшей радиодетали.

Часовой кварц

Что касается часового кварца, то схема Пирса работать с таковым наотрез отказалась. Часовым называется кварц, частота которого составляет 215, что равно значению в 32768 герц. Для его работы требуется 15-разрядная микросхема-счётчик. Таковой является микросхема K176ИЕ5.

микросхема K176ИЕ5
Микросхема K176ИЕ5

Принцип её действия таков: после подсчёта 32768 импульсов на одну её ножку она подаёт импульс. Такой импульс выдаётся ровно раз в одну секунду. Как известно ещё со школьной программы, одно колебание в секунду и является одним герцем. И как же не использовать такую особенность кварца для часов. Отсюда и берёт своё название часовой кварц.

Итак, мы в рамках текущей публикации выяснили, что же такое генератор частот, рассмотрели принцип функционирования этого устройства на примере китайского прибора, а также самостоятельно собрали и протестировали простейший генератор частот на основе схемы Пирса. Надеемся, что приведённые здесь данные помогут начинающим радиоэлектронщикам войти в курс дела и лучше понять основы такого увлекательного занятия, как радиоэлектроника.

comments powered by HyperComments
Adblock
detector