Gli oscillatori sono impiegati per produrre segnali a frequenze audio o radio, per una grande varietà di applicazioni. Ad esempio, semplici oscillatori a frequenze audio sono usati nei moderni telefoni a tastiera per inviare alla centrale i segnali di selezione. Vengono, inoltre, molto utilizzati nell’ambito dell’elettronica digitale, specialmente nei sistemi a microprocessore. In questi, infatti, il circuito di temporizzazione è basato su un clock, che altro non è che un oscillatore al quarzo. Sempre nell’ambito dell’elettronica gli oscillatori vengono utilizzati come generatori di funzioni o come segnale di clock per circuiterie di test.
Il generatore di clock è un dispositivo che genera un segnale di tipo periodico che viene utilizzato per scandire ad intervalli regolari la successione delle operazioni in larga parte dei circuiti di tipo digitale. Nel caso in cui viene usato come generatore della base dei tempi per il funzionamento dell’intero generatore di funzioni, tale segnale consiste in una onda quadra con duty cycle del 50%, e periodo variabile in un ampio range di frequenze. Viene generato tramite un multivibratore astabile, un dispositivo che presenta un funzionamento a scatto, che spontaneamente passa per due condizioni simmetriche di funzionamento con una precisa tempistica. I generatori di forme d’onda tipo i multivibratori astabile e monostabile sono adatti a raggiungere frequenze non molto elevate (al più una decina di kHz) e la loro frequenza di lavoro dipende fortemente dal valore di elementi circuitali che presentano notevoli derive in funzione della temperatura.
Quindi, se vogliamo ottenere un segnale di clock a frequenza elevata e con buone caratteristiche di stabilità in frequenza, dobbiamo ricorrere a soluzioni di tipo diverso. Un metodo piuttosto economico per raggiungere stabilità in frequenza dell’ordine della parte su milione consiste nell’utilizzo delle proprietà piezoelettriche di sottili lamine di quarzo. I materiali piezoelettrici presentano la caratteristica di dar luogo a una differenza di potenziale elettrico se sollecitati meccanicamente (si pensi agli accendigas piezoelettrici) o di deformarsi se soggetti all’applicazione di un campo elettrico (si pensi agli altoparlanti piezoelettrici). Queste importanti proprietà consentono di far interagire un sistema risonante meccanico con un circuito elettrico, mantenendo l’elevato Q caratteristico del sistema meccanico.
Il fattore di qualità Q rappresenta sostanzialmente il rapporto tra l’energia in gioco negli elementi reattivi e quella dissipata in un ciclo negli elementi resistivi. Un sistema senza dissipazione sarebbe caratterizzato da un Q infinito, dato che l’energia dissipata risulterebbe nulla. Nel caso di un filtro passa banda il Q si definisce come il rapporto fra la frequenza centrale e la banda (Q = f0/B), infatti, tanto minore è la componente dissipativa, tanto più stretta è la curva di risposta del filtro. Nei risonatori elettrici, a causa delle inevitabili resistenze parassite, non si riescono a raggiungere valori di Q superiori a qualche centinaio, mentre nei risonatori meccanici valori di molte migliaia sono possibili. Il risonatore meccanico che si utilizza negli oscillatori di clock è costituito da una lamina di cristallo piezoelettrico (genericamente definito in campo elettronico semplicemente “quarzo”) sulle cui superfici sono stati depositati due elettrodi metallici, come nella figura che segue, dove è anche rappresentato il simbolo circuitale del quarzo (Figura 1).
Figura 1: Risonatore a Quarzo
MULTIVIBRATORI
Il multivibratore monostabile, come suggerito dal nome, ha uno stato stabile dal quale può essere spostato tramite una perturbazione esterna e al quale poi ritorna una volta trascorso un intervallo di tempo determinato. Se consideriamo un monostabile per il quale la condizione stabile corrisponde al livello basso, avremo un comportamento come quello descritto nella figura seguente: l’uscita si trova normalmente al livello basso, finché in ingresso non si presenta un impulso di breve durata, il quale determina il passaggio dell’uscita al livello alto per un tempo T determinato dalle caratteristiche interne del monostabile e indipendente dalla durata dell’impulso di ingresso, purché questa sia minore di T e maggiore di un valore minimo necessario per causare la commutazione. E' possibile, con l’utilizzo di porte logiche e di pochi altri componenti, ottenere anche dei multivibratori astabili (Figura 2) dove sono indicati dei NOR, che svolgono peraltro la funzione di semplici NOT.
Figura 2: Multivibratori astabili
CRISTALLO DI QUARZO
Un oscillatore al cristallo è un circuito elettronico che usa la risonanza meccanica di un cristallo piezoelettrico vibrante per ottenere un segnale elettrico caratterizzato da una frequenza molto precisa. Questa frequenza è comunemente usata per mantenere una sincronia (come negli orologi al quarzo), per ottenere un segnale di clock stabile per i circuiti integrati digitali, e per stabilizzare la frequenza dei segnali nei trasmettitori radio. Il cristallo di quarzo è un componente elettronico molto usato per realizzare generatori di clock estremamente stabili in frequenza; in tali circuiti la frequenza di oscillazione coincide con quella di risonanza del quarzo. Si ricorda il largo impiego negli orologi al quarzo, come generatore di clock nei PC (clock del processore, RTC real time clock, clock del circuito di refresh delle RAM dinamiche, etc.). Il circuito equivalente del cristallo è riportato in Figura 3; il simbolo circuitale in Figura 4. Al cristallo di quarzo devono essere saldati i due conduttori (reofori); perché ciò sia possibile è necessario metallizzare le superfici di contatto; questo processo dà origine alla capacità Cp che compare nel circuito equivalente. La resistenza di perdita Rs presente nel circuito di Figura 3, rappresenta le perdite di potenza attiva che si manifestano nel cristallo; tali perdite sono generalmente molto basse (si parla di fattore di bontà del circuito risonante serie che si aggira attorno a valori mediamente superiori a 10.000).
Figura 3: Circuito equivalente del cristallo di quarzo
Figura 4: Simbolo elettronico del Cristallo di quarzo
TEMPORIZZAZIONE
I circuiti di temporizzazione permettono di generare un segnale ad onda quadra caratterizzata da una particolare frequenza. La tendenza attuale é quella di realizzare circuiti integrati particolari, studiati specificamente per questo impiego, contenenti sintetizzatori di frequenza programmabili, in grado di generare più valori di clock da un solo quarzo. Già a partire dalle CPU 486, é diventato comune avere per il processore un clock più elevato di quello generale del sistema, moltiplicandolo per un fattore variabile da 1.5 in su all’interno della CPU stessa. Questo é possibile perché la struttura interna del chip puó essere progettata senza difficoltà in modo tale da poter operare con valori di clock molto piú elevati di quelli possibili al resto del circuito. La cosa é ovviamente vantaggiosa, in quanto più veloce é il clock, più breve é il tempo necessario per svolgere la serie di cicli che compongono una istruzione del software o una attività interna del processore; più clock, più velocità e quindi più prestazione del sistema.
