Генераторы тактовых импульсов: теория синхронизации (часть 2) [перевод]
Техническая часть предлагает доступный разбор, с помощью которого конечный пользователь цифровых аудиосистем, который, как мы полагаем, не имеет глубоких технических знаний, может начать более эффективно оценивать подобные системы. Некоторые более глубокие технические концепции рассмотрены здесь в доступной форме, а также даны рекомендации для прослушивания.
Техническая перспектива: введение в ФАПЧ (система фазовой автоподстройки частоты)
Cубъективный подход может пригодиться техническим специалистам, дав толчок их исследованиям. И точно так же даже поверхностное знакомство с техническими аспектами работы пользовательского оборудования способно помочь нам в уточнении субъективных оценок. При вдумчивом подходе эстетические и технические аспекты могут идти рука об руку и достигать более глубокого понимания предмета.
Со временем пользователи все больше вникают в суть понятия ФАПЧ (система фазовой автоподстройки частоты). ФАПЧ управляет потоком цифровых данных в преобразователе и, следовательно, отслеживает и сводит к минимуму несогласованность по времени при доставке данных, которую мы называем джиттером. Принято считать, что системы с меньшим уровнем джиттера звучат лучше, поэтому более подробное знакомство с тем, как ФАПЧ управляет джиттером, является ключом к тому, чтобы более тонко оценивать качество цифровых аудиосистем.
Когда вы посылаете цифровой аудиосигнал в конвертер (или в цифровой интерфейс), то конвертер необходимо синхронизировать с дискретизацией этого сигнала. В большинстве преобразователей для этого применяется система ФАПЧ, которая пытается сонастроиться с входящим (опорным) тактовым сигналом. Для этого в ФАПЧ используется так называемый компаратор, который отслеживает фазовое соотношение между собственным и входящим тактовыми сигналами.
Если в этом соотношении имеются какие-либо изменения, система ФАПЧ настраивается так, чтобы оставаться настолько синхронизированной (с опорным сигналом), насколько это возможно. Этот процесс называется «установлением фазовой синхронизации» (или фазовой автоподстройкой частоты). При этом ФАПЧ отсылает свой тактовый сигнал в обратном направлении для сравнения с входящим сигналом — поэтому этот процесс также называют петлей ФАПЧ (по англ. PLL — phase lock loop).
Как и в случае с любым электронным устройством, существует множество способов применения ФАПЧ, но то, что отличает одну конструкцию ФАПЧ от другой, выходит за рамки данной статьи. Для наших целей мы будем придерживаться базовых основ, которые конечные пользователи смогут использовать при работе со своими цифровыми системами.
Если тактовый сигнал входящих данных имеет высокий уровень джиттера (фазового дрожания), то это создает определенные проблемы. Правильно сконструированная ФАПЧ-система будет синхронизироваться с входящим тактовым сигналом и в то же время максимально игнорировать его джиттер. Если вам когда-нибудь приходилось видеть, как заклинатель змей находит такое место, в котором кобра еще не атакует, но и не уползает — у вас есть некоторое представление о том, как правильная система ФАПЧ делает свое дело.
Следующей подходящей аналогией может служить круиз-контроль автомобиля, который необходимо постоянно настраивать, обеспечивая плавность хода. Если круиз-контроль слишком чувствительный, автомобиль будет постоянно ускоряться и замедляться, если же он недостаточно чувствителен — машина будет терять требуемую скорость.
ФАПЧ внутри цифрового аудиоконвертера (ЦАПа) работает аналогично тому, как заклинатель змей справляется с коброй, находя золотую середину, в которой змея становится полностью неподвижной
ФАПЧ, слишком быстро реагирующая на входящий джиттер, не в состоянии его игнорировать и, поэтому, в сущности, будет воссоздавать его. Такую систему часто называют «быстрой» или «быстро отслеживающей» ФАПЧ. Скептики могут подметить, что ЦАПы с такой быстрой системой ФАПЧ слишком «чувствительны к входному джиттеру». Это и вправду не очень хорошо, однако правильно сконструированную быструю ФАПЧ можно рассматривать как прозрачную, поскольку такая система представляет собой относительно точную копию входного сигнала.
Правильно сконструированная медленная система ФАПЧ будет точно синхронизироваться с временной разверткой входного сигнала, но не будет воссоздавать его джиттер. Также можно сказать, что медленные ФАПЧ-системы тоже являются прозрачными, так как они представляют исходные данные без джиттера устройства-источника. По сути, ЦАПы могут иметь один из двух различных типов прозрачности: а) прозрачность, которая показывает джиттер устройства-источника; б) прозрачность, игнорирующая этот джиттер источника. Какая из них лучше, зависит от того, что именно мы хотим услышать.
Мы приводим здесь сравнительно упрощенный взгляд на то, как работают быстрые и медленные системы ФАПЧ, но для наших целей этого вполне достаточно. Мы считаем, что производителям конвертеров (ЦАПов) стоило бы рассказать нам о степени прозрачности, которой они стремятся достичь в своих устройствах
Поскольку обычно нам нужно минимизировать джиттер, в большинстве случаев мы будем довольствоваться медленной ФАПЧ, игнорирующей входной джиттер, но в отдельных случаях для мониторинга цифро-аналогового преобразования вполне может пригодиться и быстрая ФАПЧ, которая воспроизводит джиттер источника сигнала. Если бы у нас была такая возможность, то все мы наверняка предпочли бы ЦАПы с регулируемой ФАПЧ, что позволило бы нам по необходимости делать выбор между обоими типами прозрачности. Также не лишним видится наличие документации, описывающей тип ФАПЧ в каждом конкретном устройстве.
Еще одно важное понятие, которое следует учесть, — это фазовый шум. Грубо говоря, если джиттер — это несогласованность во времени, то фазовый шум — это несоответствие по частоте, являющееся следствием джиттера. В контексте нашего разговора, джиттер и фазовый шум — это в значительной степени взаимозаменяемые понятия, однако мы все попытаемся разграничивать эти явления в зависимости от контекста.
Понимание взаимосвязи между временной и частотной областями необходимо для более глубокого понимания работы ЦАПов. Для наших целей полезно иметь хотя бы поверхностное представление о том, как джиттер в тактовом генераторе (эффект во временной области) превращается в фазовый шум (частотная область). Это позволит нам представить, как генераторы тактовых импульсов влияют на аудиосигналы
Как правило, практически все, что разработчик ФАПЧ может сделать для уменьшения джиттера/фазового шума, положительно скажется на аудиосистеме в целом. Поэтому разработка ФАПЧ всегда остается главной задачей для конструкторов, когда дело касается минимизации джиттера. Более полное понимание природы ФАПЧ в наших цифровых аудиосистемах поможет нам тоньше воспринимать их звучание, а также учесть все эти важные моменты при совершении покупки.
Долговременная и кратковременная стабильность тактового генератора
Как и в случае с ФАПЧ, даже поверхностное представление о тактовых генераторах поможет нам стать более информированными пользователями и потребителями в данном вопросе.
Технические специалисты делают акцент на долговременной и кратковременной стабильности генератора тактовых импульсов, что напрямую зависит от того, в какой именно сфере этот генератор будет использоваться. Долговременная стабильность выражается в том, насколько сильным будет уход/изменение (drift) частоты генератора по истечении длительных периодов времени — зачастую они измеряются промежутком в 1 000 лет.
Кратковременная стабильность показывает, как будет изменяться частота тактовых импульсов за экстремально малые доли секунды. Наибольшую важность для аудио представляет кратковременная стабильность, так как мы хотим, чтобы наши единицы и нули передавались как можно более равномерно (стабильно) во времени, в то время как изменение точности сигнала по истечении 1 000 лет не имеет для нас никакого значения.
На деле, кварцевые генераторы имеют очень хорошую кратковременную стабильность, но сравнительно низкую долговременную стабильность, поэтому именно их большинство разработчиков использует для аудио. Эти генераторы довольно сложны, но в итоге они обеспечивают прямоугольную волну с такой же частотой дискретизации, с которой работают ФАПЧ и прочие устройства в преобразователе.
Однако, к примеру, в телекоммуникационной отрасли важны обе стабильности, поэтому появилась разновидность клоков, в которых используются рубидиевые генераторы, чтобы обеспечить кристаллам хорошую долгосрочную стабильность. Сейчас аудиомир захватила идея «атомных генераторов тактовых импульсов» (atomic clock), и, несмотря на тот факт, что долговременная точность не имеет значения для аудио, атомные клоки наделали немало шума как на аудиофильском, так и на профессиональном аудиорынке.
Так называемые атомные клоки генерируют высокочастотную синусоидальную волну в 10 МГц, которая далее может использоваться совместимыми с ними тактовыми генераторами, предназначенными для аудио. В большинстве конфигураций 10-МГц генераторы представляют собой автономные устройства, которые отправляют свой сигнал либо в устройство Word Clock, совместимое с 10 МГц (на рынке Pro-аудио их всего несколько), либо на внутренний клок ЦАПа.
На данный момент только Antelope производит профессиональные преобразователи, совместимые с 10 МГц. Новый Antelope 10MX вмещает в себя оба устройства: генератор (10 МГц) и Word Clock, которые находятся в едином блоке высотой 1RU (для монтажа в рэковую стойку). Такое решение впервые используется на рынке профессионального аудио.
Принцип работы рубидиевого генератора довольно сложен, но его основы помогают нам понять, как и почему два отдельно взятых тактовых генератора с частотой в 10 МГц могут функционировать так по-разному. Внутри тактового генератора имеется кварцевый генератор (в некоторых применяются кристаллы с частотой 10 МГц, в других — кратные 10 МГц).
Внутри тщательно контролируемой нагретой камеры находится немного рубидия, который будет выдавать исключительно стабильный высокочастотный сигнал, обеспечивающий долговременную стабильность кристалла. Поэтому кварцевый генератор может генерировать очень точную синусоидальную волну с частотой в 10 МГц.
Рубидиевые генераторы — это сложнейшие устройства, поэтому разработка такого клока представляет собой тонкую задачу. Для контроля всех процессов внутри генератора на 10 МГц используется множество ФАПЧ и прочих сложных устройств — вообразите себе группу заклинателей змей, удерживающих на месте многоголовую змею, и вы получите смутное представление о том, что на самом деле происходит внутри рубидиевого генератора на 10 МГц. Остальная часть конструкции связана с питанием и портированием данного клока для получения на выходе чистой синусоидальной волны с частотой в 10 МГц.
Единственное, что мы определенно точно можем сказать о тактовых генераторах на 10 МГц: они представляют собой гораздо более сложные устройства, чем стандартные клоки на основе кристалла. Одна из причин такой сложности связана с достижением долговременной стабильности, которая, насколько нам известно, не улучшает качество звучания.
В конечном итоге мы придем к выводу, что частота в 10 МГц для аудио была маркетинговой уловкой. Однако для обоснования этого вывода важно пройти тщательный процесс не слепого прослушивания, а также понять некоторую логику в том, как технология с применением клоков на 10 МГц оказалась серьезно воспринята аудиосообществом.
Как прослушивать клоки
Как бы мы ни приветствовали необходимость объективного измерения с использованием соответствующих измерительных инструментов и, в меньшей степени, двойного слепого тестирования, обычный не слепой способ прослушивания остается методом, с помощью которого подавляющее большинство людей будет оценивать аудиоаппаратуру, включая клоки и ЦАПы.
Оценка не слепого прослушивания всегда строится на отдельных наблюдениях, однако мы могли бы помочь пользователю лучше понять, как мыслить и передавать свои собственные субъективные впечатления, а также обеспечить взаимопонимание между сторонниками субъективного и объективного подхода. Таким образом мы бы продвинулись вперед в этом затяжном разговоре о цифровом аудио.
При рассмотрении чего-либо столь же утонченного (но широко распространенного), как синхронизация, акцентирование внимания на параметрах звучания, подверженных влиянию тактовых генераторов, поможет слушателям с любым уровнем знаний и опыта развить свой слух, а также предоставит нам полезный словарный запас терминов, который поможет описать то, что мы слышим. Мы полагаем, что эстетическое чувство может быть развито лучше при надлежащем руководстве и что фокусировка нашего внимания на специфических аспектах сенсорных раздражителей в конечном счете поможет нам стать экспертами.
Ниже приведен список характеристик звучания, которые могут быть услышаны при смене генераторов тактовых импульсов в цифровой системе. В целом, мы уверены, что улучшения любого из этих параметров, вероятнее всего, указывают на уменьшение уровня джиттера.
Clarity («ясность», «чистота», «четкость»). Многие системы считаются «открытыми», так как демонстрируют больше звуковых деталей в высокочастотной области, для которой характерно более высокое разрешение. Определенные звуки — к примеру, звучание ride-тарелок или сибилянты в вокальных партиях — могут быть более детальными и интересными, и ВЧ-динамики в таком случае как бы раскрывают больше информации. Но весь частотный спектр при этом также будет демонстрировать разные уровни ясности.
Changes to Soundstage Shape («изменение сцены»). Некоторые тактовые генераторы будут усиливать центральный звуковой образ, в то время как другие будут стремиться расширить стереобазу, делая акцент на левом и правом дальних краях сцены. Это можно сравнить со звуковой сценой, имеющей «вогнутую» или «выпуклую» форму.
Front-to-Back Depth («глубина сцены»). Глубина звукового образа может изменяться при смене клоков. Как правило, более качественный тактовый генератор будет демонстрировать большую глубину. Зачастую, наряду с увеличением глубины, на записи повышается детальность отраженного звука.
Three-Dimensionality («трехмерность»). Трехмерность, тесно связанная с формой звуковой сцены и ее глубиной, также может рассматриваться как отношение фантомного музыкального образа в центре к остальной части звуковой сцены. Некоторые люди называют это «голографическим» звучанием или даже «голосоникой», потому что звук становится (обратите внимание на визуальный язык) как бы трехмерным.
Localization & Individuation («локализация и индивидуализация»). Способность различать и определять местонахождение отдельных звуков в звуковом образе часто может улучшаться при уменьшении джиттера. При этом панорамное расположение (позиционирование) музыкальных образов может казаться более точным, а местонахождение (разделение) отдельных инструментов в пространстве — более определенным.
Low-End Focus («фокусировка нижних частот/баса»). Внешний тактовый генератор может влиять на плотность и фокусировку самых нижних частот, равно как и на звуковую подачу таких низкочастотных инструментов, как бас-гитара.
Low-End Extension («протяженность низких частот»). Хороший тактовый генератор иногда заставляет цифровую систему расширять свои низкочастотные характеристики (вопиющий пример этого будет рассмотрен ниже).
General Ease of Listening («общая легкость прослушивания»). Для многих слушателей уменьшение уровня джиттера может вызвать ощущение расслабленности при прослушивании, особенно в течение длительного времени. Некоторые заметят, что их тело больше расслабляется при прослушивании одной системы по сравнению с другой.
Richness («насыщенность/яркость»). В высшей степени субъективное качество. Многие опытные слушатели отметят, что звучание становится более «богатым» при минимизации джиттера. Мы полагаем, что слушатели сами придадут этому термину собственное значение и будут использовать его так, как им угодно. Мы также склонны думать, что данный термин может означать суммарный результат многих (если не всех) улучшений вышеперечисленных характеристик.
Мы перешли на описательные формулировки, которые обычно можно услышать от аудиофилов или которые ассоциируются с ними. Мы считаем, что рекорд-мейкеры и далее будут пользоваться этим описательным языком и даже копаться в аудиофильских словарях в поисках лингвистических новшеств.
Развитие языка, который мы используем для описания более тонких аспектов того, что мы слышим, будет только способствовать обмену впечатлениями друг с другом, а также с разработчиками продуктов, которые могли бы использовать наши описания для создания своей техники. Подобный язык всегда будет тем материалом, с помощью которого мы наводим мосты между субъективной и объективной перспективами.
Но мы все же сделаем оговорку: если вы не слышите различий при прослушивании разных тактовых генераторов — это ваш субъективный опыт. Не слышать разницу столь же актуально и важно, как и слышать ее — ведь ключевой аспект здесь состоит в том, чтобы стать опытным экспертом и не позволить чужому мнению склонить вас к тому, чтобы услышать то, чего нет.
Основная проблема кроется в том, что так называемое «управляемое прослушивание» может вызвать предвзятость (тенденция искать подтверждение своим ожиданиям), что представляет собой колоссальную проблему в научно-исследовательской деятельности. Мы не стремимся убедить кого-либо принять нашу идею не слепого прослушивания как научную. Вместо этого мы хотели бы прояснить, что это за парадигма и как можно использовать ее на практике.
Тактовый генератор: устройство, принцип работы, применение
Тактовый генератор – электронная схема, производящая тактовый сигнал для синхронизации работы цифровых схем. Такой сигнал может иметь любую форму: и простую прямоугольную, и более сложную. Основными элементами генератора являются резонансная схема и усилитель.
Тактовые сигналы
В электронике, в особенности в синхронных цифровых сетях, тактовый сигнал – это сигнал, имеющий постоянную частоту, два устойчивых состояния (верхнее и нижнее), предназначенных для согласования работы цифровых схем.
Вам будет интересно: Как поставить макрос на мышку Bloody A4Tech
Тактовые сигналы создаются тактовыми генераторами. Наиболее распространенной формой тактового сигнала является меандр (сигнал с рабочим циклом 50%). Рабочий цикл – отношение длительности к периоду импульса. Другими словами, это часть периода, в течение которой сигнал активен.
Схемы, использующие тактовые сигналы, могут становиться активными во время переднего фронта, заднего фронта, или, в случае удвоенной скорости передачи данных, переднего и заднего фронтов импульса.
Принцип формирования тактового сигнала
Источником тактовых колебаний является кварцевый кристалл, расположенный в оловянном корпусе. При подаче на кварцевую пластинку напряжения, он начинает совершать механические колебания. Под действием пьезоэлектрического эффекта на электродах кристалла наводится ЭДС. Колебания электротока следуют на генератор, который, собственно, и преобразует их в импульсы.
Генератор тактовых импульсов для компьютера
Вам будет интересно: Как подключить "Икс Бокс 360" к интернету: пошаговая инструкция
В компьютере генератор отвечает за синхронную работу всех его устройств: процессора, оперативной памяти, шин данных. Работу процессора при этом можно сравнить с работой часов. Исполнение инструкции центральным процессором осуществляется за определенное число тактов. Точно также функционируют и часы. Такты в механических часах определяются колебаниями маятника.
Производительность процессора напрямую зависит от частоты тактов. Чем больше частота тактов, тем больше инструкций процессор способен выполнить за определенный промежуток времени. Одна команда или инструкция может выполняться процессором за часть такта или за несколько сотен тактов. Общая тенденция современного развития компьютерной техники заключается в снижении количества тактов, выделяемых для выполнения одной простейшей инструкции.
Оверклокинг
Особый интерес тактовый генератор процессора представляет для оверклокеров. К оверклокерам относят специалистов в области компьютерных технологий и просто любителей, стремящихся повысить производительность своей техники. В настоящее время оверклокинг доступен даже простым пользователям. Для изменения настроек компонентов компьютера иногда достаточно просто зайти в BIOS.
Прежде всего необходимо ответить на вопрос: за счет чего будет повышаться производительность? Здесь все очень просто. Производители компьютерных комплектующих для повышения надежности своих компонентов закладывают в них технологический запас. Именно этот запас и привлекает любителей выжать максимум из своего компьютера.
Одним из способов разгона компьютера будет замена кварцевого резонатора на кристалл, имеющий более высокую частоту. Или, например, можно убрать дополнительные элементы в виде делителей частоты из схемы генератора.
В современных компьютерах генераторы, как правило, реализуются на одной интегральной схеме. Значения тактовой частоты и множителя процессора, как уже было отмечено выше, можно изменить непосредственно из BIOS.
Начинающие оверклокеры нередко задаются вопросом, как определить модель тактового генератора. Программными средствами это сделать невозможно. Остается только открывать системный блок и искать генератор визуально.
С другой стороны, программным способом определяется модель материнской платы (AIDA64, Everest и другие). Затем для данной модели ищется подробная инструкция, а в ней вполне возможно будет найти информацию о названии генератора. А как узнать для тактового генератора значение тактовой частоты, установленное по умолчанию, и значение после разгона? Эти сведения также можно почерпнуть из инструкции для материнской платы.
Основные элементы
В качестве резонансной схемы генератора часто выступает кварцевый пьезо-электрический возбудитель. В то же время могут использоваться более простые схемы параллельного резонансного контура и RC-цепь (схема состоящая из конденсатора и резистора).
Генератор может иметь дополнительные схемы для изменения основного сигнала. Так процессор 8088 использует только две трети от рабочего цикла тактового сигнала. Это требует наличия в генераторе тактовых импульсов. И встроенной логической схемы для преобразования рабочего цикла.
По мере усложнения формы выходного синхросигнала в схеме генератора тактовых импульсов могут использоваться смеситель, делитель или умножитель частоты. Смеситель частоты генерирует сигнал, частота которого равна сумме или разности двух частот входных сигналов.
Схема фазовой автоподстройки частоты
Многие устройства используют схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) для сравнения фазы сигнала с выхода генератора с фазой частоты и регулировки частоты генератора таким образом, чтобы значения фаз совпали.
На рисунке приведена схема фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Устройство сравнения фаз (компаратор) имеет 2 входа и 1 выход. В качестве входных сигналов используется сигнал от задающего генератора (сигнал на входе схемы ФАПЧ) и сигнал с выхода генератора, управляемого напряжением (ГУН). Компаратор сравнивает фазы двух сигналов и формирует сигнал ошибки, который следует на фильтр нижних частот (ФНЧ), а с него – на ГУН, управляя его частотой.
Виды тактовых генераторов
1. Генераторы общего назначения
Генераторы общего назначения, как правило, используют схемы ФАПЧ для генерирования выходных сигналов из общей входной частоты. Они для получения опорной частоты используют простые недорогие кварцевые кристаллы. Из сигнала опорной частоты они генерируют выходные тактовые сигналы с низким уровнем дрожания фронта сигнала.
2. Программируемые генераторы
Позволяют изменять коэффициент, используемый делителем или умножителем. Благодаря этому можно выбрать любую из множества выходных частот без изменения аппаратной части.
Применение генераторов синхронизирующих сигналов в сетях SONET
Это тактовый генератор, используемый сетями поставщиков услуг часто в виде встроенного источника сигналов (BITS) для центрального офиса.
Цифровые коммутационные системы и некоторые системы передачи (например, системы синхронной цифровой иерархии SONET) зависят от надежной высококачественной синхронизации. Чтобы обеспечить такое состояние, большинство поставщиков услуг применяют схемы распределения сигналов синхронизации между офисами и реализуют концепцию BITS для обеспечения синхронизации внутри офиса.
На вход генератора тактовой частоты поступают входные сигналы синхронизации, а из выхода следуют выходные сигналы синхронизации. В качестве входных опорных сигналов могут выступать сигналы синхронизации DS-1 или CC (составные сигналы), выходными сигналами также могут быть сигналы DS-1 или CC.
Что такое генератор тактовых импульсов
Работа электроники и, в частности, синхронных цифровых сетей, связана с необходимостью согласования по времени, передающего и принимающего устройств. Обеспечить стабильность синхронизации в такой системе возможно за счет использования генератора тактовых импульсов. Устройство успешно применяют в электронно-вычислительных машинах, таймерах и прочих цифровых устройствах.
Роль тактового генератора
Многие не догадываются о том, зачем нужен генератор тактовых импульсов. По сути, это простая электронная схема, которая используется для синхронизации работы других цифровых схем. Тактовый сигнал, который производит генератор, может иметь самую разную форму: синусоида, пила, трапеция, экспонента, но чаще всего – это прямоугольный импульс и т.д. Благодаря возможность задать частоту сигнала, ее можно использовать в качестве эталонной, к примеру, для измерения временных интервалов.
Применительно к микропроцессорному оборудованию, один тактовый импульс, в большинстве случаев, соответствует атомарной операции. А чтобы обработать одну инструкцию, необходимо несколько тактов. Конкретная величина будет зависеть от архитектуры микропроцессора и типа исполняющих инструкций. Именно частота является одной из главных компонент, определяющих скорость вычисления любого современного компьютера или мобильного устройства.
Принцип работы
Главными компонентами генератора тактовых импульсов, назначение которого в обеспечении синхронизации цифровых схем, являются резонансная схема и усилитель сигнала. В качестве источника колебаний в таких устройствах выступает кристалл кварца, помещенный в оловянный корпус. Принцип работы генератора в том, что, подавая напряжение на кварцевую пластину, кристалл совершает механические колебания. За счет пьезоэлелектрики наводится электродвижущая сила на электродах кристалла. В последующем, колебания тока определенной формы и частоты попадают на генератор, преобразующий их в тактовые электрические импульсы.
Вместо кварцевого пьезо-электрического возбудителя, в тактовых генераторах используют и иной базовый компонент – схемы параллельного резонансного контура. В наиболее простых случаях устанавливают электрическую цепь на основе резистора и емкости. При этом оборудование может оснащаться и дополнительными схемами, позволяющими управлять формой и амплитудой базового сигнала. С использованием более сложной формы, внутрь устройства помещают смеситель, делитель, а также умножитель частот. Каждый элемент выполняет свою функцию, делитель – пропорционально уменьшает, умножитель – увеличивает, а смеситель позволяет сгенерировать частоту, равную частоте суммы или разности нескольких входных сигналов.
Важность стабильности параметров генератора
Специалисты в области синхронизации цифровых схем, выделяют два типа стабильности генератора тактовых импульсов:
- долговременную;
- кратковременную.
Тип стабильности играет важнейшую роль в предназначении генератора, какой именно сфере он будет использоваться. Долговременная стабильность определяется как изменение частоты за длительный промежуток времени эксплуатации (обычно это сотни и даже тысячи лет).
Кратковременная стабильность определяет частотные изменения за очень небольшие периоды времени (мили, микро и наносекунды). Для большинства современных аудио устройств, интерес представляет именно этот тип стабильности, поскольку для них важно, чтобы сигнал передавался как можно стабильно во времени. Но в телекоммуникациях, будут играть роль как кратковременная, так и долговременная стабильность. И для этих целей уже используют специальные типы генераторов, с нагретой камерой, в которой помещается рубидий.
Генератор тактовых импульсов
Генератор тактовой частоты(генератор тактовых импульсов) генерирует электрические импульсы заданной частоты (обычно прямоугольной формы) для синхронизации различных процессов в цифровых устройствах —ЭВМ,электронных часахитаймерах, микропроцессорной и другойцифровой технике. Тактовые импульсы часто используются как эталонная частота — считая их количество, можно, например, измерять временные интервалы.
В микропроцессорной технике один тактовый импульс, как правило, соответствует одной атомарной операции. Обработка одной инструкции может производиться за один или несколько тактов работы микропроцессора, в зависимости от архитектуры и типа инструкции. Частота тактовых импульсов определяет скорость вычислений.
[править] Типы генераторов
В зависимости от сложности устройства, используют разные типы генераторов.
[править] Классический
В несложных конструкциях, не критичных к стабильности тактового генератора, часто используется последовательное включение нескольких инверторов через RC-цепь. Частота колебаний зависит от номиналов резистора и конденсатора. Основной минус данной конструкции — низкая стабильность. Плюс — предельная простота.
[править] Кварцевый
[править] Кварц + микросхема генерации
Микросхема генерации представляет собой специальную микросхему, которая при подаче на её входную ногу сигнала с кварцевого резонаторабудет выдавать на остальных выводах частоту, делённую или умноженную на исходную. Данное решение используется в часах, а также на старых материнских платах (где частоты шин были заранее известны, только внутренняя частота центрального процессора умножалась коэффициентом умножения).
[править] Программируемая микросхема генерации
В современных материнских платах необходимо большое количество разных частот, помимо опорной частоты системной шины, которые, по возможности, не должны быть зависимы друг от друга. Хотя базовая частота всё же формируется кварцевым резонатором (частота — 14,3 МГц), она необходима лишь для работы самой микросхемы. Выходные же частоты корректируются самой микросхемой. Например, частота системной шины может быть всегда равна стандартным 33 МГц, AGP — 66 МГц и не зависеть от частотыFSBпроцессора.
Если в электронной схеме необходимо разделить частоту на 2 используют Т-триггерв режимесчётчикаимпульсов. Соответственно, для увеличения делителя увеличивают количество счётчиков (триггеров).
[править] Тактовый генератор
Тактовый генератор — автогенератор, формирующий рабочие тактыпроцессора(«частоту»). В некоторых процессорах (например,Z80) выполняется встроенным.
Кроме тактовки процессора в обязанности тактового генератора входит организация циклов системной шины. Поэтому его работа часто тесно связана с циклами обновления памяти, контроллером ПДП идешифраторомсигналов состояния процессора.
Кварцевый резонатор
Кварцевый резонатор,кварц— прибор, в которомпьезоэлектрический эффекти явлениемеханического резонансаиспользуются для построениявысокодобротногорезонансного элемента электронной схемы.
Несмотря на то, что вместо кварцачасто используются и другиепьезоэлектрики, например, керамика (Crystal oscillator), прилагательное «кварцевый» является общеупотребительным для всех таких устройств.
Принцип действия
Обозначение кварцевого резонатора на принципиальной электрической схеме
Кварцевые резонаторы на 27,14 МГц и 32768 Гц
Кварцевый резонатор извлечён из корпуса. Видно золочение противоположных плоскостей пластинки.
На пластинку, кольцо или брусок, вырезанные из кристалла кварца определённым образом, нанесены 2 и более электродов — проводящие полоски.
Пластинка закреплена и имеет собственную резонансную частоту механических колебаний.
При подаче напряжения на электроды благодаря пьезоэлектрическому эффекту происходит изгибание, сжатие или сдвиг в зависимости от того, каким образом вырезан кусок кристалла.
Однако колеблющаяся пластинка в результате того же пьезоэлектрического эффекта создаёт во внешней цепи противо-ЭДС, что можно рассматривать как явление, эквивалентное работе катушки индуктивностивколебательном контуре.
Если частота подаваемого напряжения равна или близка к частоте собственных механических колебаний пластинки, затраты энергии на поддержание колебаний пластинки оказываются намного ниже, нежели при большом отличии частоты. Это тоже соответствует поведению колебательного контура.
Эквивалентная схема
История
Пьезоэлектрический эффект был впервые открыт братьями ЖакомиПьером Кюри.Поль Ланжевенвпервые использовал этот эффект в часовом резонаторегидролокаторапередпервой мировой войной. Первыйкристальныйрезонатор, работающий насегнетовой соли, был изготовлен в 1917 году и запатентован в 1918 году Александром М. Николсоном (Alexander M. Nicholson) из компанииBell Telephone Laboratories, хотя это оспаривалось Уолтером Гейтоном Кэди (Walter Guyton Cady), который изготовилкварцевыйрезонатор в 1921 году. Некоторые улучшения в кварцевые резонаторы вводились позжеЛьюисом Эссеном(Louis Essen) и Джорджом Вашингтоном Пирсом (George Washington Pierce).
Первые стабильные по частоте кварцевые резонаторы были разработаны в 1920—30-х годах. Начиная с 1926 года, кварцевые резонаторы на радиостанциях использовались в качестве задающих несущую частоту элементов. В то же время резко возросло количество компаний, начавших выпускать кварцевые резонаторы; только до 1939 года в США было выпущено более чем 100 000 ед.
[править] Применение
Одним из самых популярных видов резонаторов являются резонаторы, применяемые в часовых схемах. Резонансная частота часовых резонаторов 32768 Гц, поделённая на 15-разрядном двоичном счётчике, даёт интервал времени в 1 секунду.
Применяются в генераторах с фиксированной частотой, где необходима высокая стабильность частоты. В частности, в опорных генераторах синтезаторов частот и в трансиверных радиостанциях для формирования DSB-сигнала на промежуточной частоте и детектирования SSB или телеграфного сигнала.
Также применяются в кварцевых полосовых фильтрах промежуточной частоты супергетеродинных приёмников. Такие фильтры могут выполняться по лестничной или дифференциальной схеме и отличаются очень высокой добротностью и стабильностью по сравнению с LC-фильтрами.
По типу корпуса кварцевые резонаторы могут быть выводные для объёмного монтажа (стандартные и цилиндрические) и для поверхностного монтажа(SMD).
Качество схемы, в которую входят кварцевые резонаторы, определяют такие параметры, как допуск по частоте (отклонение частоты), стабильность частоты, нагрузочная ёмкость, старение.
[править] Преимущества перед другим решениями
Достижение намного больших значений добротности (10 4 −10 6 ) эквивалентного колебательного контура, нежели любым другим способом.
Малые размеры устройства (вплоть до долей мм).
Большая температурная стабильность.
Построение качественных каскадных фильтров без необходимости их ручной настройки.
[править] Недостатки
Чрезвычайно узкий диапазон подстройки частоты внешними элементами. Практически для многодиапазонных систем эта проблема решается построением синтезаторов частотыразличной степени сложности.