Kvarcinis kristalinis osciliatorius

Ankstesnėse „RC Phase Shift“ osciliatoriaus ir „Wein Bridge“ osciliatoriaus pamokose mes gauname teisingą idėją apie tai, kas yra osciliatorius. Osciliatorius yra mechaninė arba elektroninė konstrukcija, sukelianti svyravimus priklausomai nuo kelių kintamųjų. Tinkamas geras generatorius gamina stabilų dažnį.

RC (rezistoriaus-kondensatoriaus) arba RLC (rezistoriaus-induktoriaus-kondensatoriaus) osciliatorių atveju jie nėra tinkamas pasirinkimas ten, kur reikalingi stabilūs ir tikslūs svyravimai. Temperatūros pokyčiai turi įtakos apkrovos ir maitinimo linijai, o tai savo ruožtu daro įtaką osciliatoriaus grandinės stabilumui. RC ir RLC grandinių atveju stabilumą galima pagerinti iki tam tikro lygio, tačiau vis tiek konkrečiais atvejais pagerėjimas nėra pakankamas.

Tokioje situacijoje naudojamas kvarco kristalas. Kvarcas yra mineralas, sudarytas iš silicio ir deguonies atomų. Jis reaguoja, kai įtampos šaltinis taikomas kvarco kristalui. Tai sukelia charakteristiką, identifikuojamą kaip pjezoelektrinis efektas. Įtraukus įtampos šaltinį, jis pakeis formą ir sukurs mechanines jėgas, o mechaninės jėgos sugrįš atgal ir sukurs elektros krūvį.

Kai jis paverčia elektrinę energiją į mechaninę, o mechaninė - į elektrinę, ji vadinama davikliais. Šie pokyčiai sukelia labai stabilią vibraciją, o kaip pjezoelektrinis efektas sukelia stabilius svyravimus.

Kvarco kristalas ir jo ekvivalentinė grandinė

Tai yra „ Crystal Oscillator“ simbolis. Kvarcinis kristalas pagamintas iš plono kvarco plokštelės gabalo, tvirtai pritvirtinto ir valdomo tarp dviejų lygiagrečių metalizuotų paviršių. Metalizuoti paviršiai gaminami elektrinėms jungtims, o kvarco fizinis dydis ir tankis bei storis yra griežtai kontroliuojami, nes formos ir dydžio pokyčiai tiesiogiai veikia svyravimo dažnį. Suformavus ir valdant, gaminamas dažnis yra fiksuotas, pagrindinio dažnio negalima pakeisti į kitus. Šis specifinis konkretaus kristalo dažnis vadinamas būdingu dažniu.

Viršutiniame paveikslėlyje kairė grandinė reiškia ekvivalentinę kvarco kristalo grandinę, parodytą dešinėje pusėje. Kaip matome, naudojami 4 pasyvūs komponentai, du kondensatoriai C1 ir C2 ir vienas induktorius L1, rezistorius R1. C1, L1, R1 jungiami nuosekliai, o C2 - lygiagrečiai.

Nuosekli grandinė, susidedanti iš vieno kondensatoriaus, vieno rezistoriaus ir vieno induktoriaus, simbolizuoja valdomą kristalo ir lygiagrečio kondensatoriaus elgesį ir stabilias operacijas, C2 žymi lygiagrečią grandinės ar lygiaverčio kristalo talpą.

Veikimo dažniu C1 rezonuoja su induktyvumu L1. Šis veikimo dažnis vadinamas kristalų serijos dažniu (fs). Dėl šios serijos dažnio antrinis dažnio taškas atpažįstamas lygiagrečiu rezonansu. L1 ir C1 taip pat rezonuoja su lygiagrečiu kondensatoriumi C2. Lygiagretus kondensatorius C2 dažnai apibūdinamas kaip C0 pavadinimas ir vadinamas kvarco kristalo šunto talpa.

Krištolo išėjimo varža nuo dažnio

Jei pritaikysime reaktyvumo formulę dviem kondensatoriams, serijos kondensatoriaus C1 talpinis reaktyvumas bus:

X _C1 = 1 / 2πfC ₁

Kur, F = dažnis ir C1 = serijos talpos vertė.

Ta pati formulė taikoma ir lygiagrečiam kondensatoriui, lygiagretaus kondensatoriaus talpinis reaktyvumas bus:

X _C2 = 1 / 2πfC ₂

Jei matysime santykio grafiką tarp išėjimo impedanso ir dažnio, pamatysime impedanso pokyčius.

Viršutiniame vaizde matome kristalo osciliatoriaus varžos kreivę ir tai, kaip šis nuolydis keičiasi, kai keičiasi dažnis. Yra du taškai, vienas yra nuoseklus rezonansinis dažnio taškas, o kitas - lygiagretus rezonansinis dažnio taškas.

Tuo serijos rezonansinis dažnis taško varža yra tapo minimalus. Nuoseklusis kondensatorius C1 ir nuoseklusis induktorius L1 sukuria nuoseklųjį rezonansą, kuris yra lygus serijiniam rezistoriui.

Taigi, šiame serijos rezonansiniame dažnio taške įvyks šie dalykai:

1. Varža yra minimali, palyginti su kitais dažnio laikais.
2. Varža yra lygi serijiniam rezistoriui.
3. Žemiau šio taško kristalas veikia kaip talpinė forma.

Toliau dažnis keičiasi ir nuolydis lėtai didėja iki didžiausio taško lygiagrečiu rezonansiniu dažniu, prieš pasiekiant lygiagretų rezonansinį dažnio tašką, kristalas veikia kaip nuoseklus induktorius.

Pasiekus lygiagretaus dažnio tašką, impedanso nuolydis pasiekia didžiausią vertę. Lygiagretus kondensatorius C2 ir serijos induktorius sukuria LC bako grandinę, taigi išėjimo varža tapo didelė.

Taip kristalas elgiasi kaip induktorius arba kaip kondensatorius nuosekliai ir lygiagrečiai. Kristalas gali veikti abiejuose rezonanso dažniuose, bet ne tuo pačiu metu. Norint veikti, reikia suderinti bet kurį konkretų.

Krištolo reakcija į dažnį

Serijos reaktansas grandinė gali būti matuojamas naudojant šią formulę: -

X _S = R2 + (XL ₁ - XC ₁) ²

Kur, R yra atsparumo vertė

Xl1 yra grandinės nuoseklus induktyvumas

Xc1 yra serijos grandinės talpa.

Lygiagretus grandinės talpinis reaktyvumas bus: -

X _CP = -1 / 2πfCp

Lygiagretus grandinės reaktyvumas bus: -

Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp

Jei pamatysime diagramą, ji atrodys taip: -

Kaip matome viršutiniame grafike, kad eilės reaktyvumas nuoseklaus rezonanso taške yra atvirkščiai proporcingas C1, taške nuo fs iki fp kristalas veikia kaip induktyvus, nes šiuo metu dvi lygiagrečios talpos tampa nereikšmingos.

Kita vertus, kristalas bus talpinės formos, kai dažnis bus už fs ir fp taškų ribų.

Mes galime apskaičiuoti serijos rezonansinį dažnį ir lygiagretų rezonansinį dažnį naudodami šias dvi formules:

Q faktorius kvarco kristalui:

Q yra trumpa kokybės forma. Tai svarbus kvarco kristalų rezonanso aspektas. Šis Q faktorius lemia Crystal dažnio stabilumą. Apskritai, kristalo Q koeficientas svyruoja nuo 20 000 iki daugiau nei 100 000. Kartais taip pat galima pastebėti daugiau nei 200 000 kristalo Q koeficientą.

Q kristalo faktorių galima apskaičiuoti naudojant šią formulę:

Q = X _L / R = 2πfsL ₁ / R

Kur X _L yra induktoriaus reaktyvumas, o R yra varža.

Kvarcinio kristalo osciliatoriaus pavyzdys su skaičiavimu

Apskaičiuosime kvarco kristalų serijos rezonansinį dažnį, lygiagrečią rezonansinį dažnį ir kristalo kokybės koeficientą, kai yra šie taškai:

R1 = 6,8R

C1 = 0,09970 pF

L1 = 3 mH

C2 = 30 pF

Serijos rezonansinis kristalo dažnis yra -

Crystal lygiagretus rezonansinis dažnis, fp yra -

Dabar galime suprasti, kad nuoseklusis rezonansinis dažnis yra 9,20 MHz, o lygiagretusis - 9,23 MHz

Q faktorius šio kristalo bus užvesdami

„Colpitts“ kristalų osciliatorius

Kristalinio osciliatoriaus grandinė, sukonstruota naudojant bipolinį tranzistorių arba įvairių tipų FET. Viršutiniame paveikslėlyje parodytas kolpitto osciliatorius; talpinė įtampos daliklis yra naudojamas grįžtamojo ryšio. Tranzistorius Q1 yra bendros spinduolio konfigūracijos. Viršutinėje grandinėje R1 ir R2 yra naudojami tranzistoriaus poslinkiui, o C1 naudojamas kaip apeinantis kondensatorius, kuris apsaugo pagrindą nuo radijo dažnių triukšmo.

Tokioje konfigūracijoje kristalas veiks kaip šuntas dėl jungties nuo kolektoriaus su žeme . Tai lygiagreti rezonansinė konfigūracija. Kondensatoriai C2 ir C3 naudojami grįžtamuoju ryšiu. Kristalas Q2 yra sujungtas kaip lygiagreti rezonansinė grandinė.

Šioje konfigūracijoje išėjimo stiprinimas yra mažas, kad būtų išvengta perteklinio energijos išsisklaidymo kristale.

Pierce Crystal osciliatorius

Kita konfigūracija, naudojama kvarciniame kristaliniame osciliatoriuje, kai tranzistorius yra pakeistas į JFET stiprinimui, kai JFET yra labai didelių įėjimo impedansų, kai kristalas prijungtas prie „Drain to Gate“ naudojant kondensatorių.

Viršutiniame paveikslėlyje parodyta Pierce Crystal Oscillator grandinė. C4 teikia reikiamą grįžtamąjį ryšį šioje osciliatoriaus grandinėje. Šis grįžtamasis ryšys yra teigiamas grįžtamasis ryšys, kuris yra 180 laipsnių fazės poslinkis rezonansiniame dažnyje. R3 valdo grįžtamąjį ryšį, o kristalas suteikia reikiamą svyravimą.

Auskaro kristaliniam osciliatoriui reikia minimalaus komponentų skaičiaus, todėl tai yra tinkamiausias pasirinkimas, kai erdvė yra ribota. Skaitmeninis laikrodis, laikmačiai ir įvairių tipų laikrodžiai naudoja perveriamo kristalo osciliatoriaus grandinę. Išėjimo sinusinės bangos amplitudės smailę iki didžiausios vertės riboja JFET įtampos diapazonas.

CMOS osciliatorius

Pagrindinį osciliatorių, kuris naudoja lygiagrečios rezonansinės kristalų konfigūraciją, galima pagaminti naudojant CMOS keitiklį. CMOS keitiklį galima naudoti norint pasiekti reikiamą amplitudę. Tai susideda iš apverčiančio „Schmitt“ trigerio, pvz., 4049, 40106 arba „Transistor-Transistor Logic“ (TTL) lusto 74HC19 ir kt.

Viršutiniame paveikslėlyje naudojamas 74HC19N, kuris veikia kaip Schmitto paleidiklis invertuojant konfigūraciją. Kristalas užtikrins reikiamą virpesius nuosekliajame rezonanso dažnyje. R1 yra CMOS grįžtamojo ryšio rezistorius ir teikia aukštą Q koeficientą su didelėmis galimybėmis. Antrasis 74HC19N yra stiprintuvas, kad būtų užtikrinta pakankama apkrova.

Inverteris veikia esant 180 laipsnių fazės poslinkio išėjimui, o Q1, C2, C1 suteikia papildomą 180 laipsnių fazės poslinkį. Svyravimo proceso metu fazių poslinkis visada išlieka 360 laipsnių.

Šis CMOS kristalinis osciliatorius suteikia kvadratinių bangų išvestį. Didžiausią išėjimo dažnį fiksuoja CMOS keitiklio perjungimo charakteristika. Išėjimo dažnį galima keisti naudojant kondensatorių ir rezistoriaus vertes. C1 ir C2 vertės turi būti vienodos.

Laikrodžio tiekimas mikroprocesoriui naudojant kristalus

Kadangi įvairus kvarcinio kristalinio osciliatoriaus naudojimas apima skaitmeninius laikrodžius, laikmačius ir kt., Tai taip pat yra tinkamas pasirinkimas stabiliam virpesių laikrodžiui užtikrinti per mikroprocesorių ir procesorius.

Mikroprocesoriui ir procesoriui veikti reikia stabilios įvesties. Šiems tikslams plačiai naudojamas kvarco kristalas. Kvarciniai kristalai užtikrina aukštą tikslumą ir stabilumą, palyginti su kitais RC, LC arba RLC osciliatoriais.

Apskritai mikrovaldikliui naudojamas laikrodžio dažnis, arba procesorius svyruoja nuo KHz iki Mhz. Šis laikrodžio dažnis nustato, kaip greitai procesorius gali apdoroti duomenis.

Norint pasiekti šį dažnį, serijinis kristalas, naudojamas su dviem tos pačios vertės kondensatorių tinklais, naudojamas atitinkamo MCU arba procesoriaus osciliatoriaus įėjime.

Šiame paveikslėlyje galime pamatyti, kad kristalas su dviem kondensatoriais suformuoja tinklą ir per OSC1 ir OSC2 įvesties kaiščius sujungtas per mikrovaldiklio bloką arba centrinį procesorių. Paprastai visi mikrovaldikliai arba procesoriai susideda iš šio dviejų kaiščių. Kai kuriais atvejais yra dviejų tipų OSC kaiščiai. Vienas iš jų skirtas pirminiam osciliatoriui laikrodžio generavimui, kitas - antriniam osciliatoriui, kuris naudojamas kitiems antriniams darbams, kur reikalingas antrinis laikrodžio dažnis. Kondensatoriaus vertės svyruoja nuo 10 pF iki 42 pF, bet kas tarp jų, išskyrus 15pF, 22pF, 33pF, yra plačiai naudojama.