A kvarckristály
Mikor a számítógépek processzorai 50 MHz-es tartományban dolgoztak, egyszerűen csak be kellett tenni egy kvarcot, és már ment is minden. Aztán az órajelek emelkedésével az a probléma lépett fel, hogy 75MHz felett már nem is nagyon van kvarc.
Ráadásul a különböző processzorok más-más frekvencián működhetnek, tehát valahogy állíthatónak is kell lenni a frekvenciáknak. Erre már csak rájött a tuningolás, az 1MHz-es lépésekben való állítás igénye.
*** Elöljáróban pár szó a kvarckristályról ***
A kihasított és méretre csiszolt kvarc lapka két oldalát fémezéssel vezetővé teszik, amihez a kivezetéseket csatlakoztatják.
Hajlítás hatására a két átellenes oldalán feszültség keletkezik. Ellenkező irányú hajlításkor a feszültség is megfordul.
De ez fordítva is igaz: feszültséget rákötve meghajlik.
Ha sikerül valami módon "megpendíteni" -mint egy hangvillát- saját frekvenciáján rezeg. A "pendítést" az előbbiek miatt praktikus a rákötött feszültséggel létrehozni.
Az így "megpendített" kvarc kristály szigorúan csak a saját rezonancia-frekvenciáján rezeg és a frekvenciának megfelelő váltakozó feszültség is megjelenik a sarkain. Ezért alkalmas nagypontosságú rezgőkörök, oszcillátorok készítésére. Ellentétben a tekercsekkel, kondenzátorokkal sokkal pontosabb, kevésbé hőmérsékletfüggő és időtállóbb. Valamint a jósági tényezője (Q) is nagyságrendekkel nagyobb.
A jósági tényezőt azt befolyásolja, hogy a rezgés folyamán minden periódusban energia-veszteség keletkezik két alkalommal: LC tag esetén a rezgés árama kétszer átfolyik a tekercs ellenállásán, kétszer átforgatja a domén-kristályokat a vasmagban, kétszer átforgatja a dielektrikum molekuláit a kondenzátorban. Ezek a súrlódások hőt termelnek, csökkentik a rezgés energiáját, a rezgés lecseng, abbamarad.
Egy kvarckristály veszteségei nagyságrendekkel kisebbek.
Ha ábrázoljuk, kb így viszonyul a kvarc (kék) és egy LC-tag (piros) Q-ja:
Természetesen sokféle kvarckristály létezik. Aszerint, hogy az eredeti kristályból milyen irányban hasítják ki és milyen méretben készítik el, befolyásolni lehet rezonálásának módját, ezzel a tulajdonságait. Például a rezonancia-frekvenciáját, a hőfokfüggését, elektromos tulajdonságait.
Akár már 1db tranzisztorral is építhető kvarc oszcillátor.
Vagy 1 db logikai kapuval
Sokszor a kristályt egybe tokozzák az elektronikával.
Ha különleges stabilitásra van szükség, termosztátba helyezik. Ebben egy elektronika állandó hőmérsékleten tartja a kristályt.
A frekvencia-szintézer
A kvarc mellett a másik lehetőség az órajelek előállítására a feszültség vezérelt oszcillátor, ami néhány logikai kapuból, ellenállásból és kondenzátorból elkészíthető.
Ennek angol neve Voltage Controlled Oscillator, röviden VCO.
A VCO úgy működik, hogy a bemenetre adott egyre nagyobb feszültség hatására a C kondenzátor egyre rövidebb idő alatt töltődik fel, így egyre nagyobb a kimeneti frekvencia.
Ezzel ugyan bármilyen frekvenciát előállíthatunk, de az nem stabil. Érzékeny a feszültség-ingadozásokra, az alkatrészek pontosságának szórására, hőmérsékletre, az alkatrészek öregedésére, stb. Tehát van egy stabil kvarc-oszcillátorunk max 75 MHz-cel, és van egy VCO-nk, ami gigaherzeket is tudhat, de nem stabil. Ezekből kellene összehoznunk valamit, egyesítve mindkettő kedvező tulajdonságait.
A fáziszárt hurok, vagyis PLL
A megoldást a fáziskomparátor jelenti. Ez is mindössze néhány kapuból áll. A következő a működése: ha a kvarc jele jön be előbb, akkor a hiba idejére a K1 bekapcsolásával növeli a C1 kondenzátort feszültségét, ezzel növeli a VCO bemenő feszültségét, vagyis a frekvenciát. Ha a VCO jele jön be előbb, a K2 kapcsol be, csökkenti C1 feszültségét, ezzel a VCO frekvenciáját. Ha nincs hiba, egyik kapcsoló sem kapcsol, a C1 feszültsége változatlan marad. Ez az alábbi ábrán látható:
Ezzel a megoldással kvarc-pontosságúvá tettük a VCO-t (és a két rezgés is szinkronban van, fázishelyesek), csak 1 baj van vele: pont ugyanazt a frekvenciát állítja elő, mint a kvarc. Ahhoz, hogy nagyobb frekvenciát állítsunk elő, be kell csapnunk a komparátort egy osztóval. (Egyből egy programozható osztót rajzoltam be.) Így a VCO kimenő frekvenciája annyiszorosa lesz a kvarc frekvenciájának, amennyi az osztó értéke. 1MHz-es kvarcnál, és 8 bites osztónál 1 és 255MHz-es tartományban, 1MHz-es lépésekben állítható lett a frekvencia. (Tulajdonképpen, már elő is állítottuk az FSB-t.)
Most már csak a Bios megfelelő regisztereibe be kell írni a szorzási arányokat. Az én alaplapom kb. így néz ki (HT nélkül):
Ezt a megoldást használják a rádiókban és tévékben is (digitálisan hangolt tunerek), mikor csatornát keresünk/kiválasztunk.
Egy tipikus 50ft-os IC blokkvázlata, mely tartalmazza a fáziskomparátor-VCO párost.
Ennek kicsit továbbfejlesztett változata, részletesebb blokkvázlattal.
---------------------------------------------------------------------------------------------
