Статьи

Однократно программируемые кварцевые генераторы Epson

Михаил Петров
Журнал "Компоненты и технологии" N1, 2002 г.
www.compitech.ru

Появление в 1997 программируемых кварцевых генераторов фирмы Epson обозначило наступление новой эпохи в технологии производства кварцевых генераторов. Вместо выпуска огромного ассортимента изделий с различными рабочими частотами, напряжениями питания и диапазонами рабочих температур появилась возможность использовать всего несколько стандартных функционально законченных генераторов, а многочисленные их вариации по основным электрическим параметрам обеспечивать уже программным путем на этапе поставки продукции или даже непосредственно у заказчика.

К сожалению, многолетний опыт поставок программируемых кварцевых генераторов показал, что широкому их распространению в значительной степени препятствует практически полное отсутствие информации по этим изделиям. До сих пор большинство разработчиков электронной техники с большим удивлением воспринимают даже само словосочетание "программируемые кварцевые генераторы" и совершенно не представляют себе как возможности, так и недостатки этих изделий.

Итак, что же представляют собой программируемые кварцевые генераторы? И как вообще могут совмещаться два этих на первый взгляд несовместимых понятия - "кварцевый генератор" и "программируемый"?

Ответ на эти вопросы достаточно прост. Достаточно только на время отвлечься от слова "генератор". На самом деле эти изделия представляют собой синтезатор частоты с кварцевой стабилизацией. И название "генератор" было присвоено изделиям для того, чтобы подчеркнуть их место на рынке электронных компонентов. В большинстве случаев стандартный кварцевый генератор с фиксированной частотой может быть свободно заменен программируемым аналогом. Поэтому в дальнейшем мы будем придерживаться терминологии, предложенной фирмой Epson для изделий этого семейства.

Принцип работы

Блок схема программируемого кварцевого генератора семейства SG-8002 представлена на рисунке.

В состав микросхемы входит кварцевый генератор опорной частоты 25 МГц, делитель частоты с коэффициентом деления 1/Q, фазовый детектор, ГУН, делитель частоты с коэффициентом деления 1/P, однократно программируемое ЭППЗУ и управляемые выходные каскады.

Фазовый детектор, ГУН и делитель 1/P образуют цепь фазовой автоподстройки частоты. На фазовый детектор поступает поделенный по частоте в Q раз сигнал с опорного кварцевого генератора и поделенный в P раз сигнал с ГУН. Фазовый детектор производит сравнение фаз этих двух сигналов и управляет ГУН таким образом, чтобы сохранялась постоянная разность фаз сигналов этих источников.

Таким образом, выходная частота ГУН будет составлять F_VCO=F_REFxP/Q, а ее стабильность определяться только стабильностью частоты опорного кварцевого генератора. При этом в зависимости от соотношения коэффициентов деления P и Q выходная частота может быть как выше, так и ниже частоты опорного генератора.

Значение опорной частоты совместно с коэффициентами деления делителей частоты определяет сетку допустимых выходных частот генератора. При соответствующей разрядности счетчиков шаг этой сетки может быть сделан достаточно малым. Кроме того для обеспечения генерации выходной частоты с максимально возможной точностью осуществляется дополнительная подстройка опорного генератора путем подключения к нему одного или нескольких конденсаторов, входящих в состав микросхемы.

Перед окончательным поступлением на выход генератора сигнал с ГУН проходит через делитель частоты на 2 для обеспечения симметрии выходного сигнала и через программируемые цепи сдвига уровня, обеспечивающие работу генератора с ТТЛ или КМОП нагрузкой.

Программирование

Все генераторы серии SG-8002 имеют только четыре вывода, которые используются также и для программирования генераторов. Программирование осуществляется по разработанной фирмой Epson технологии при помощи специального программатора и под управлением программы, установленной на IBM PC совместимом компьютере.

После введения исходных данных о необходимой частоте генерации, ее стабильности, диапазоне рабочих температур и конфигурации выходного каскада осуществляется проверка введенных данных на совместимость с возможностями заданного типа кварцевого генератора. В случае успешной проверки выдается приглашение к записи. После установки генератора в панельку программатора можно начинать программирование. Весь цикл записи осуществляется автоматически и состоит из нескольких этапов.

На первом этапе на вывод 1 (вход управления выходным каскадом) подается отрицательное напряжение, переводящее микросхему в режим программирования.

На следующем этапе осуществляется контроль выходной частоты. Для незапрограммированного генератора выходная частота должна равняться частоте колебаний опорного генератора. При значительном отклонении выходной частоты от штатного значения дальнейшее программирование прекращается и выдается сообщение об ошибке. Если измеренное значение частоты не выходит за допустимые границы, то исходя из результата измерения и необходимого значения частоты генерации, программа принимает решение о необходимости коррекции опорного генератора для достижения максимальной точности. Подгонка частоты кварцевого опорного генератора становится возможной благодаря наличию встроенного набора конденсаторов. В ходе программирования осуществляется подключение или отключение необходимых конденсаторов.

На следующем этапе программируются коэффициенты деления двух делителей частоты и цепи сдвига уровня в выходном каскаде. Затем вывод микросхемы OUT, который до сих пор служил входным, программируется, как только выходной. Таким образом блокируется любая возможность случайного перепрограммирования генератора в ходе его дальнейшей эксплуатации.

После окончания программирования проверяются и выводятся на экран основные параметры генератора: выходная частота, измеренная при комнатной температуре, потребляемый ток в рабочем режиме и режиме покоя, уровни выходного напряжения. Если микросхема по этим параметрам отвечает требованиям заказчика, то на этом ее программирование заканчивается.

Конструктивное исполнение

Генераторы семейства SG-8002 выпускаются в пяти различных вариантах исполнения - три варианта для поверхностного монтажа (SG-8002JA/JC/JF)и два варианта для монтажа в отверстия печатной платы (SG-8002DB/DC). Типы корпусов и расположение выводов полностью соответствуют стандартным широко распространенным сериям генераторов серий SG-51, SG-531, SG-615, SG-636 и SG-710. Все генераторы выпускаются по единой технологии и практически не различаются по своим электрическим параметрам. Этим достигается максимальная степень взаимозаменяемости генераторов в существующей и вновь разрабатываемой аппаратуре.

Электрические параметры

В таблице приведены основные электрические параметры генераторов семейства SG-8002.

Эти параметры практически не зависят от варианта конструктивного исполнения и различаются только параметрами программирования. Возможны 6 вариантов программирования выходного каскада:

• PT/ST для работы в 5-вольтовых цепях с ТТЛ нагрузкой,
• PH/SH для 5-вольтовых цепей с КМОП нагрузкой
• PC/SC для 3.0...3.3-вольтовых КМОП цепей.

Кроме того, в вариантах PT, PH и PC вывод 1 микросхемы OE (Output Enable) программируется для управления выходным каскадом микросхемы, а в вариантах ST, SH и SC вывод 1 ST (STtandby) используется для перевода микросхемы в режим покоя.

Разница этих двух режимов состоит в том, что в режиме OE при подаче на вход 1 низкого логического уровня выход микросхемы переводится в высокоимпедансное состояние, в то время как оставшиеся цепи микросхемы продолжают полностью функционировать.

В режиме ST при подаче на вход 1 низкого логического уровня работа микросхемы полностью прекращается, и выход соединяется с общим проводом через высокоомный резистор. В таком режиме покоя ток, потребляемый микросхемой от источника питания, уменьшается приблизительно на 3 порядка и не превышает 50 мкА. Платой за это является продолжительный выход микросхемы на рабочий режим после подачи на вывод ST высокого логического уровня. Это время составит около 10 мс и будет ровно таким же, как и при подаче напряжения питания на микросхему.

Если Вы не планируете использовать какой-либо из вариантов отключения генератора то вывод 1 можно соединить с положительным выводом источника питания или оставить неприсоединенным. В состав микросхемы уже входит резистор номиналом порядка 30 кОм, подключенный между выводами 1 (OE/ST) и 4 (V_DD). При этом при подаче на вход 1 низкого уровня номинал этого резистора увеличивается приблизительно в 10 раз для уменьшения протекающего на входе тока.

Все возможные конфигурации программирования выходного каскада приведены в таблице.

Несколько слов о программировании рабочей частоты генератора. Поскольку технология производства генераторов семейства SG-8002 является закрытой технологией фирмы Epson, то информация о разрядности делителей частоты, диапазон перестройки опорного кварцевого генератора и подробный алгоритм программирования никогда не публиковались в открытых источниках. Поэтому практически невозможно заранее вычислить сетку допустимых частот программирования. Более того, в рамках одного и того же типа генератора происходит периодическая их модернизация, направленная на повышение допустимой точности.

В результате сетка допустимых частот программирования имеет шаг от 2 Гц до приблизительно 100 Гц. Поэтому если Вас устраивает допустимая стабильность частоты ±100 х 10^-6 в диапазоне рабочих температур -20...+70°C, то в пределах этой точности можно запрограммировать практически любую рабочую частоту.

Если Вам необходима стабильность ±50 х 10^-6или работа генератора в диапазоне рабочих температур -40...+85°С, то предварительно желательно выяснить возможность программирования Вашей конкретной частоты. Для этого Вы можете прислать нам заявку по адресу info@spezial.ru или самостоятельно проверить эту возможность на сайте фирмы Epson.

Основные преимущества и недостатки программируемых кварцевых генераторов

Основное преимущество программируемых кварцевых генераторов семейства SG-8002 состоит в том, что они могут быть запрограммированы на конечном этапе поставки или же при большом объеме потребления - непосредственно самим заказчиком. Поэтому вместо широкого ассортимента выпускаемой продукции и независимо от требований заказчика, фирма-производитель обеспечивает производство всего пяти "чистых" незапрограммированных генераторов в различных вариантах корпусов. Генераторы могут быть в достаточном количестве накоплены на складах поставщиков или самого заказчика и программироваться под конкретные требования по мере необходимости. Это значительно сокращает сроки поставки необходимых вариантов генераторов и позволяет быстро решить проблемы, связанные с изменением параметров генераторов в ходе работы над проектом. Кроме того не представляет проблем и использование рабочей частоты, не попадающей в сетку стандартных частот генераторов других производителей.

Одновременно сам принцип работы программируемого генератора налагает ряд ограничений на возможные области его применения. Генератор с внутренними цепями фазовой автоподстройки частоты необходимо с предельной осторожностью применять в схемах, содержащих внешние цепи ФАПЧ. Повышенный уровень фазовых шумов генератора может привести к нарушению работоспособности цепей ФАПЧ. Такие же проблемы могут возникнуть при использовании программируемого генератора в качестве опорного в схемах спектроанализаторов.

Но несмотря на это в подавляющем большинстве применений программируемые кварцевые генераторы могут без проблем использоваться вместо стандартных генераторов с фиксированной частотой.

Прецизионные программируемые кварцевые генераторы

Дальнейшим развитием семейства SG-8002 стало появление на рынке программируемых генераторов повышенной стабильности. Это семейство, получившее обозначение HG-8002, выпущено на основе технологических и схемотехнических решений, использовавшихся ранее при разработке семейства SG-8002 и поэтому обладает теми же электрическими параметрами. Единственное отличие генераторов состоит в том, что они выпускаются в данный момент только в двух типах корпусов (DC и JA) и могут быть запрограммированы с тремя градациями по стабильности частоты AV: ±20 x 10^-6, -20...+70°C; BV: ±25 x 10^-6, -20...+70°C; CX: ± 30 x 10^-6, -40...+85°C. Долговременная стабильность частоты для всех генераторов семейства HG-8002 не превышает ±2 x 10^-6/год.

Полный ассортимент генераторов семейства HG-8002 представлен в таблице.

Дальнейшие перспективы развития программируемых кварцевых генераторов

В настоящей момент на этапе окончания разработки и начала опытных поставок находится программируемый кварцевый генератор семейства MG-5100SA, в состав которого входит кварцевый опорный генератор, три цепи фазовой автоподстройки частоты, несколько делителей частоты с фиксированными коэффициентами деления и набор управляемых коммутаторов. Это обеспечивает возможность одновременной генерации до 6 различных выходных частот в диапазоне частот 76.9 кГц...100 МГц.