آموزش PIC قسمت سوم: انواع اسیلاتورهای مورد استفاده در PIC

در قسمت قبلی از آموزش PIC درباره‌ی شروع کار با میکروکنترلر صحبت کردیم در این قسمت نیز می‌خواهیم انواع اسیلاتورهای مورد استفاده در PIC را برای شما شرح دهیم. میکروکنترلر PIC دارای اسیلاتور داخلی است که می‌تواند از آن به عنوان منبع کلاک استفاده کند. معماری این میکروکنترلر به گونه‌ای است که برای اجرای هر دستور اسمبلی نیاز به چهار سیکل ماشین دارد. برای تعیین منبع کلاک میکروکنترلر ۸ حالت مختلف در دسترس است که از این ۸ حالت ۲ حالت باعث می‌شود که میکروکنترلر از منبع کلاک داخلی استفاده کند در این حالت دو پایه از میکروکنترلر که برای اتصال کریستال/خازن مقاومت است را به عنوان ورودی و خروجی استفاده کرد. این حالت‌ها توسط بیت‌های پیکره‌بندی (غالباً به اسم فیوز بیت شناخته می‌شود) میکروکنترلر انتخاب می‌شوند، این بیت‌ها غیر فرار هستند و هنگام پروگرام کردن میکروکنترلر مقدار دهی می‌شود.

اسیلاتور حالت‌های زیر را دارد:

حالت‌های عملیاتی فوق، گزینه‌های هستند که در یک دستگاه وجود دارند و شما می‌توانید با توجه به نیاز خود از آن‌ها استفاده بکنید. 

گزینه RC اسیلاتور در هزینه صرفه‌جویی می‌کند در حالی که گزینه LP crystal در مصرف برق صرفه‌جویی می‌کند.

برای انتخاب گزینه‌های مختلف از بیت‌های پیکره‌بندی استفاده شده است.

انواع اسیلاتورها

دستگاه‌های میان‌ رده تا هشت حالت مختلف نوسان‌ساز دارند اما کاربر فقط سه بیت پیکره‌بندی میکروکنترلر (FOSC2, FOSC1, FOSC0) را برای انتخاب یکی از این هشت حالت استفاده می‌کند (LP, KT, HS, RC, EXTRC, EXTRC, INTRC, INTRC) تفاوت بین حالت‌های KT, LP, HS در انتخاب دامنه فرکانس مختلف نوسان‌ساز داخلی است.

به‌عنوان‌مثال، بیت‌های پیکره‌بندی 0 1 از حالت HS برای گین بالا و بیت‌های پیکره‌بندی 1 0 از حالت HT برای گین متوسط استفاده می‌کنند. به‌طور مشابه، بیت‌های پیکره‌بندی 0 0 از حالت LP کم استفاده می‌کنند.

اسیلاتور کریستالی یا رزوناتورهای سرامیکی

اسیلاتورهای کریستالی یا رزوناتورهای سرامیکی برای ایجاد نوسان به پین‌های OSCI و OSC2 در حالت LP ،XT یا HS متصل می‌شوند. کریستال برش موازی در اسیلاتور میکروکنترلر PIC برای طراحی مورد نیاز استفاده می‌شود. اگر در هنگام ساخت، از کریستال برش سری استفاده شود، ممکن است فرکانس خارج از محدوده باشد.

مدار عملکرد رزوناتور کریستال یا سرامیک در شکل 1 نشان داده شده است. ما آن را در حالت‌های HS, XT, LP را به کار می‌گیریم.

شروع به کار اسیلاتور یا رزوناتور

هنگامی که ولتاژ VCC دستگاه افزایش می‌یابد، اسیلاتور یا رزوناتور با نوسانات خود شروع به کار می‌کنند. زمان شروع نوسان بستگی به عواملی از جمله طرح اسیلاتور مدار، کیفیت بلور، دمای سیستم، مقدار خازن، مقدار مقاومت سری، نویز سیستم، زمان افزایش VDD دستگاه، حالت انتخاب اسیلاتور و فرکانس تشدید دارد. شکل 2 مشخصات راه اندازی اسیلاتور را نشان می‌دهد:

انتخاب قطعات برای اسیلاتور

شکل 1 مدار اسیلاتور را نشان می‌دهد و با توجه به این شکل، مقدار فیدبک Rs در محدوده بین 2 تا 10 مگا اهم خواهد بود. مقدار این مقاومت با ولتاژ دستگاه، تغییر پروسه و دما متفاوت است. در هنگام انتخاب مقاومت، ولتاژ کارکرد دستگاه و فرآیند تولید را نیز باید در نظر داشته باشید. برای انتخاب قطعات، به دیتاشیت مشخصات قطعات و مقادیر توصیه‌شده خازن C1 و C2 نیز مراجعه کنید. هر دیتاشیت دستگاه، مقادیر خاصی را نشان می‌دهد که در جدول 1 نشان داده‌شده است.

مقادیر خازن C1 و C2 مطابق جدول فوق خواهد بود، مقدار زیاد خازن باعث افزایش پایداری اسیلاتور می‌شود و همچنین زمان راه‌اندازی را افزایش می‌دهد. مقادیر جدول فوق فقط برای اهداف طراحی استفاده می‌شود اما هر اسیلاتور یا رزوناتور ویژگی‌های خاص خود را دارد. تمام رزوناتورها باید دارای یک خازن خارجی باشند.

تنظیم مدار اسیلاتور

تراشه‌های میکروچیپ برای اهداف مختلفی مانند اندازه‌گیری فرکانس، ولتاژ و دما مورد استفاده قرار گرفته‌اند. این دستگاه‌ها باید یک کریستال یا خازن خارجی داشته باشند. در هنگام انتخاب این قطعات، عوامل زیر را باید در نظر داشته باشید.

1. بهره تقویت‌کننده
2. فرکانس تشدید
3. دمای عملیاتی
4. زمان راه‌اندازی اسیلاتور
5. پایداری
6. طول عمر
7. مصرف برق
8. ساده‌سازی مدار
9. استفاده از اجزای استاندارد
10. ترکیبی از کمترین قطعات برای نتیجه مطلوب
11. دامنه ولتاژهای تغذیه
12. فرکانس موردنظر

عوامل فوق را همیشه باید برای تنظیم اسیلاتور یا رزوناتور به خاطر بسپارید.

بهترین مقادیر را برای کریستال پیدا کنید

در اینجا ما می‌گوییم که چگونه بهترین مقادیر حالت کلاک کریستال C1, C2, R را پیدا کنید. بیشتر کریستال‌ها فقط با فرکانس تشدید موازی انتخاب می‌شوند، اما پارامترهای طراحی مانند تحمل فرکانس یا دما نیز مهم هستند. اگر می‌خواهید در مورد عملکرد کریستال بیشتر بدانید، AN588 بهترین مرجع برای شماست. مدار اسیلاتور داخلی در میکروکنترلرهای PIC در اصل مدار اسیلاتور یا رزوناتور موازی است، این مقادیر ظرفیت در محدوده بین 20PF تا 32PF مشخص‌شده است.

در این محدوده، اسیلاتور نزدیک به نزدیک‌ترین مقادیر فرکانس موردنظر نوسان می‌کند اما این مقادیر ممکن است گاهی اوقات جابه‌جا شوند. از پارامترهای FOSC برای انتخاب حالت Clock استفاده می‌شود. از حالت‌های Clock درواقع برای انتخاب بهره استفاده می‌شود، بهره کم از فرکانس‌های پایین‌تر و بهره بیشتر برای فرکانس‌های بالاتر استفاده می‌شود. همچنین انتخاب بهره بیشتر یا پایین‌تر ممکن است بستگی به نیاز مدار اسیلاتور داشته باشد. مقادیر C1 و C2 با ظرفیت خازنی بار انتخاب می‌شوند، اما در ابتدا از مقادیر پیشنهادی که توسط کارخانه و جدول ارائه‌شده در دیتاشیت ارائه می‌شود، استفاده خواهد شد.

کاربردهای اسیلاتور

1. اسیلاتور در واقع یک مدار الکترونیکی است که برای تولید سیگنال نوسانی پریودیک استفاده می‌شود که می‌تواند موج سینوسی یا موج مربعی باشد.
2. اسیلاتور در سیگنال ژنراتور برای تولید سیگنال نوسانی استفاده می‌شود و این سیگنال ژنراتورها در دستگاه‌های پخش مانند رادیو، تلویزیون و فرستنده استفاده می‌شوند.
3. در مدارهای RF برای تولید سیگنال نوسانی RF استفاده می‌شود.
4. در دستگاه‌های فرکانس صوتی برای تولید سیگنال نوسانی فرکانس صوتی استفاده می‌شود.
5. تقویت‌کننده الکترونیک اساساً یک اسیلاتور خطی مانند ترانزیستور یا op amp است که به عنوان فیدبک اسیلاتور استفاده می‌شود.
6. مدار اسیلاتور RC، متشکل از مقاومت و خازن برای تولید فرکانس پایین‌تر استفاده می‌شود.
7. مدار اسیلاتور LC که از سلف و خازن تشکیل شده است برای سیگنال فرکانس اسیلاتور تشدید استفاده می‌شود.

منبع