/ Kvarcni kristalni oscilator i kvarcni kristali

Kvarcni kristalni oscilator i kvarcni kristali

Oscilator

Neki od čimbenika koji utječu na frekvencijustabilnost oscilatora općenito uključuju: varijacije temperature, varijacije u opterećenju, kao i promjene u naponu istosmjernog napajanja kako bismo naveli nekoliko.

Frekvencijska stabilnost izlaznog signala može bitiuvelike poboljšan pravilnim odabirom komponenti koje se koriste za rezonantni povratni krug, uključujući pojačalo. No, postoji granica stabilnosti koja se može dobiti iz normalnih LC i RC spremnika krugova.

kvartni kristalni oscilator

Quart Crystal
Oscilator

Za postizanje vrlo visoke razine stabilnosti oscilatora a Kvarcni kristal općenito se koristi kao uređaj za određivanje frekvencije za proizvodnju drugih tipova oscilatorskog kruga općenito poznatog kao a Kvarcni kristalni oscilator, (XO).

Kada se naponski izvor primijeni na mali tanki komad kristala kvarca, on počinje mijenjati oblik, proizvodeći karakteristiku poznatu kao Piezo-električni efekt, Ovaj piezoelektrični efekt je svojstvo akristal kojim električni naboj proizvodi mehaničku silu promjenom oblika kristala i obratno, mehanička sila primijenjena na kristal proizvodi električni naboj.

Tada se piezo-električni uređaji mogu klasificirati kaoPretvarači pretvaraju energiju jedne vrste u energiju druge (električna ili mehanička ili električna). Ovaj piezo-električni efekt proizvodi mehaničke vibracije ili oscilacije koje se mogu koristiti za zamjenu standardnog kruga LC spremnika u prethodnim oscilatorima.

Postoji mnogo različitih vrsta kristalatvari koje se mogu koristiti kao oscilatori s najvažnijim od tih za elektroničke sklopove koji su kvarcni minerali, djelomično zbog njihove veće mehaničke čvrstoće.

Kvarcni kristal koji se koristi u a Kvarcni kristalni oscilator je vrlo mali, tanak komadić ili pločica rezanjakvarc s dvije paralelne površine metalizirane kako bi se postigle potrebne električne veze. Fizička veličina i debljina komada kristala kvarca čvrsto se kontrolira jer utječe na konačnu ili temeljnu frekvenciju oscilacija. Osnovna frekvencija se općenito naziva kristalima "karakteristična frekvencija".

Nakon rezanja i oblikovanja, kristal se ne može koristiti ni na jednoj drugoj frekvenciji. Drugim riječima, njegova veličina i oblik određuju njegovu temeljnu frekvenciju oscilacija.

Karakteristike ili karakteristike kristalafrekvencija je obrnuto proporcionalna njegovoj fizičkoj debljini između dvije metalizirane površine. Mehanički vibrirajući kristal može biti predstavljen ekvivalentnim električnim sklopom koji se sastoji od niskog otpora R, velike induktivnosti L i malog kapaciteta C kao što je prikazano dolje.

Kvarcni kristalno ekvivalentni model

model kristala kvartova

Ekvivalentni električni krug za kvarckristal pokazuje serijski RLC krug, koji predstavlja mehaničke vibracije kristala, paralelno s kapacitetom, Cp koji predstavlja električne veze s kristalom. Oscilatori kristala kvarca nastoje djelovati prema svojoj "serijskoj rezonanci".

Ekvivalentna impedancija kristala ima arezonancija serija gdje Cs rezonira s induktivnošću, Ls na radnoj frekvenciji kristala. Ta se frekvencija naziva frekvencija serije kristala, .s. Kao i ova serijska frekvencija, postoji druga frekvencijska točka koja je uspostavljena kao rezultat paralelne rezonance stvorene kada Ls i Cs rezoniraju s paralelnim kondenzatorom Cp kako je prikazano.

Kristalna impedancija protiv frekvencije

impedancija kvarcnog kristala
formula impedancije kristala kvarca

Pokazuje se nagib iznad impedancije kristalada se frekvencija povećava preko svojih terminala. Na određenoj frekvenciji, interakcija između serijskih kondenzatora Cs i induktora Ls stvara serijski rezonantni krug koji smanjuje impedanciju kristala na minimum i jednak je Rs. Ta se frekvencijska točka naziva rezonantnom frekvencijom serije kristala, a ispod je kristal kapacitivan.

Kako se frekvencija povećava iznad ove serijerezonantna točka, kristal se ponaša kao induktor sve dok frekvencija ne dosegne svoju paralelnu rezonantnu frekvenciju .p. Na toj frekvencijskoj točki interakcija između serijskog induktora, Ls i paralelnog kondenzatora, Cp stvara paralelno podešen LC krug spremnika i kao takva impedancija kroz kristal doseže svoju maksimalnu vrijednost.

Tada možemo vidjeti da je kristal kvarcakombinacija niza i paralelno podešenih rezonancijskih krugova, oscilirajući na dvije različite frekvencije s vrlo malom razlikom između njih, ovisno o rezu kristala. Također, budući da kristal može raditi ili na svojim serijskim ili paralelnim rezonantnim frekvencijama, sklop kristalnog oscilatora treba biti podešen na jednu ili drugu frekvenciju, kao što ne možete koristiti oba zajedno.

Dakle, ovisno o karakteristikama kruga, aKvarcni kristal može djelovati ili kao kondenzator, kao induktor, serijski rezonantni krug ili kao paralelni rezonantni krug i kako bi se to pokazalo jasnije, možemo također iscrtati reaktanciju kristala prema frekvenciji kao što je prikazano.

Reakcija kristala protiv frekvencije

reaktancija kvarcnog kristala
formula reaktancije kristala kvarca

Nagib reaktancije prema frekvencijigore, pokazuje da je reaktancija serije na frekvenciji iss obrnuto proporcionalna Cs jer se ispod ands i iznad thep kristal pojavljuje kapacitivan. Između frekvencija ands i ,p, kristal se pojavljuje induktivan kako se dvije paralelne kapacitivnosti poništavaju.

Tada je formula za rezonantnu frekvenciju serije kristala, iss dana kao:

Serijska rezonantna frekvencija

jednadžba rezonancije serija

Paralelna rezonantna frekvencija occursp nastaje kada je reaktancija serije noža jednaka reaktanciji paralelnog kondenzatora, Cp i daje se kao:

Paralelna rezonantna frekvencija

jednadžba paralelne rezonancije

Primjer br. Kristalnog kristala br

Kristal kvarca ima sljedeće vrijednosti: RS = 6.4Ω, Cs = 0.09972pF i Ls = 2.546 mH. Ako je kapacitet preko njegova terminala, Cp se mjeri na 28.68pF, Izračunajte temeljnu oscilirajuću frekvenciju kristala i njegovu sekundarnu frekvenciju rezonance.

Rezonantna frekvencija serije kristala,S

oscilatori serije rezonantne frekvencije

Paralelna rezonantna frekvencija kristala,P

oscilatori paralelne frekvencije rezonancije

Možemo vidjeti da je razlika između s, thetemeljna frekvencija kristala i isp je mala na oko 18kHz (10.005MHz - 9.987MHz). Međutim, tijekom tog frekvencijskog raspona, Q-faktor (faktor kvalitete) kristala je izuzetno visok, jer je induktivnost kristala mnogo veća od njegove kapacitivne ili otporničke vrijednosti. Q-faktor našeg kristala na serijskoj rezonantnoj frekvenciji daje se kao:

Q-faktor kristalnog oscilatora

faktor q kristalnog oscilatora

Tada je Q-faktor našeg primjera kristala, oko 25.000, zbog tog visokog XL/ R omjer. Q-faktor većine kristala je u području od 20.000 do 200.000 u usporedbi s dobrim sklopom spremnika za LC koji smo ranije pogledali i koji će biti znatno manji od 1.000. Ta visoka vrijednost Q-faktora također pridonosi većoj stabilnosti kristala na njegovoj radnoj frekvenciji, što ga čini idealnim za izgradnju krugova kristalnog oscilatora.

Vidjeli smo da kristal kvarca imarezonantna frekvencija slična onoj kod električno podešenog kruga LC spremnika, ali s mnogo većim Q faktorom. To je uglavnom zbog niskog otpora serije, Rs. Kao rezultat, kvarcni kristali čine odličan izbor komponenti za uporabu u oscilatorima, osobito oscilatorima visoke frekvencije.

Tipični kristalni oscilatori mogu se kretati ufrekvencije oscilacija od oko 40kHz do preko 100MHz ovisno o njihovoj konfiguraciji kruga i korištenom pojačavajućem uređaju. Rez kristala također određuje kako će se ponašati kako će neki kristali vibrirati na više od jedne frekvencije, stvarajući dodatne oscilacije zvane overtones.

Također, ako kristal nije paralelan ilijednolična debljina može imati dvije ili više rezonantnih frekvencija, i to s osnovnom frekvencijom koja proizvodi ono što se zove i harmonici, kao što su drugi ili treći harmonici.

Općenito, iako temeljno oscilirafrekvencija za kvarcni kristal je mnogo jača ili izraženija nego kod sekundarnih harmonika oko nje, tako da bi to bio onaj koji se koristi. Vidjeli smo u gornjim grafikonima da krug ekvivalentnih kristala ima tri reaktivne komponente, dva kondenzatora plus induktor, tako da postoje dvije rezonantne frekvencije, najniža je rezonantna frekvencija serije, a najviša je paralelna rezonantna frekvencija.

Vidjeli smo u prethodnim tutorialima, da će krug pojačala oscilirati ako ima veću ili jednaku dobitku petlje i povratna informacija je pozitivna. U Kvarcni kristalni oscilator krug oscilator će oscilirati na kristalima temeljne paralelne rezonantne frekvencije kao kristal uvijek želi oscilirati kada napon izvora se primjenjuje na njega.

Međutim, također je moguće "podesiti" kristalni oscilator na bilo koji čak i harmonik osnovne frekvencije, (2., 4., 8. itd.) I oni su općenito poznati Harmonički oscilatori dok Overtonski oscilatori vibriraju u neparnim višekratnicima osnovne frekvencije, 3., 5., 11. itd.). Općenito, kristalni oscilatori koji rade na frekvencijskim frekvencijama čine to pomoću njihove rezonantne frekvencije.

Colpittsov kvarcni kristalni oscilator

Krugovi kristalnog oscilatora općenito se konstruiraju pomoću bipolarnogtranzistora ili FET-ova. To je zato što se operativna pojačala mogu koristiti u mnogim različitim niskonaponskim (≤100kHz) oscilatorskim krugovima, operativna pojačala jednostavno nemaju širinu pojasa za uspješno djelovanje na višim frekvencijama koje odgovaraju kristalima iznad 1MHz.

Dizajn Kristalni oscilator vrlo je sličan dizajnu tvrtke ColpittsOscilator koji smo pogledali u prethodnom vodiču, osim što je LC sklop spremnika koji daje povratne oscilacije zamijenjen kvarcnim kristalom kao što je prikazano dolje.

Colpittsov kristalni oscilator

colpitts kristalni oscilator

Ova vrsta Kristalni oscilatori konstruirani su oko zajedničkog kolektora (emiter-sljedbenik) pojačala. R1 i R2 otpornik mreža postavlja DC pristranosti razini na bazu, a odašiljač otpornik RE postavlja razinu izlaznog napona. Otpornik R2 je postavljen što je više moguće kako bi se spriječilo punjenje na paralelno spojeni kristal.

Tranzistor, 2N4265 je opća namjena NPNtranzistor spojen u zajedničku konfiguraciju kolektora i sposoban je raditi pri preklopnim brzinama većim od 100MHz, znatno iznad kristalne temeljne frekvencije koja može biti između 1MHz i 5MHz.

Dijagram strujnog kruga iznad Colpittsov kristalni oscilator krug pokazuje da su kondenzatori, C1 i C2 šantizlaz tranzistora koji smanjuje povratni signal. Stoga, dobitak tranzistora ograničava maksimalne vrijednosti C1 i C2. Izlazna amplituda treba biti niska kako bi se izbjeglo prekomjerno trošenje energije u kristalu, jer bi se inače moglo uništiti pretjeranom vibracijom.

Pierce Oscillator

Još jedan zajednički dizajn kvarcnog kristalnog oscilatora je onaj Pierce Oscillator, Pierce oscilator je vrlo sličan u dizajnu s prethodnim Colpittsovim oscilatorom i dobro je prilagođen za primjenu kristalnih oscilatorskih krugova pomoću kristala kao dijela povratnog kruga.

Pierceov oscilator je prvenstveno serijarezonantno podešen strujni krug (za razliku od paralelnog rezonantnog kruga Colpittsovog oscilatora) koji koristi JFET za svoj glavni uređaj za pojačanje kao FET-ovi pružaju vrlo visoke ulazne impedancije s kristalom spojenim između odvoda i vrata preko kondenzatora C1 kao što je prikazano dolje.

Pierce Crystal Oscillator

probiti kristalni oscilator

U ovom jednostavnom krugu, kristal određujefrekvencija oscilacija i djeluje na svojoj rezonantnoj frekvenciji, a daje put niske impedancije između izlaza i ulaza. Postoji 180o fazni pomak pri rezonanciji, čineći povratnu informaciju pozitivnom. Amplituda izlaznog sinusnog vala ograničena je na maksimalni raspon napona na terminalu odvoda.

Otpornik, R1 kontrolira količinu povratnih informacija ikristalni pogon dok je napon na prigušnici radiofrekvencije, RFC preokreće tijekom svakog ciklusa. Većina digitalnih satova, satova i tajmera upotrebljava Pierce oscilator u nekom obliku ili na neki drugi način, budući da se može implementirati pomoću minimalnog broja komponenti.

Kao i pomoću tranzistora i FET-ova, možemoTakođer stvoriti jednostavan osnovni paralelno-rezonantni kristalni oscilator sličan u pogonu s Pierceovim oscilatorom pomoću CMOS-a kao elementa pojačanja. Osnovni kvarcni oscilator kristala sastoji se od jednog invertirajućeg Schmittovog okidačkog logičkog ulaza kao što su TTL 74HC19 ili CMOS 40106, 4049 tipovi, induktivni kristali i dva kondenzatora. Ova dva kondenzatora određuju vrijednost kapacitivnosti kristala. Serija otpornik pomaže u ograničavanju struje pogona u kristalu i izolira izlaz invertora iz kompleksne impedancije koju stvara kondenzatorska kristalna mreža.

CMOS kristalni oscilator

cmos kristalni oscilator

Kristal oscilira pri svojoj serijskoj rezonancijifrekvencija. CMOS-pretvarač je u početku uvučen u sredinu svog radnog područja pomoću povratnog otpornika R1. Time se osigurava da je Q-točka pretvarača u području visokog pojačanja. Ovdje se koristi otpornik vrijednosti 1MΩ, ali njegova vrijednost nije kritična sve dok je veća od 1MΩ. Dodatni se pretvarač koristi za baferiziranje izlaza iz oscilatora na priključeno opterećenje.

Pretvarač ima 180o faznog pomaka i kristalne kondenzatorske mreže dodatnih 180o potrebna za osciliranje. Prednost CMOS kristalnog oscilatora je u tome što će se uvijek automatski prilagoditi za održavanje ovog 360o fazni pomak za oscilaciju.

Za razliku od prethodnog kristala na bazi tranzistoraOscilatori koji proizvode sinusoidni izlazni valni oblik, budući da CMC Inverter oscilator koristi digitalna logička vrata, izlaz je kvadratni val koji oscilira između VISOKOG i NISKOG. Naravno, maksimalna radna frekvencija ovisi o karakteristikama uključivanja korištenih logičkih vrata.

Mikroprocesorski kristalni kvarcni satovi

Ne možemo završiti Kvarcni kristalni oscilatori tutorial bez spominjanja nešto o mikroprocesorskim satovima kristala. Gotovo svi mikroprocesori, mikrokontroleri, PIC-ovi i CPU-ovi općenito rade koristeći a Kvarcni kristalni oscilator kao uređaj za određivanje frekvencijenjihov sat valnog oblika jer kao što već znamo, kristalni oscilatori pružaju najveću točnost i stabilnost frekvencije u odnosu na otpornik-kondenzator, (RC) ili induktor-kondenzator, (LC) oscilator.

CPU sat diktira koliko brzo procesor možepokrenuti i obraditi podatke s mikroprocesorom, PIC-om ili mikrokontrolerom koji ima taktnu brzinu od 1MHz, što znači da može procesirati podatke interno milijun puta u sekundi na svakom taktu. Općenito, sve što je potrebno za izradu mikroprocesorskog takta je kristal i dva keramička kondenzatora vrijednosti u rasponu od 15 do 33pF kao što je prikazano ispod.

Mikroprocesorski oscilator

mikroprocesorski kvarcni kristalni oscilator

Većina mikroprocesora, mikrokontrolera i PIC-aimati dva oscilator igle označen OSC1 i OSC2 za spajanje na vanjski kvarcni krug kristala, standard RC oscilator mreže ili čak i keramički rezonator. U ovoj vrsti mikroprocesorske aplikacije Kvarcni kristalni oscilator proizvodi vlak kontinuiranih impulsa kvadratnog valačija se temeljna frekvencija kontrolira samim kristalom. Ova temeljna frekvencija regulira tijek uputa koje upravljaju procesorskim uređajem. Primjerice, glavni sat i sustav vremena.

Primjer br. Kristalnog kristala br

Kvarcni kristal ima slijedeće vrijednosti nakon rezanja: RS = lk, Cs = 0.05 pF, Ls = 3H i Cp = 10 pF. Izračunajte seriju kristala i paralelne oscilirajuće frekvencije.

Frekvencija osciliranja serije je dana kao:

frekvencija oscilacija kvarcnog kristala

Paralelna frekvencija osciliranja daje se kao:

frekvencija paralelnog osciliranja kristala kvarca

Tada će frekvencija oscilacija kristala biti između 411kHz i 412kHz.

Komentari (0)
Dodaj komentar