Kvarca kristāla oscilators

Mūsu iepriekšējās RC fāzes maiņas oscilatoru un Wein Bridge oscilatoru apmācības mēs gūstam patiesu priekšstatu par to, kas ir oscilators. Oscilators ir mehāniska vai elektroniska konstrukcija, kas rada svārstības atkarībā no dažiem mainīgajiem. Pareiza Labs oscilatoru rada stabilu frekvenci.

RC (rezistors-kondensators) vai RLC (rezistors-induktors-kondensators) oscilatoru gadījumā tie nav laba izvēle tur, kur nepieciešamas stabilas un precīzas svārstības. Temperatūras izmaiņas ietekmē slodzes un strāvas padeves līniju, kas savukārt ietekmē oscilatora ķēdes stabilitāti. Stabilitāti var uzlabot līdz noteiktam līmenim RC un RLC shēmu gadījumā, bet tomēr uzlabojums nav pietiekams atsevišķos gadījumos.

Šādā situācijā tiek izmantots kvarca kristāls. Kvarcs ir minerāls, kas sastāv no silīcija un skābekļa atomiem. Tas reaģē, kad kvarca kristālam tiek piemērots sprieguma avots. Tas rada raksturlielumu, kas identificēts kā pjezoelektriskais efekts. Kad tam tiek piemērots sprieguma avots, tas mainīs formu un radīs mehāniskus spēkus, un mehāniskie spēki atgriezīsies atpakaļ un radīs elektrisko lādiņu.

Tā kā tā pārveido elektrisko enerģiju par mehānisko un mehānisko par elektrisko, to sauc par pārveidotājiem. Šīs izmaiņas rada ļoti stabilu vibrāciju, un kā pjezoelektriskais efekts rada stabilas svārstības.

Kvarca kristāls un tā ekvivalenta ķēde

Tas ir kristāla oscilatora simbols. Kvarca kristāls ir izgatavots no plāna kvarca plāksnes gabala, kas cieši piestiprināts un kontrolēts starp divām paralēlām metalizētām virsmām. Metalizētās virsmas ir izgatavotas elektriskiem savienojumiem, un kvarca fiziskais lielums un blīvums, kā arī biezums tiek stingri kontrolēts, jo formas un izmēra izmaiņas tieši ietekmē svārstību frekvenci. Kad tā ir izveidota un kontrolēta, radītā frekvence ir fiksēta, pamata frekvenci nevar mainīt uz citām frekvencēm. Šo īpašo kristāla īpašo frekvenci sauc par raksturīgo frekvenci.

Augšējā attēlā kreisā ķēde apzīmē kvarca kristāla ekvivalentu ķēdi, kas parādīta labajā pusē. Kā redzam, tiek izmantoti 4 pasīvie komponenti, divi kondensatori C1 un C2 un viens induktors L1, rezistors R1. C1, L1, R1 ir savienoti virknē un C2 savienoti paralēli.

Sērijas ķēde, kas sastāv no viena kondensatora, viena rezistora un viena induktora, simbolizē kristāla un paralēlā kondensatora kontrolēto darbību un stabilas darbības, C2 apzīmē ķēdes vai līdzvērtīga kristāla paralēlo kapacitāti.

Darba frekvencē C1 rezonē ar induktivitāti L1. Šo darbības frekvenci sauc par kristālu sērijas frekvenci (fs). Šīs sērijas frekvences dēļ sekundārais frekvences punkts tiek atpazīts ar paralēlo rezonansi. L1 un C1 rezonē arī ar paralēlo kondensatoru C2. Paralēlais kondensators C2 bieži tiek aprakstīts kā C0 nosaukums un tiek saukts par kvarca kristāla šunta kapacitāti.

Kristāla izejas pretestība pret frekvenci

Ja mēs lietojam reaktivitātes formulu diviem kondensatoriem, sērijveida kondensatoram C1 kapacitatīvā reaktivitāte būs: -

X _C1 = 1 / 2πfC ₁

Kur, F = frekvence un C1 = sērijas kapacitātes vērtība.

Tā pati formula attiecas arī uz paralēlo kondensatoru, paralēlā kondensatora kapacitatīvā reaktivitāte būs: -

X _C2 = 1 / 2πfC ₂

Ja mēs redzam attiecību grafiku starp izejas impedanci pret frekvenci, mēs redzēsim impedances izmaiņas.

Augšējā attēlā mēs redzam kristāla oscilatora pretestības līkni un arī to, kā mainās šī slīpums, mainoties frekvencei. Ir divi punkti, viens ir sērijveida rezonanses frekvences punkts un otrs ir paralēls rezonanses frekvences punkts.

Pēc sērijas rezonanses frekvenci brīdī pretestība ir kļuvis minimums. Sērijas kondensators C1 un sērijas induktors L1 rada virknes rezonansi, kas ir vienāda ar sērijas rezistoru.

Tātad šajā sērijas rezonanses frekvences punktā notiks šādas lietas:

1. Impedance ir minimāla salīdzinājumā ar citiem frekvences laikiem.
2. Impedance ir vienāda ar sērijas rezistoru.
3. Zem šī punkta kristāls darbojas kā kapacitatīvā forma.

Pēc tam frekvence mainās, un slīpums lēnām palielinās līdz maksimālajam punktam paralēlajā rezonanses frekvencē, šajā laikā, pirms sasniedz paralēlo rezonanses frekvences punktu, kristāls darbojas kā virknes induktors.

Pēc paralēlā frekvences punkta sasniegšanas pretestības slīpums sasniedz maksimālo vērtību. Paralēlais kondensators C2 un sērijas induktors rada LC tvertnes ķēdi, un tādējādi izejas pretestība kļuva augsta.

Šādi kristāls izturas kā induktors vai kā kondensators virknē un paralēlā rezonanse. Kristāls var darboties abās rezonanses frekvencēs, bet ne vienlaikus. Lai to darbotos, ir jābūt pieskaņotam jebkuram konkrētam.

Kristāla reakcija pret frekvenci

Sērija pretestība no ķēdes var izmērīt, izmantojot šo formulu: -

X _S = R2 + (XL ₁ - XC ₁) ²

Kur R ir pretestības vērtība

Xl1 ir virknes induktivitāte ķēdē

Xc1 ir virknes virknes kapacitāte.

Kontūras paralēlā kapacitatīvā reaktivitāte būs: -

X _CP = -1 / 2πfCp

Paralēlā ķēdes reaktivitāte būs: -

Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp

Ja mēs redzam diagrammu, tas izskatīsies šādi: -

Kā redzams augšējā grafikā, ka virknes reaktivitāte sērijas rezonanses punktā ir apgriezti proporcionāla C1, punktā no fs līdz fp kristāls darbojas kā induktīvs, jo šajā brīdī divas paralēlas kapacitātes kļūst nenozīmīgas.

No otras puses, kristāls būs kapacitatīvā formā, kad frekvence būs ārpus fs un fp punktiem.

Izmantojot šīs divas formulas, mēs varam aprēķināt sērijas rezonanses frekvenci un paralēlo rezonanses frekvenci -

Q faktors kvarca kristālam:

Q ir īsā kvalitātes forma. Tas ir svarīgs kvarca kristālu rezonanses aspekts. Šis Q koeficients nosaka Kristāla frekvences stabilitāti. Parasti kristāla Q koeficients ir robežās no 20 000 līdz vairāk nekā 100 000. Dažreiz arī kristāla Q koeficients ir vairāk nekā 200 000.

Kristāla Q koeficientu var aprēķināt, izmantojot šādu formulu:

Q = X _L / R = 2πfsL ₁ / R

Kur X _L ir induktīvā reaktivitāte un R ir pretestība.

Kvarca kristāla oscilatora piemērs ar aprēķinu

Mēs aprēķināsim kvarca kristālu sērijas rezonanses frekvenci, paralēlo rezonanses frekvenci un kristāla kvalitātes koeficientu, kad būs pieejami šādi punkti:

R1 = 6,8R

C1 = 0,09970 pF

L1 = 3mH

Un C2 = 30 pF

Kristāla sērijas rezonanses frekvence ir -

Kristāla paralēlā rezonanses frekvence, fp ir -

Tagad mēs varam saprast, ka virknes rezonanses frekvence ir 9,20 MHz un paralēlās rezonanses frekvence ir 9,23 MHz

Šī kristāla Q koeficients būs

Colpitts kristāla oscilators

Kristāla oscilatora ķēde, kas konstruēta, izmantojot bipolāru tranzistoru vai dažāda veida FET. Augšējā attēlā parādīts kolpitsa oscilators; kapacitatīvā sprieguma dalītāju izmanto atgriezenisko saiti. Transistoram Q1 ir kopēja izstarotāja konfigurācija. Augšējā kontūrā R1 un R2 tiek izmantoti tranzistora novirzīšanai, un C1 tiek izmantots kā apvedceļa kondensators, kas aizsargā pamatni no RF trokšņiem.

Šajā konfigurācijā kristāls darbosies kā šunts savienojuma dēļ no kolektora ar zemi . Tas ir paralēlā rezonanses konfigurācijā. Kondensatori C2 un C3 tiek izmantoti atgriezeniskajai saitei. Kristāls Q2 ir savienots kā paralēla rezonanses ķēde.

Šajā konfigurācijā izejas pastiprinājums ir mazs, lai izvairītos no jaudas pārmērīgas izkliedes kristālā.

Pīrss Kristāla oscilators

Cita kvarca kristālu oscilatorā izmantotā konfigurācija, kurā tranzistors tiek mainīts uz JFET pastiprināšanai, kur JFET ir ļoti augstas ieejas pretestības, kad kristāls ir savienots Drain to Gate, izmantojot kondensatoru.

Augšējā attēlā ir parādīta Pīrss kristāla oscilatora shēma. C4 nodrošina nepieciešamo atgriezenisko saiti šajā oscilatora ķēdē. Šī atgriezeniskā saite ir pozitīva atgriezeniskā saite, kas ir 180 grādu fāzes nobīde rezonanses frekvencē. R3 kontrolē atgriezenisko saiti, un kristāls nodrošina nepieciešamo svārstību.

Pīrsinga kristāla oscilatoram ir nepieciešams minimālais komponentu skaits, un tāpēc tā ir vēlama izvēle, ja vieta ir ierobežota. Digitālais pulkstenis, taimeri un dažāda veida pulksteņi izmanto kristāla oscilatora shēmu. Izejas sinusa viļņu amplitūdas maksimumu līdz maksimuma vērtību ierobežo JFET sprieguma diapazons.

CMOS oscilators

Pamata oscilatoru, kas izmanto paralēlās rezonanses kristālu konfigurāciju, var izgatavot, izmantojot CMOS invertoru. CMOS invertoru var izmantot vajadzīgās amplitūdas sasniegšanai. Tas sastāv no Schmitt sprūda, piemēram, 4049, 40106 vai tranzistora-tranzistora loģikas (TTL) mikroshēmas 74HC19, invertēšanas.

Augšējā attēlā 74HC19N izmantots, kas darbojas kā Schmitt trigeris invertēšanas konfigurācijā. Kristāls nodrošinās nepieciešamo svārstību virknes rezonanses frekvencē. R1 ir CMOS atgriezeniskās saites rezistors un nodrošina augstu Q koeficientu ar augstu ieguvumu iespējām. Otrais 74HC19N ir pastiprinātājs, lai nodrošinātu pietiekamu jaudu slodzei.

Invertors darbojas ar 180 grādu fāzes nobīdes izeju, un Q1, C2, C1 nodrošina papildu 180 grādu fāzes nobīdi. Svārstību procesā fāzes nobīde vienmēr paliek 360 grādu.

Šis CMOS kristāla oscilators nodrošina kvadrātveida viļņu izvadi. Maksimālo izejas frekvenci nosaka CMOS invertora pārslēgšanās raksturojums. Izejas frekvenci var mainīt, izmantojot kondensatoru vērtību un rezistora vērtību. C1 un C2 vērtībām jābūt vienādām.

Pulksteņa nodrošināšana mikroprocesoram, izmantojot kristālus

Tā kā kvarca kristāla oscilatora dažādai izmantošanai ir digitālie pulksteņi, taimeri utt., Tā ir arī piemērota izvēle, lai nodrošinātu stabilu svārstību pulksteni mikroprocesorā un procesoros.

Mikroprocesoram un procesoram darbībai nepieciešama stabila pulksteņa ievade. Šajos nolūkos plaši izmanto kvarca kristālu. Kvarca kristāls nodrošina augstu precizitāti un stabilitāti salīdzinājumā ar citiem RC vai LC vai RLC oscilatoriem.

Parasti mikrokontrollerim tiek izmantota pulksteņa frekvence, vai CPU ir diapazonā no KHz līdz Mhz. Šī pulksteņa frekvence nosaka, cik ātri procesors var apstrādāt datus.

Lai sasniegtu šo frekvenci, visā attiecīgā MCU vai CPU oscilatora ieejā tiek izmantots virknes kristāls, ko izmanto ar diviem vienādas vērtības kondensatoru tīkliem.

Šajā attēlā mēs varam redzēt, ka kristāls ar diviem kondensatoriem veido tīklu un ir savienots ar mikrokontrolleru bloku vai centrālo procesoru, izmantojot OSC1 un OSC2 ieejas tapu. Parasti visi mikrokontrolleri vai procesori sastāv no šīs divas tapas. Dažos gadījumos ir pieejami divu veidu OSC tapas. Viens ir paredzēts primārajam oscilatoram pulksteņa ģenerēšanai, bet otrs - sekundārajam oscilatoram, ko izmanto citiem sekundāriem darbiem, kur nepieciešama sekundārā pulksteņa frekvence. Kondensatora vērtības diapazons ir no 10pF līdz 42 pF, plaši tiek izmantots viss, kas atrodas starp tiem, izņemot 15pF, 22pF, 33pF.