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Choisir, utiliser et concevoir des oscillateurs

La plupart des appareils électroniques ont aujourd'hui des oscillateurs en eux. Les circuits numériques ont besoin d'une horloge. Les signaux de radiofréquence nécessitent un oscillateur ou une horloge. Certains circuits analogiques ont également besoin d'une horloge ou d'une source de signal oscillant. Si vous utilisez un microcontrôleur, il peut alors avoir une horloge intégrée, bien qu'elle ne soit pas assez précise, selon votre application, vous devrez peut-être utiliser un cristal externe ou un module d'horloge au lieu de pouvoir utiliser l'horloge interne.


Oscillateurs numériques


Le circuit d'un oscillateur numérique est en réalité un oscillateur analogique qui se clipse, selon la façon dont vous le regardez. Certains oscillateurs produisent en fait une sortie «sinusoïdale coupée», il est donc difficile de décider dans quelle catégorie les placer-numérique ou analogique. Les oscillateurs numériques peuvent devenir plus compliqués que de simplement générer un seul signal d'horloge et peuvent générer plusieurs signaux avec un déphasage défini ou contenir un synthétiseur de fréquence pour générer une ou plusieurs fréquences alternatives à partir d'une entrée à fréquence fixe horloge. Regardez certaines des puces du générateur d'horloge d'IDT par exemple.

Un oscillateur «numérique» commun est l'oscillateur Pierce inventé par George W. Pierce en 1923.Il est utilisé depuis longtemps pour la génération d'horloge à microprocesseur et lorsque vous avez un microcontrôleur qui nécessite un cristal et deux condensateurs externes pour générer sa propre horloge, il y a de fortes chances que vous fabriquiez un oscillateur Pierce en utilisant l'onduleur interne et la résistance (Bien que vous deviez parfois ajouter la résistance vous-même aussi).

Choisir un module oscillateur ou un générateur d'horloge signifie que vous devez comprendre les choix disponibles et que vous devez spécifier vos besoins.


Définition de sortie


La sortie peut être carrée ou une onde sinusoïdale coupée (rarement un vrai sinusement pour un système numérique). Vous devez savoir quels niveaux de tension vous avez besoin, par exemple les niveaux de 5V TTL ou CMOS, 3.3V ou des niveaux CMOS inférieurs. Certains oscillateurs ont des sorties de signalisation différentielle basse tension (LVDS). La symétrie est souvent importante, de sorte que les phases haut et bas sont égales (disons 45%:55% pire des cas.


Précision et stabilité


Vous devez savoir quelle précision et quelle stabilité vous avez besoin. Avec un résonateur en céramique, vous pouvez obtenir une tolérance initiale d'environ 0.2%, bien que souvent pire que cela. Bien que 0.2% ne sonne pas trop mal, il est de 2000ppm (parties par million). Les oscillateurs à base de cristal de quartz seront 10 fois meilleurs que cela, généralement plus. De même, un oscillateur à quartz aura une meilleure stabilité qu'un résonateur à base de résonateur céramique. La stabilité peut être définie comme la température, la charge ou la stabilité d'approvisionnement, ce qui peut affecter la fréquence.

ATCXOEst un oscillateur à cristal compensé par la température ou un oscillateur à cristal contrôlé par la température (le mot cristal est souvent abrégé en Xtal donc X est utilisé comme une abréviation de «cristal»). Ceux-ci peuvent avoir une tolérance et une stabilité considérablement supérieures à 1ppm. Ces précisions sont importantes pour les systèmes RF (radiofréquence) où les fréquences doivent être très précises.

AVCXOEst un oscillateur à cristal à tension contrôlée et permet généralement à la fréquence d'être «tirée» par une petite quantité tout en ayant une grande stabilité. La plage d'ajustement de fréquence est généralement limitée à peut-être 200ppm.

UnOCXOEst «contrôlé par le four». Ceux-ci ont l'oscillateur dans un four ou un four double où les circuits et le cristal sont chauffés à une température constante. Une fois réchauffés, ils sont très précis et stables. Cependant, ils prennent une bonne quantité d'énergie en raison du chauffage requis.


Oscillateurs analogiques


Pour un oscillateur analogique, vous êtes plus susceptible de rechercher une onde sinusoïdale. Il existe diverses conceptions d'oscillateurs analogiques «standard» qui existent depuis avant l'existence des transistors. Hartley, Colpitts et Clapp par exemple. Ceux-ci ont été utilisés comme oscillateurs à ondes sinusoïdales en utilisant des inducteurs et des condensateurs comme composant déterminant la fréquence et également avec des cristaux de quartz. Ils peuvent également être utilisés comme oscillateurs à fréquence variable lorsqu'ils sont utilisés avec des inducteurs/condensateurs. D'autres oscillateurs tels que le pont de Wien utilisent des résistances et des condensateurs pour déterminer la fréquence, mais sont généralement limités à des fréquences inférieures à celles des oscillateurs à inducteur/condensateur ou à cristal.

A titre d'exemple, il s'agit d'un oscillateur Clapp 10MHz dont la sortie provient de la source du transistor Q1.

Une chose à garder à l'esprit avec tous les oscillateurs est qu'ils prennent du temps pour démarrer. Avec des oscillateurs à Q élevé tels que les oscillateurs à cristal, cela peut être assez important car le temps de démarrage (mesuré en nombre de cycles d'horloge) est proportionnel au Q du circuit. Cela peut entraîner un retard significatif avant que quoi que ce soit ne semble se produire et peut également faire en sorte que la fréquence soit incorrecte au départ. Par exemple, thEst est le démarrage d'un oscillateur LC 50MHz qui prend environ 800 cycles d'horloge pour démarrer: Bien qu'il semble que rien ne se passe au départ, si vous zoomez sur la section initiale, vous verrez que quelque chose se passe réellement. Il faut beaucoup de cycles pour que la phase s'ajuste pour que les conditions d'oscillation soient remplies, en fonction du Q du circuit résonant. Ensuite, ils peuvent sembler prendre vie.


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