Тактовий генератор: пристрій, принцип роботи, застосування

23 0 Новини високих технологій

Тактовий генератор – електронна схема, що виробляє тактовий сигнал для синхронізації роботи цифрових схем. Такий сигнал може мати будь-яку форму: і просту прямокутну, і більш складну. Основними елементами генератора є резонансна схема і підсилювач.

Тактові сигнали

В електроніці, в особливості в синхронних цифрових мережах, тактовий сигнал – це сигнал, що має постійну частоту, два стійких стани (верхнє і нижнє), призначених для узгодження роботи цифрових схем.
Тактовий генератор: пристрій, принцип роботи, застосування
Тактові сигнали створюються тактовими генераторами. Найбільш поширеною формою тактового сигналу є меандр (сигнал з робочим циклом 50%). Робочий цикл – відношення тривалості періоду імпульсу. Іншими словами, це частина періоду, протягом якого сигнал активний.


Схеми, що використовують тактові сигнали, можуть ставати активними під час переднього фронту, заднього фронту, або, у разі подвоєною швидкістю передачі даних, переднього і заднього фронтів імпульсу.

Принцип формування тактового сигналу

Тактовий генератор: пристрій, принцип роботи, застосування
Джерелом тактових коливань є кварцовий кристал, розташований в олов'яній корпусі. При подачі на кварцову пластинку напруги, він починає здійснювати механічні коливання. Під дією п'єзоелектричного ефекту на електродах кристала наводиться ЕРС. Коливання електроструму йдуть на генератор, який, власне, і перетворює їх в імпульси.

Генератор тактових імпульсів для комп'ютера

У комп'ютері генератор відповідає за синхронну роботу всіх його пристроїв: процесора, оперативної пам'яті, шин даних. Роботу процесору при цьому можна порівняти з роботою годин. Виконання інструкції центральним процесором здійснюється за певну кількість тактів. Точно також функціонують і годинник. Такти у механічних годинниках визначаються коливаннями маятника.


Продуктивність процесора безпосередньо залежить від частоти тактів. Чим більше частота тактів, тим більше інструкцій процесор здатний виконати за певний проміжок часу. Одна команда або інструкція може виконуватися процесором за частину такту або за кілька сотень тактів. Загальна тенденція сучасного розвитку комп'ютерної техніки полягає в зниженні кількості тактів, виділяються для виконання однієї найпростішої інструкції.
Тактовий генератор: пристрій, принцип роботи, застосування

Оверклокінг

Особливий інтерес тактовий генератор процесора становить для оверклокерів. До оверклокерам відносять фахівців в області комп'ютерних технологій і просто любителів, що прагнуть підвищити продуктивність своєї техніки. В даний час оверклокінг доступний навіть простим користувачам. Для зміни налаштувань компонентів комп'ютера іноді досить просто зайти в BIOS. Передусім необхідно відповісти на запитання: за рахунок чого буде підвищуватися продуктивність? Тут все дуже просто. Виробники комп'ютерних комплектуючих для підвищення надійності своїх компонентів закладають в них технологічний запас. Саме цей запас і приваблює любителів вичавити максимум зі свого комп'ютера. Одним із способів розгону комп'ютера буде заміна кварцового резонатора на кристал, який має більш високу частоту. Або, наприклад, можна прибрати додаткові елементи у вигляді дільників частоти з схеми генератора.
У сучасних комп'ютерах генератори, як правило, реалізуються на одній інтегральній схемі. Значення тактової частоти і множника процесора, як вже було зазначено вище, можна змінити безпосередньо з BIOS. Початківці оверклокери нерідко задаються питанням, як визначити модель тактового генератора. Програмними засобами це зробити неможливо. Залишається тільки відкривати системний блок і шукати генератор візуально. З іншого боку, програмним способом визначається модель материнської плати (AIDA64 Everest і інші). Потім для даної моделі шукається детальна інструкція, а в ній цілком можливо буде знайти інформацію про назву генератора. А як дізнатися для тактового генератора значення тактової частоти, встановлене за замовчуванням, і значення після розгону? Ці відомості можна почерпнути з інструкції для материнської плати.

Основні елементи

Тактовий генератор: пристрій, принцип роботи, застосування
Як резонансної схеми генератора часто виступає кварцовий п'єзо-електричний збудник. В той же час можуть використовуватися більш прості схеми паралельного резонансного контуру і RC-ланцюг (схема складається з конденсатора і резистора). Генератор може мати додаткові схеми для зміни основного сигналу. Так процесор 8088 використовує лише дві третини від робочого циклу тактового сигналу. Це вимагає наявності в генератор тактових імпульсів. І вбудованою логічної схеми для перетворення робочого циклу.
По мірі ускладнення форми вихідного синхросигналу в схемі генератора тактових імпульсів можуть використовуватися змішувач, дільник або помножувач частоти. Змішувач частоти генерує сигнал, частота якого дорівнює сумі або різниці двох частот вхідних сигналів.

Схема фазового автопідстроювання частоти

Багато пристроїв використовують схеми фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ) для порівняння фази сигналу з виходу генератора з фазою частоти і регулювання частоти генератора таким чином, щоб значення фаз збіглися.
Тактовий генератор: пристрій, принцип роботи, застосування
На малюнку наведена схема фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ). Пристрій порівняння фаз (компаратор) має 2 входи і 1 вихід. В якості вхідних сигналів використовується сигнал від задаючого генератора (сигнал на вході схеми ФАПЧ) і сигнал з виходу генератора, керованого напругою (ГУН). Компаратор порівнює фази двох сигналів і формує сигнал помилки, який слід на фільтр нижніх частот (ФНЧ), а з нього – на ГУН, керуючи частотою.
Тактовий генератор: пристрій, принцип роботи, застосування

Види тактових генераторів

1. Генератори загального призначення Генератори загального призначення, як правило, використовують схеми ФАПЧ для генерування вихідних сигналів із загальної вхідної частоти. Вони для отримання опорної частоти використовують прості недорогі кварцові кристали. З сигналу опорної частоти вони генерують вихідні тактові сигнали з низьким рівнем тремтіння фронту сигналу. 2. Програмовані генератори Дозволяють змінювати коефіцієнт, використовуваний дільником або помножувачем. Завдяки цьому можна вибрати будь-яку з безлічі вихідних частот без зміни апаратної частини.

Застосування генераторів синхронізуючих сигналів в мережах SONET

Це тактовий генератор, який використовується мережами постачальників послуг часто у вигляді вбудованого джерела сигналів (BITS) для центрального офісу.

Цифрові комутаційні системи і деякі системи (наприклад, системи синхронної цифрової ієрархії SONET) залежать від надійної високоякісної синхронізації. Щоб забезпечити такий стан, більшість постачальників послуг застосовують схеми розподілу сигналів синхронізації між офісами і реалізують концепцію BITS для забезпечення синхронізації всередині офісу. На вхід генератора тактової частоти надходять вхідні сигнали синхронізації, а з виходу йдуть вихідні сигнали синхронізації. В якості вхідних опорних сигналів можуть виступати сигнали синхронізації DS-1 або CC (складові сигнали), вихідними сигналами також можуть бути сигнали DS-1 або CC. Склад генератора:
  • вхідний інтерфейс синхронізації, приймає вхідні сигнали DS-1 або CC;
  • схема генерування синхросигналов, яка створює синхросигнали, використовувані схемою розподілу вихідної схемою розподілу сигналів;
  • вихідна схема розподілу сигналів синхронізації, створює безліч сигналів DS-1 і CC;
  • схема контролю характеристик, призначена для контролю параметрів синхронізації вхідних сигналів;
  • інтерфейс аварійної сигналізації, приєднаний до системи управління аварійною сигналізацією центрального офісу;
  • службовий інтерфейс, призначений для використання місцевим обслуговуючим персоналом і підтримує зв'язок з віддаленими службовими системами.