/ / Kvarts krystalloscillator og kvarts krystaller

Quartz Crystal Oscillator og Quartz Krystaller

oscillator

Noen av faktorene som påvirker frekvensenstabiliteten til en oscillator inkluderer vanligvis: variasjoner i temperatur, variasjoner i belastningen, samt endringer i dens likestrømspenning for å nevne noen få.

Frekvensstabiliteten til utgangssignalet kan værekraftig forbedret ved riktig valg av komponentene som brukes til resonans tilbakekoblingskretsen, inkludert forsterkeren. Men det er en grense for stabiliteten som kan fås fra normale LC og RC tankkretser.

quart krystalloscillator

Quart Crystal
oscillator

For å oppnå et meget høyt nivå av oscillatorstabilitet a Kvartskrystall er vanligvis brukt som frekvensbestemmelsesinnretningen for å frembringe en annen type oscillatorkrets kjent generelt som en Quartz Crystal Oscillator, (XO).

Når en spenningskilde påføres et lite tynt stykke kvartskrystall, begynner det å forandre form som frembringer en kjennetegn som er kjent som Piezo-elektrisk effekt. Denne Piezo-elektriske effekten er egenskapen til akrystall hvorved en elektrisk ladning gir en mekanisk kraft ved å forandre krystallets form og omvendt, gir en mekanisk kraft påkrystallisert en elektrisk ladning.

Deretter kan piezo-elektriske enheter klassifiseres somTransdusere som de konverterer energi av ett slag til energi fra en annen (elektrisk til mekanisk eller mekanisk til elektrisk). Denne piezo-elektriske effekten produserer mekaniske vibrasjoner eller svingninger som kan brukes til å erstatte standard LC tankkretsen i de forrige oscillatorene.

Det er mange forskjellige typer krystallstoffer som kan brukes som oscillatorer med de viktigste av disse for elektroniske kretser er kvartsmineralene, delvis skyldes deres større mekaniske styrke.

Kvartskrystallet som brukes i a Quartz Crystal Oscillator er et veldig lite, tynt stykke eller skiver av skjærekvarts med de to parallelle flatene metallisert for å gjøre de nødvendige elektriske tilkoblingene. Den fysiske størrelsen og tykkelsen til et stykke kvartskrystall styres tett, da det påvirker den endelige eller grunnleggende frekvensen av svingninger. Den grunnleggende frekvensen kalles vanligvis krystallene "karakteristisk frekvens".

Når kuttet og formet, kan krystallet ikke brukes til noen annen frekvens. Med andre ord bestemmer størrelsen og formen sin grunnleggende svingningsfrekvens.

Krystallene karakteristiske eller karakteristiskefrekvensen er omvendt proporsjonal med dens fysiske tykkelse mellom de to metalliserte overflatene. En mekanisk vibrerende krystall kan representeres av en ekvivalent elektrisk krets bestående av lav motstand R, en stor induktans L og liten kapasitans C som vist nedenfor.

Quartz Crystal Equivalent Model

quart krystallmodell

Den tilsvarende elektriske kretsen for kvartskrystall viser en serie RLC krets, som representerer de mekaniske vibrasjoner av krystallet, parallelt med en kapasitans, Cp som representerer de elektriske forbindelsene til krystallet. Kvarts krystalloscillatorer har en tendens til å operere mot deres "serie resonans".

Den ekvivalente impedansen til krystallet har aSerieresonans der Cs resonanserer med induktans, Ls ved driftsk frekvensen av krystaller. Denne frekvensen kalles krystallseriens frekvens, ƒs. I tillegg til denne seriefrekvensen er det et andre frekvenspunkt etablert som et resultat av parallellresonansen opprettet når Ls og Cs resonanserer med den parallelle kondensator Cp som vist.

Krystallimpedans mot frekvens

kvartskrystallimpedans
kvarts krystall impedans formel

Hellingen av krystallerimpedansen ovenfor viserdet som frekvensen øker over sine terminaler. Ved en bestemt frekvens skaper samspillet mellom serie kondensatoren Cs og induktoren Ls en serie resonans krets som reduserer krystallimpedansen til et minimum og lik Rs. Dette frekvenspunktet kalles krystallseriens resonansfrekvens ƒs og under ƒs krystallet er kapasitivt.

Som frekvensen øker over denne serienresonanspunkt, oppfører krystallet seg som en induktor til frekvensen når sin parallelle resonansfrekvens ƒp. På dette frekvenspunktet skaper samspillet mellom serieinduktoren, Ls og parallell kondensatoren, Cp en parallelljustert LC tankkrets, og som sådan når impedansen over krystallet sin maksimale verdi.

Da kan vi se at en kvartskrystall er akombinasjon av en serie og parallelt innstilt resonanskretser, oscillerende ved to forskjellige frekvenser med den svært små forskjellen mellom de to, avhengig av krystallskjæringen. Også, siden krystallet kan operere ved enten sin serie eller parallelle resonansfrekvenser, må en krystalloscillatorkrets justeres til en eller annen frekvens som du ikke kan bruke begge sammen.

Så avhengig av kretsegenskapene, aKvartskrystall kan virke som enten en kondensator, en induktor, en serie resonanskrets eller som en parallell resonanskrets og for å demonstrere dette tydeligere, kan vi også plotte krystallene reaktansen mot frekvens som vist.

Krystallreaktans mot frekvens

kvartskrystallreaktans
kvartskrystallreaktansformel

Hastigheten av reaktansen mot frekvensovenfor, viser at seriereaktansen ved frekvensen ƒs er omvendt proporsjonal med Cs fordi under ƒs og over ƒp krystallet ser ut til å være kapasitiv. Mellom frekvensene ƒs og ƒp vises krystallet induktivt da de to parallelle kapasitansene avbrytes.

Da er formelen for krystalseriens resonansfrekvens, ƒs gitt som:

Serie Resonant Frekvens

serie resonans ligning

Parallellresonansfrekvensen, ƒp oppstår når reaktansen av serie LC-benet er lik reaktansen til den parallelle kondensatoren, Cp og er gitt som:

Parallell resonansfrekvens

parallell resonansligning

Quart Crystal Oscillator Eksempel No1

En kvartskrystall har følgende verdier: Rs = 6.4Ω, Cs = 0,09972pF og Ls = 2,546mH. Hvis kapasitansen over sin terminal, måles Cp til 28,68pF, Beregn den grunnleggende oscillerende frekvensen til krystallet og dens sekundære resonansfrekvens.

Krystaller-serien resonansfrekvens, ƒS

oscillatorserie resonansfrekvens

Krystallens parallelle resonansfrekvens, ƒP

oscillatorer parallell resonans frekvens

Vi kan se at forskjellen mellom ƒs, thekrystallets grunnfrekvens og ƒp er liten på ca 18kHz (10.005MHz - 9.987MHz). I løpet av dette frekvensområdet er Q-faktorens (kvalitetsfaktor) av krystallet imidlertid ekstremt høyt fordi inductansen til krystallet er mye høyere enn dens kapasitive eller resistive verdier. Q-faktoren av vår krystall ved serieresonansfrekvensen er gitt som:

Krystalloscillatorer Q-faktor

krystall oscillator q faktor

Da er Q-faktoren av vårt krystalleksempel, omtrent 25 000, på grunn av denne høye XL/ R-forholdet. Q-faktoren for de fleste krystaller ligger i området 20.000 til 200.000 sammenlignet med en god LC-tunertankkrets vi så på tidligere, som vil være mye mindre enn 1000. Denne høye Q-faktorverdien bidrar også til en høyere frekvensstabilitet av krystallet ved sin driftsfrekvens, noe som gjør det ideelt å konstruere krystalloscillatorkretser.

Så vi har sett at en kvartskrystall har aresonansfrekvens ligner den for en elektrisk justert LC-tankkrets, men med en mye høyere Q-faktor. Dette skyldes hovedsakelig sin lave serie motstand, Rs. Som et resultat er kvartskrystaller et utmerket komponentvalg for bruk i oscillatorer, spesielt svært høyfrekvente oscillatorer.

Typiske krystalloscillatorer kan variere ioscillasjonsfrekvenser fra ca. 40 kHz til godt over 100 MHz, avhengig av deres kretskonfigurasjon og forsterkningsenheten som benyttes. Klippet av krystallet bestemmer også hvordan det vil oppføre seg da noen krystaller vil vibrere ved mer enn en frekvens, og produserer ytterligere svingninger som kalles overtoner.

Også, hvis krystallet ikke er av en parallell ellerensartet tykkelse kan det ha to eller flere resonansfrekvenser, begge med en grunnfrekvens som produserer det som kalles og harmoniske, som andre eller tredje harmoniske.

Generelt om det fundamentale oscillerendefrekvensen for en kvartskrystall er mye sterkere eller uttalt enn den av og sekundære harmoniske rundt det, så dette ville være det som ble brukt. Vi har sett i grafene ovenfor at en krystallekvivalent krets har tre reaktive komponenter, to kondensatorer pluss en induktor, så det er to resonansfrekvenser, den laveste er en serie resonansfrekvens og den høyeste er parallellresonansfrekvensen.

Vi har sett i de tidligere opplæringene at en forsterkerkrets vil svinge hvis den har en sløyfe som blir større eller lik en og tilbakemeldingen er positiv. I en Quartz Crystal Oscillator krets oscillatoren vil oscillere ved krystallens grunnleggende parallelle resonansfrekvens som krystallet alltid vil oscillere når en spenningskilde blir påført den.

Imidlertid er det også mulig å "tune" en krystalloscillator til en hvilken som helst harmonisk av grunnfrekvensen (2., 4., 8. etc.), og disse er generelt kjent som Harmoniske oscillatorer samtidig som Overtone oscillatorer vibrere ved odde multipler av grunnfrekvensen, 3., 5., 11. osv.). Vanligvis gjør krystalloscillatorer som opererer ved overtonfrekvenser ved hjelp av deres serieresonansfrekvens.

Colpitts Quartz Crystal Oscillator

Krystall oscillator kretser er generelt konstruert ved hjelp av bipolartransistorer eller FETer. Dette skyldes at selv om operasjonsforsterkere kan brukes i mange forskjellige lavfrekvente (≤100kHz) oscillatorkretser, har operasjonsforsterkere bare ikke båndbredden til å fungere vellykket ved høyere frekvenser egnet til krystaller over 1MHz.

Utformingen av a Crystal Oscillator er veldig lik designen til ColpittsOscillator vi så på i den tidligere opplæringen, bortsett fra at LC-tankkretsen som gir tilbakemeldingssvingningene, er blitt erstattet av en kvartskrystall som vist nedenfor.

Colpitts Crystal Oscillator

colpitts krystalloscillator

Denne typen Krystalloscillatorer er designet rundt en felles samler (emitter-følger) forsterker. R1 og R2 motstandsnett setter DC bias nivået på basen mens emitter motstand RE setter utgangsspenningsnivået. Motstand R2 er satt så stor som mulig for å forhindre lasting til parallellkoblet krystall.

Transistoren, en 2N4265 er en generell formål NPNtransistor koblet til i en felles kollektor konfigurasjon og er i stand til å operere ved byttehastigheter på over 100 MHz, godt over krystallets grunnfrekvens som kan være mellom 1MHz og 5MHz.

Kretsdiagrammet over av Colpitts Crystal Oscillator krets viser at kondensatorer, C1 og C2 shuntutgangen fra transistoren som reduserer tilbakemeldingssignalet. Derfor begrenser forsterkningen av transistoren maksimalverdiene for C1 og C2. Utgangseamplituden bør holdes lav for å unngå overdreven strømfordeling i krystallet, ellers kan det ødelegge seg ved overdreven vibrasjon.

Pierce Oscillator

En annen vanlig design av kvartskrystalloscillatoren er den av Pierce Oscillator. Pierce-oscillatoren er veldig lik design i forhold til den tidligere Colpitts-oscillatoren og passer godt til å implementere krystalloscillatorkretser ved hjelp av en krystall som en del av tilbakekoblingskretsen.

Pierce-oscillatoren er først og fremst en serieresonant tuned krets (i motsetning til parallell resonans krets av Colpitts oscillator) som bruker en JFET for sin hovedforsterkende enhet som FETs gir svært høye inngang impedanser med krystall koblet mellom Drain og Gate via kondensator C1 som vist nedenfor.

Pierce Crystal Oscillator

pierce krystalloscillator

I denne enkle kretsen bestemmer krystalletfrekvensen av svingninger og opererer ved sin serie resonansfrekvens, ƒs gir en lav impedansbane mellom utgang og inngang. Det er en 180o faseskift ved resonans, noe som gjør tilbakemeldingen positiv. Amplituden til utgangssinusbølgen er begrenset til maksimalt spenningsområde ved Drain-terminalen.

Motstand, R1 styrer mengden av tilbakemelding ogkrystallstasjon mens spenningen over radiofrekvensdrossen reverserer RFC under hver syklus. De fleste digitale klokker, klokker og tidtakere bruker en Pierce Oscillator i en eller annen form som den kan implementeres ved hjelp av minimumskomponenter.

I tillegg til å bruke transistorer og FET, kan viLag også en enkel, grunnleggende parallellresonant krystalloscillator som er like i drift til Pierce-oscillatoren ved å bruke en CMOS-omformer som forsterkningselement. Den grunnleggende kvartskrystalloscillatoren består av en enkelt inverterende Schmitt-utløserlogisk gate som TTL 74HC19 eller CMOS 40106, 4049-typer, en induktiv krystall og to kondensatorer. Disse to kondensatorene bestemmer verdien av krystallens lastkapasitans. Seriemotstanden bidrar til å begrense drivstrømmen i krystallet og isolerer også omformerens utgang fra den komplekse impedansen som dannes av kondensator-krystallnett.

CMOS krystalloscillator

cmos krystalloscillator

Krystallet svinger på sin serieresonansFrekvens. CMOS-omformeren er i utgangspunktet forspent inn i midten av operasjonsområdet ved tilbakemelding motstanden, R1. Dette sikrer at omformerenes Q-punkt er i en region med høy forsterkning. Her brukes en 1MΩ verdi motstand, men verdien er ikke kritisk så lenge den er mer enn 1MΩ. En ekstra inverter brukes til å buffere utgangen fra oscillatoren til den tilkoblede belastningen.

Omformeren gir 180o av faseskift og krystallkondensatornettverket ytterligere 180o kreves for svingning. Fordelen med CMOS krystalloscillatoren er at den alltid vil automatisk justere seg selv for å opprettholde denne 360o faseskift for oscillasjon.

I motsetning til tidligere transistorbaserte krystalloscillatorer som produserte en sinusformet utgangsbølgeform, da CMOS-omformerens oscillator bruker digitale logiske porter, er utgangen en firkantbølge som svinger mellom HIGH og LOW. Naturligvis avhenger maksimal driftsfrekvens av bryteegenskapene til den logiske porten som benyttes.

Mikroprosessor Krystall Quartz Klokker

Vi kan ikke fullføre en Quartz Crystal Oscillators opplæring uten å nevne noe om mikroprosessor krystallklokker. Nesten alle mikroprosessorer, mikrokontrollere, PICs og CPU'er opererer generelt ved bruk av a Quartz Crystal Oscillator som sin frekvensbestemmende enhet for å genererederes klokkebølgeform fordi, som vi allerede vet, gir krystalloscillatorer den høyeste nøyaktigheten og frekvensstabiliteten sammenlignet med motstandskondensator-, (RC )- eller induktor-kondensator- (LC) oscillatorer.

CPU-klokken dikterer hvor raskt prosessoren kankjøre og behandle dataene med en mikroprosessor, PIC eller mikrokontrolleren som har en klokkehastighet på 1MHz betyr at den kan behandle data internt en million ganger per sekund ved hver klokke syklus. Generelt er alt som trengs for å produsere en mikroprosessor klokkebølgeform en krystall og to keramiske kondensatorer av verdier som varierer mellom 15 og 33pF som vist nedenfor.

Mikroprosessor Oscillator

mikroprosessor kvartskrystalloscillator

De fleste mikroprosessorer, mikrokontroller og PICshar to oscillatorstifter merket OSC1 og OSC2 for å koble til en ekstern kvartskrystallkrets, standard RC-oscillatornettverk eller til og med en keramisk resonator. I denne typen mikroprosessorapplikasjon Quartz Crystal Oscillator produserer et tog med kontinuerlige firkantbølgeimpulserhvis grunnfrekvens styres av selve krystallet. Denne grunnfrekvensen regulerer strømmen av instruksjoner som styrer prosessorenheten. For eksempel, master klokken og system timing.

Quart-krystalloscillatoreksempel nr2

En kvartskrystall har følgende verdier etter å ha blitt kuttet, Rs = 1kΩ, Cs = 0,05pF, Ls = 3H og Cp = 10pF. Beregn krystallene og parallelle oscillerende frekvenser.

Seriens oscillerende frekvens er gitt som:

kvarts krystall serie oscillation frekvens

Den parallelle oscillerende frekvensen er gitt som:

kvartskrystall parallell oscillasjonsfrekvens

Deretter vil frekvensen av svingning for krystallet være mellom 411kHz og 412kHz.

Kommentarer (0)
Legg til en kommentar