Кварцевый генератор на логическом инверторе 74HC04

14 сентября 2020

В продолжение темы о генераторах (см предыдущие заметки раз, два и три) было решено попробовать вариант генератора, основанный на чипах стандартной логики. Подобный генератор может быть источником тактового сигнала в логических схемах, где таймер 555 не способен обеспечить требуемую частоту или стабильность. Безусловно, найдутся и другие применения.

Существует несколько вариантов схемы. Мной был использован такой:

Схема генератора на инверторе 74HC04

Вместо 74HC04 можно использовать NAND-вентиль 74HC00. Если соединить его входы, вентиль превратится в NOT.

Генератор был спаян на макетной печатной плате:

Кварцевый генератор на логическом инверторе

Неиспользованные входы 74HC04 притянуты к земле. Без настройки генератор может выдавать какую угодно частоту или вовсе не стартовать. Было найдено положение потенциометра R2, при котором получались требуемые 2 МГц. Сопротивление оказалось небольшим, ~40 Ом. Также выяснилось, что генератор работает и при меньших сопротивлениях. Поэтому на фото R2 вы не найдете. Вместо него в схеме стоит перемычка.

Rigol DS1054Z показывает такой сигнал:

Выход кварцевого генератора на 74HC04

Цена деления по вертикали — 1 В. Хоть верхушка сигнала и получилась кривовата, вся кривизна попадает в интервал 4.5-5 В. В логических схемах это не должно быть проблемой. Генератор проявил стабильность при нагреве и охлаждении.

Тыкая щупом осциллографа в разные участки цепи мне удавалось либо сорвать работу генератора, либо сделать так, чтобы при подаче питания он стартовал не на той частоте. Это не означает, что схема не работает. В конце концов, нечего вносить паразитную емкость в генератор! Однако другие схемы, которые я пробовал, такой проблемы не имели.

Также генератор сходит с ума при нагрузке на 50 Ом. Его можно понять, поскольку выходной импеданс не очень понятно какой, а его рассогласование приводит к отражению сигнала от нагрузки. Подключение генератора через аттенюатор на 6 дБ позволяет обойти эту проблему ценой снижения уровня сигнала.

Для сравнения рассмотрим готовый кварцевый генератор на частоту 2 МГц:

Четырехногий кварцевый генератор на 2 МГц

Из четырех пинов используется только три — один под землю, второй под питание 5 В, и третий под выход генератора. Подаем питание, и получаем чистый меандр:

Меандр с частотой 2 МГц

В отличие от предыдущего, этот генератор не капризничает. Куда щупом ни тыкай, на что ни нагружай, на выходе ровно 2 МГц. Но обойдется готовый генератор дороже, ~2.7$ против ~1$ за CMOS-генератор. Выбор частот более ограничен по сравнению с самодельным генератором.

CMOS-генератор был опробован с Y1, замененным на кварцы 10 МГц и 25 МГц. В обоих случаях генератор ведет себя лучше версии на 2 МГц. Он стабильно выдает ~12.5 dBm в нагрузку 50 Ом на основной гармонике. Сбить генератор не удается. При его нагреве / охлаждении частота уплывает не более, чем на 15 Гц. С ростом частоты форма сигнала все меньше напоминает меандр.

Как видите, приведенная схема имеет особенности. Тем не менее, ей найдутся свои области применения.

Метки: .