PIC Mikrodenetleyici Ailesi için Osilatör Devresi

Osilatörler RF ve dijital cihazların en önemli parçalarındandır. Osilatörleri olabilecek en az elemanlarla bir kapalı çevrim içerisindeki yükselteç ve filtre ile ifade edebiliriz. Bu yazımızda PIC Mikrodenetleyici ailesi için osilatör devresini inceledik.

A- A+

31.10.2016 tarihli yazı 21114 kez okunmuştur.

Aşağıdaki şekilde gösterilen yükselteç giriş gerilimini yükseltir ve giriş fazını 180⁰ kaydırır. Sonrasında geri besleme için alınan sinyal filtreden geçirilip burada fazı 180 derece daha kaydırır ve sonuç olarak giriş sinyali ile aynı fazda geri besleme verilir. Bu filtre aynı zamanda osilatörün çalışacağı frekansı ayarlar.

Microdenetleyicilerde osilatörler komutları işlemede kullanılan clock darbeleri için kaynak olarak kullanılırlar. PIC microdenetleyicilerde dahili veya harici Osilatörler kullanılabilirler. Mikrodenetleyicilerde bulunan dahili Osilatörler, RC Osilatörler olup hem çok yüksek frekans sağlamaz hem de hassasiyeti düşüktür. Harici Osilatörlerde de RC ve Kristal kuartz temelli iki tip Osilatör bulunur. RC Osilatörler kristal osilatörlere göre daha ucuzken, kristal osilatörlerin RC osilatörlere göre en büyük avantajı frekansın sıcaklık, güç ve fiziksel titreşim gibi değişimlerinden daha az etkilenmesidir. Mikrodenetleyicilerde harici osilatörler çeşitli modlarda sınıflandırılabilir.

Yukarıdaki modların haricinde EXTRC with CLOCKOUT, EXTRC, INTRC with CLOCKOUT, INTRC modlarıda bulunmaktadır. Mikrodenetleyicilerin programlanacağı yazılımlar yapılırken kullanılacak olan mikrodenetleyici modu ve clock sinyalinin frekansı konfigürasyon ayarları ile belirtilmelidir.

Günümüzde birçok geliştirici ve tasarım mühendisi kendi osilatörlerini tasarlamak yerine hazır üretim parçaları kullanarak Osilatör devrelerini gerçekleştirirler. Fakat geliştiricinin Osilatör devresini tasarlaması için bu hazır parçalardan doğru kristal osilatörün ve harici kapasiteleri seçmesi gerekir. Çünkü Osilatör devresinin frekansını bunlarda etkiler. Bir kristal osilatörün mikrodenetleyici için seçiminde üretici firmanın, kullanılacak osilatör moduna ait frekanslarda kapasitelerin hangi aralıkta olması gerektiğini belirttiği "datasheet"inde bulunan tablosundan yararlanılabilir. Fakat RF devreleri için kristal seçimi bu kadar kolay değildir. Çünkü standart değerlerdeki osilatörler bu devrelerde kullanılabileceği gibi diğer aralıklardaki frekanslarla da çalışmalar yapılabilir. Bu sebeple bazen osilatör üreticilerine uygun osilatör için sipariş verilir. Bu sipariş verilirken aşağıdaki bilgiler belirtilmelidir:

► Kristalin frekansı
► Hangi modda kullanılacak
► Hangi rezonans türü (seri veya paralel) kullanılacak
► Frekans toleransı ne kadar olmalı
► Hangi sıcaklık aralığında çalışacak
► Kullanılacak yük kapasitesinin sığası(Cι)
► Kullanılacak paralel kapasitenin sığası(C˳)
► Kullanılacak RLC kapasitesinin sığası(Cm)

Osilatörlerin çalışması başlangıç (start-up) ve kararlı durum olmak üzere iki evreden oluşur. Osilatörler herhangi bir dış frekans sinyali olmadan çalışmaya başlarlar. Osilatör devresine gerilimin ilk olarak uygulandığı andan sonra tüm devre ile beraber filtre devresinin gerilimi de değişir ve filtre devresi frekansta bir miktar kararsız salınımdan sonra frekans elemanlarının ayarlandığı frekansta sinyal üretir. PIC microdenetleyicilerinde Osilatör başlama zamanlayıcısı (OST) Osilatör sinyalinin kararlı bir hal almasına yetecek kadar bir süre boyunca (1024 sinyal süresi) osilatörü reset durumunda tutarak bu kararsız durumun çalışmayı etkilemesini engeller.

Daha önce de belirtildiği gibi kristal osilatörlerin frekansına yük kapasiteleri de etki eder. Bu etkiyi analiz etmek için Kristalin yapısını incelememiz gerekir. Kuvars kristaller elektriksel olarak basitçe, biri RLC diğeri de şönt kapasitesi olmak üzere iki koldan oluşur. RLC kolu hareket empedansı kolu olarak adlandırılırken, quartz rezenatörün piezoelektrik bileşimini modeller. Şönt kapasitesi ise elektriksel bağlantıların yapıldığı plakalar arası kapasiteyi modeller.

Bir kuvars kristalin temel rezonans modu bir kapasite ile paralel bağlanmış bir LCR devresi olarak modellenebilir. 5 MHz 30-MHz frekans aralığı ile temel modda çalışırken, kristaller için devre elemanlarının tipik değerler şunlardır:

Cm: 20 pF 2 pF (kapasite)
Rm: 10 Ω 150 Ω (eşdeğer seri direnç)
Lm: C1 tarafından belirlenir ve çalışma frekansı ( endüktans)
C0: 5 pF (şönt kapasitesi)

Kristalin frekansına etkiyen harici sığayı CL, osilatör devresini bağladığımız sistemin sığasını Cs olarak adlandırabiliriz. Bu durumda CL aşağıdaki gibi bulunur.