I cristalli al quarzo nel design dei circuiti

Nella progettazione dei circuiti elettronici, nella quasi totalità dei circuiti digitali ma anche in molte applicazioni specifiche di tipo analogiche, è necessario porre particolare attenzione quando si trattano i sistemi di generazione e distribuzione dei segnali di clock. La progettazione di una sorgente di clock passa per la scelta del tipo di oscillatore da utilizzare. Gli oscillatori, nel loro normale funzionamento, sono in grado di generare una predeterminata forma d’onda periodica ad una determinata frequenza. La tecnologia di realizzazione e la tipologia della forma d’onda e della frequenza permette di classificare questi dispositivi. In questo articolo affronteremo l’aspetto tecnico degli oscillatori, analizzando il modello elettrico equivalente e i criteri di scelta dei componenti per la realizzazione dell’oscillatore.

Introduzione

Gli oscillatori sono un componente fondamentale nella progettazione dei dispositivi digitali anche se quasi tutti i microcontrollori in commercio dispongono al loro interno di una sorgente di clock e di conseguenza, il progettista, non devono dedicare molto tempo a questo aspetto particolare, se non fondamentale, del proprio dispositivo. Sta di fatto che, nonostante le periferiche dei microcontrollori siano ottimizzate per ridurre al minimo l'errore di configurazione della sorgente di clock, alcune volte si può ottenere un'errata selezione dell’oscillatore esterno, o dei componenti necessari al suo funzionamento (ad esempio i condensatori o i resistori opzionali). Questo errore può portare a malfunzionamenti del dispositivo che in alcuni casi non sono visibili in condizioni operative normali, ma quando il dispositivo è soggetto a variazioni di temperatura o condizioni operative estreme (vibrazioni, presenza di disturbi esterni, etc.). Selezionare l’oscillatore esterno per il proprio microcontrollore sembra facile, basta determinare la frequenza di funzionamento del micro (in genere i valori vengono definiti nei datasheet e il designer può configurarlo tramite appositi registri), configurare il moltiplicatore del PLL interno (alcune volte è auto-configurante) ed inserire nel circuito l’oscillatore al quarzo giusto. In realtà non è proprio così semplice, perché bisogna tener conto di tutti quei parametri del quarzo e del circuito di condizionamento che determineranno la stabilità in temperatura, il range di temperatura ammesso, la capacità di carico, quella di shunt, la necessità di altri componenti di pull, la resistenza serie, il jitter, e tanti altri fattori.

Classificazione degli oscillatori

La prima differenza sostanziale degli oscillatori è nella tipologia di forma d’onda che generano. Per tale motivo li classifichiamo in due categorie: oscillatori armonici (con generazione di segnali periodici sinusoidali) o generatori a rilassamento (con segnali tipo onda quadra, triangolare, etc). Una seconda classificazione può avvenire in termini di frequenza del segnale generato dall'oscillatore e quindi avremo principalmente le seguenti categorie: oscillatori a bassa frequenza (0-100kHz) e oscillatori ad alta frequenza ( ordine dei MHz). Come vedremo, queste due categorie sono strettamente legate alla tecnologia utilizzata per la realizzazione dell’oscillatore. Di fatto, è proprio la tecnologia dell'oscillatore ad effettuare la miglior classificazione. Avremo dunque:

  • Oscillatori RC: realizzati sfruttando resistenze e condensatori, ad esempio i ponti di Wien, a sfasamento o in configurazione a T. Questi trovano larga applicazione negli [...]

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2 Commenti

  1. Giovanni Di Maria Giovanni Di Maria 2 maggio 2017

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