Krystalový oscilátor necitlivý k parazitním kapacitám

[Lojza1]

Ahoj všichni.
Jak už jsem psal, sinus je zarušený tím, že jsem připojil sondu druhého kanálu osciloskopu na výstup TTL. Je to osciloskop deklarovaný jako do 20 MHz, proto TTL nevypadá tak ostře, jak je a jak ruší zemnění výstupů klubíčkové konstrukce. Opravdu jsem to už jednou napsal, musím se opakovat. Ta zubatost je někde na mezi šířky pásma osciloskopu. Rozhodně to není typické harmonické zkreslení na nelineárním zesilovači.
Oscilátory se stabilizací amplitudy na nějaké nelinearitě musejí mít někde uvnitř tak hrubé zkreslení, aby to tu amplitudu omezilo. Pokud se ale přesto odebírá výstup na vhodném místě, které filtruje samotný rezonátor, může to být docela dobré i bez další filtrace třeba LC filtrem, jak zmiňuje Hill. Nicméně někde uvnitř se to zkreslení, nebo přesněji jevy s ním spojené (viz moje hodnocení oscilátoru dodaného od Zmije), projeví na rozlaďování frekvence.
Pokud někomu připadá maximalistické zapojení oscilátoru složité, opakuji, že samotný oscilátor je dvojtranzistorový. Během dneška bych chtěl odladit zjednodušené schéma, tak ještě chvilku počkejte. Když ve spojení s navázaným zesilovačem (přes emitorovou vazbu tak, aby se součet dynamických odporů emitorů v rozsahu kmitů moc neměnil) rovnou získáme krásný sinus, jak jako proud prošel krystalem v jeho sériové rezonanci a ještě se přefiltroval integrací na kondenzátoru, je to jednodušší řešení, než něco méně dokonalého potom filtrovat k získání téhož. Samotný krystal je dobrým filtrem spíše pro sudé harmonické. Liché by pokud možno neměla generovat aktivní část oscilátoru.
Já proti používání cívek obecně rozhodně neprotestuji. Tady jsme v bastlírně a namotat si cívku je to pravé kutilství. Pro přesné a stabilní samonosné vzduchové cívky jsem si odladil proces, kdy jsem na podélně rozříznutou ocelovou trubičku vrtačkou navinul přes teflonovou fólii drátek, odmastil acetonem, napustil EPOXY 1200, s pomocí horkého vzduchu vytvrdil, uvolnil rozpěrku štěrbiny a dlouhatánský polotovar na výrobu cívek sejmul z trnu. Mám takto připravené trubičky z drátků různých průměrů a stabilita LC oscilátorů s nimi se zdá být velice slušná. Tedy, zatím jsem to použil na VCO 6,5 MHz a 5,5 MHz. Jsou tak stabilní, že zvuková mezifrekvence 5,5 MHz na obrazovce Merkuru dělá viditelné svislé proužky, které se bez modulace nijak nekroutí a ani dlouhodobě neuhýbají. (Opravuji - spíš Satelitu, předchůdce Merkuru, který neměl 5,5 MHz potlačenou, ale přesně si to už nepamatuji). Běžné moderní samopájitelné drátky na vinutí ale nejsou tím epoxidem moc dobře ukotvené, trubičky jsou křehké a musí se s nimi pracovat opatrně. Výhodou EPOXY 1200 je, že trubičky jsou tvrdé a tvarově stabilní, i když se cívečky pak dají tvarováním dolaďovat.
I stabilizace amplitudy varikapem je docela jednoduchá a dost dobrá v porovnání s nějakým dodatečným řízením zesílení signálu méně stabilního. Proč nechávat kmitat oscilátor až k nějakému dorazu, když to stabilizuje amplitudu nepřesně a rozlaďuje to frekvenci?
EKKAR: Jak jsem už s omluvou psal, zveřejnil jsem schéma tak, jak jsem ho odladil. Bohužel jsem nenašel krystal 10 MHz (ten drahý jsem na pokusy ani nehledal), abych ověřil řešení pro typický kmitočtový normál. Jen jsem, jak uvedeno, ověřil funkci s krystaly kolem 8 MHz a 12 MHz s odpovídajícími úpravami oscilátoru. Nedával jsem to sem jako konečný návod, ale jako inspiraci. Hotové výrobky dnes dodá zalevno Čína a tady jsme v bastlírně. Pro pokračování návrhů k projektu počítače 6K8 jsem chtěl oscilátor, který teď právě chci odladit. Ale protože to byla příležitost rovnou si i zkusit udělat maximalistickou variantu oscilátoru principem vhodnou pro vysoké nároky (a tu pak třeba zjednodušovat), začal jsem tou. Zveřejnit zjednodušenou variantu může být fajn, ale nemusí z ní být zjevné, jak odstraňovat její nedokonalosti. Ani ta maximalistická varianta ještě není úplně maximalistická, stále je zde co zdokonalovat.
Rozhodně jsem nenapsal, že jsem "chtěl použít ne zrovna obvyklej a ne úplně extra kvalitní X-tal k vytvoření "lepšího oscilátoru, kterej nebude tolik podléhat vnějším vlivům"", ale naopak jsem vysvětlil, proč zveřejňuji zapojení odladěné na něčem obyčejném. Pokud by s ním někdo dělal vlastní pokusy, asi by také nezačal s tím nejdražším krystalem. Může začít s tím, co je a dlouho bude v Hadexu zadarmo a s čím je to u mne odladěné.
Hodinkovou ladičku 32 kHz nemá smysl řešit. U ní je zdrojem nepřesnosti teplotní závislost krystalu. Není to takový optimální řez, jaké známe z normálních frekvencí. Spíše než oscilátor by už snad mělo smysl hledat parabolickou teplotní kompenzaci krystalu s vlastním nízkým příkonem. Elektronická část oscilátoru může mít problémy, pokud musí mít extrémně nízký příkon, ale i pak to není tak zlé. Mně s touto ladičkou docela uspokojivě funguje oscilátor ze dvou vysokofrekvenčních tranzistorů NPN a PNP zapojených jako bipolární obdoba invertoru CMOS, se spojenými bázemi a kolektory, k sobě kondenzátorem blokovanými emitory a s nepatrným proudovým napájením. Mimochodem zajímavější už by mohl být řez GT na 100 kHz. Ten se používal na přesnější hodiny viz MH106. Jen není tak mrňavý a superlevný. Jeden ve větší elektronkové baňce tu mám a je nádherný. Zatím nevyužitý. Ani to není až tak vysoká frekvence pro solidní elektronické obvody.

[Zmije]

Už to že to neumíš pořádně změřit a nemáš přístup ke kloudné měřící technice je celkem varování, že tu marníme čas marnou snahou o něco, co kromě autora nikdo není schopen pochopit.

Prostě to připoj ke kloudnému spektráku ideálně s option pro měření kmitočtové stability a fázového šumu, dej sem výsledky a pak uvidíme.

[Hill]

[Hill]

[Lojza1]

Hill: Jistě, souhlasím, proč ne. Ale byl jsem požádán o oscilátor na 32 kHz a k tomu jsem se také vyjádřil. Odkaz na řez GT jsem uvedl, protože má pro účely přesného času velmi vyrovnanou teplotní závislost v širokém rozsahu. Právě proto řez GT vznikl. Hodiny s ním běží přesně a nepotřebují k tomu příkon pro topení, i samotný oscilátor na tak nízké frekvenci může být úsporný. Například MH106 má bateriový režim při výpadku rozvodné sítě. I když je to stará součástka v technologii I2L a v úsporném režimu zas tak úsporná není, pokud to porovnám s příkonem oscilátoru.
GT tedy nevyžaduje termostat, jak bylo v žádosti uvedeno, a i frekvenčně je řádově blízký k požadované ladičce 32 kHz se souvisejícími nároky na oscilátor. Naopak běžné vysokofrekvenční řezy, jak známo, jsou pro vyšší nároky určeny do termostatu, což se týká i toho budíkového, pokud by to měl být budík pro prezidenta Zeměkoule. Při teplotách okolo extrému závislosti řezu běží stabilněji, než řez GT při neregulované teplotě.

Něco o řezech a jejich závislostech je například tady:
https://txccrystal.com/term.html
Křivku hodinkové ladičky tam nevidím. Pokud si vzpomínám, je podstatně horší, než paraboly běžných řezů. Ale je nízkofrekvenční, proto úsporná a navíc ve své době neobvykle miniaturní.

[Lojza1]

[Lojza1]

Ještě k budíkovému krystalu a k řezu GT. Bohužel byl krystal v řezu GT asi dost luxusní součástkou a není mi znáno, že by ho ještě někdo vyráběl. Rozhodně by se nehodil do obyčejného budíku. Tam je dost velká baterka k provozu běžného krystalu na vyšší frekvenci, což se týká i děliček, a teplotní závislost běžného krystalu je mnohem lepší, než u hodinkové ladičky ("vidličky"). I když není excelentní, pro budík je vynikající. Ty parametry, které uvádí Hill, by mohly být pro úzký rozsah teplot. Nevím, jak je to v těch budících udělané, ale myslím si, že tam není ani teplotní kompenzace pro okolí pokojové teploty, která by se tam pro vyšší nároky hodila. Koukněte se schválně na ty křivky v odkazu výše a hlavně na měřítko svislé osy. Ono to s provozem krystalů v širokém rozsahu teplot není zas tak růžové.

[Lojza1]

EKKAR: Ještě k požadavku na přesný oscilátor s ladičkou 32 kHz. Můžeš si ji přímo připojit k některému vhodnému mikrořadiči třeba z rodiny MSP430G. Běžně mají vývody konfigurovatelné i na takový oscilátor, běžně mají A/D převodník, snímač teploty a vstup i k měření napájecího napětí. Oscilátor sice poběží mizerně, ale můžeš si změřit jeho závislosti a naprogramovat si korekci počtu načítaných period podle aktuální teploty i napájecího napětí. Při taktovací frekvenci mikrořadiče nastavené na cca 1 MHz, což je takový jejich minimální základ, jsou opravdu nenáročné na stabilitu napájení i na příkon. Navíc měření času může běžet přes přerušení a pokud mikrořadič nebude dělat nic jiného, bude skoro stále ve standby, poběží jen oscilátor s připojeným čítačem a tomu bude odpovídat spotřeba. Totální standby proud mívají uváděný 100 nA, s běžícím hodinkovým oscilátorem samozřejmě trochu víc. Čím chytřeji to naprogramuješ, tím větší king budeš. Dokonce by sis mohl změřit i stárnutí krystalu a i to naprogramovat do korekcí. Pro záznam běžícího věku použít FLASHku, ta je tam také.

[Artaban001]

U114D nedává impulsy, jen jednou za vteřinu "překlopí" můstek napájející cívku motorku, proto se motorek odděluje kondenzátorem. Velikost jeho kapacity spolu z vnitřním odporem vinutí definuje impuls (nabíjecí a vybíjecí proud kondenzátoru). Aspoň u mě se takhle šváby U114D a U116D chovaly.

[EKKAR]

[EKKAR]

[barnodaj]

Časová základna s U114 třeba takto:

[Lojza1]

EKKAR: No proč asi. Že ano. Ale byla tu řeč o přesných budících, které termostat nemají. Prostě je užitečné se na ty křivky kouknout. I k porozumění, proč jsem psal o řezu GT, když jsem byl požádá o extra přesný oscilátor s ladičkou bez termostatu. A protože je GT velký, drahý a asi nedostupný, navrhnul jsem moderní řešení s mikrořadičem a s ladičkou. Dobře napsaný program by třeba mohl zvládnout krátkodobě přesnější autokalibraci, než jak by běžel oscilátor s GT. Řez GT v těch křivkách je a je jasně vidět, jak na rozdíl od jiných řezů tento s termostatem nepočítá. Je to řez vyvinutý speciálně pro takový provoz. Nepočítá s ním ani ladička, protože je to prostě jen prťavá hodinková ladička. Tím bych téma budíků, hodinek a ladiček pro toto vlákno uzavřel, protože o nich není. Není ani o řezu GT, protože je celkem nízkofrekvenční. Dovolil bych si ocenit připomínku užitečného obvodu, který se dá i použít jako časová základna. A podotknout, že to není oscilátor necitlivý k parazitním kapacitám, což je téma vlákna. Bohužel mám jen hrubou představu, že oscilátor v něm je prostě invertor v technologii CMOS. Co byste od něj chtěli?

[Hill]

[Hill]

[Lojza1]

Zveřejňuji slíbený zjednodušený oscilátor. Podotýkám, že samotný oscilátor jsou dva tranzistory vlevo. Ostatní jsou zesilovač, stabilizátor amplitudy se špičkovým detektorem, převodník sinusoidy na TTL a proudový zdroj pro řízení pracovního bodu oscilátoru se zesilovačem.
Začal jsem klubíčkovou konstrukcí oscilátoru 4,433 MHz s krystalem z Hadexu. Protože se při takové realizaci projevil emitorový sledovač s KF255 na výstupu zesilovače jako aktivní na VHF, nahradil jsem ho nízkofrekvenčním BC547. Mezi emitory jsem napřed zkusil rezistor k1. Předpětí na varikapu KB113 bylo dost malé. Více se mi to líbí s k22. S kvalitnějším krystalem by se odpor mohl dále zvýšit. Na výsledný ESR a související předpětí na varikapu má nějaký vliv i dolaďovací kondenzátor u krystalu. Pro zajímavost jsem se podíval i na rozběh oscilátoru po zapnutí a obkreslil jsem průběh do schématu. Převodník na TTL jsem už neosazoval, protože je otestovaný na předchozí realizaci.
Ověřil jsem i verzi s tuzemským hradeckým krystalem 16 MHz nejspíš také z Hadexu. Zapojení je shodné, proto jsem jen do schématu dopsal zeleným fixem hodnoty pro tuto frekvenci. V oscilátoru tomu odpovídá zmenšení kapacit snímacího kondenzátoru a varikapu. Upravil jsem hodnoty některých součástek i kvůli menšímu zesílení tranzistorů a nutnosti zrychlit přechodové děje. Jako emitorový sledovač jsem už opravdu použil KF255 a celkově kvůli lepším vlastnostem konstrukce jsem použil jako solidnější základnu kousek FR4. Začal jsem s varikapem KB109, ale podle dostupnosti lze použít i jiný, katalogově méně řiditelný typ. Ověřil jsem KB213. Sinusový výstup bych u této frekvence pro zamýšlené použití nepotřeboval. Jinak by se k němu hodil třeba další emitorový sledovač kvůli kapacitě zátěže včetně vedení.
Jsme v sekci teorie. Nechtějte po mně, abych na požádání odladil finální návod na oscilátor na zadané frekvenci. Předkládám princip řešení. Nevím, jestli je originální. Funguje tak, jak bych si dobře fungující oscilátor představoval. I zjednodušené řešení má předpoklady být výborné, i když maximalistické řešení odstiňuje nežádoucí vliv proudu kapacitou Ccb KF254/5 ze strany varikapu. Jen pro šťouraly podotýkám, že tak, jak jsou zveřejněna, tato řešení neodstraňují nežádoucí složku proudu kapacitou Ccb KF254/5 do snímacího kondenzátoru, jejíž význam záleží na velikosti jeho kapacity.

[Lojza1]

Když už jsem do vlákna vložil jednu spojovací děličku k uvedeným oscilátorům, dovolím si přidat ještě dvě další.
Jedna dělička synchronizuje reálný čas s ladičkou 32768 kHz podle přesnějšího oscilátoru (zde 4,433 MHz přeneseně přes 16 MHz) s krystalem v řezu AT, pokud je zařízení napájeno ze sítě. Za povšimnutí stojí využití univerzálního hradla CMOS 4048, jehož katalogové použití nevypadá tak zajímavě, jako to představené zde. Zatím je to jen na papíře. Ale ten divný oscilátor s ladičkou a komplementární dvojicí vf tranzistorů + převodník pro vstup CMOS úspěšně používám, vyznačuje se to hlavně nízkou spotřebou a je to vhodné i k napájení ze zálohovacího superkapacitoru. Dělička reálného času není sama nastavitelná a počítá se s referenčním nastavením v zálohované CMOS SRAM. Čítač má počínaje sekundovým taktem délku slova 32 bitů, což pokryje čas od posledního automatického přenastavení ve SRAM na dobu dalších 136 let. Sekundu dělí šestnáctibitovým slovem, pokud se využijí všechny dostupné výstupy.
Druhá dělička poskytuje taktování pro UART, např. MHB1012, s využitím dostupných signálů (vesměs z generátoru videa) odvozených rovněž od oscilátoru 16 MHz. Multiplexor MH74151 obsáhne celý běžný rozsah přenosových rychlostí. Odchylka od přesné frekvence je 0,16 %, což je na konci devítibitové sekvence 1,4 %, tedy 23 % cyklu jemného taktování na vstupu CLK obvodu UART. Taková odchylka je bezvýznamná a nemá tedy smysl osazovat oscilátor s děličkami speciálně pro UART. Výstup děličky je symetrický, i když by reálný UART MHB1012 jistě zvládl i nějakou odchylku střídy. Dělička je také zatím jen na papíře.
Obě děličky, stejně jako úvodní dělička v její druhé verzi, řeší možné dynamické hazardy. Pokud najdete nějakou chybu, budu vděčen za upozornění.