Oscylator kwarcowy

W naszych poprzednich samouczkach dotyczących oscylatora z przesunięciem fazowym RC i oscylatora mostka Wein, mamy rzetelne pojęcie o tym, czym jest oscylator. Oscylator to konstrukcja mechaniczna lub elektroniczna, która wytwarza oscylacje w zależności od kilku zmiennych. Właściwa dobry oscylator wytwarza stabilną częstotliwość.

W przypadku oscylatorów RC (rezystor-kondensator) lub RLC (rezystor-cewka-kondensator) nie są one dobrym wyborem tam, gdzie potrzebne są stabilne i dokładne oscylacje. Zmiany temperatury wpływają na obciążenie i linię zasilającą, co z kolei wpływa na stabilność obwodu oscylatora. Stabilność można poprawić do pewnego poziomu w przypadku obwodów RC i RLC, ale nadal poprawa jest niewystarczająca w określonych przypadkach.

W takiej sytuacji używa się kryształu kwarcu. Kwarc to minerał złożony z atomów krzemu i tlenu. Reaguje, gdy źródło napięcia przyłożone jest do kryształu kwarcu. Daje charakterystyczny efekt, określany jako efekt piezoelektryczny. Kiedy źródło napięcia zostanie przyłożone do niego, zmieni kształt i wytworzy siły mechaniczne, a siły mechaniczne cofną się i wytworzą ładunek elektryczny.

Ponieważ przekształca energię elektryczną w mechaniczną i mechaniczną w elektryczną, nazywa się ją przetwornikami. Zmiany te powodują bardzo stabilne wibracje, a efekt piezoelektryczny wytwarza stabilne oscylacje.

Kryształ kwarcowy i jego równoważny obwód

To jest symbol Oscylatora Kryształowego. Kryształ kwarcu jest wykonany z cienkiego kawałka płytki kwarcowej, ściśle dopasowanego i kontrolowanego między dwiema równoległymi metalizowanymi powierzchniami. Metalizowane powierzchnie są przeznaczone do połączeń elektrycznych, a fizyczny rozmiar i gęstość kwarcu, a także grubość, są ściśle kontrolowane, ponieważ zmiany kształtu i rozmiaru mają bezpośredni wpływ na częstotliwość oscylacji. Po ukształtowaniu i kontrolowaniu wytwarzana częstotliwość jest stała, częstotliwość podstawowa nie może zostać zmieniona na inne częstotliwości. Ta specyficzna częstotliwość dla określonego kryształu nazywana jest częstotliwością charakterystyczną.

Na górnym obrazku lewy obwód przedstawia równoważny obwód kryształu kwarcu, pokazany po prawej stronie. Jak widać, zastosowano 4 elementy pasywne, dwa kondensatory C1 i C2 oraz jeden cewkę indukcyjną L1, rezystor R1. C1, L1, R1 są połączone szeregowo, a C2 połączone równolegle.

Obwód szeregowy, który składa się z jednego kondensatora, jednego rezystora i jednej cewki, symbolizuje kontrolowane zachowanie i stabilne działanie kryształu i równoległego kondensatora, C2 reprezentuje równoległą pojemność obwodu lub równoważnego kryształu.

Przy częstotliwości roboczej C1 rezonuje z indukcyjnością L1. Ta częstotliwość robocza jest nazywana częstotliwością szeregową kryształów (fs). Ze względu na tę częstotliwość szeregową wtórny punkt częstotliwości rozpoznawany jest z równoległym rezonansem. L1 i C1 również rezonują z równoległym kondensatorem C2. Równoległy kondensator C2 często opisuje się jako nazwę C0 i nazywa się pojemnością bocznikową kryształu kwarcu.

Impedancja wyjściowa kryształu w funkcji częstotliwości

Jeśli zastosujemy wzór na reaktancję na dwóch kondensatorach, to dla kondensatora szeregowego C1 reaktancja pojemnościowa będzie wynosić: -

X _C1 = 1 / 2πfC ₁

Gdzie, F = częstotliwość i C1 = wartość pojemności szeregowej.

Ten sam wzór dotyczy również kondensatora równoległego, reaktancja pojemnościowa kondensatora równoległego będzie wynosić: -

X _C2 = 1 / 2πfC ₂

Jeśli zobaczymy wykres zależności między impedancją wyjściową a częstotliwością, zobaczymy zmiany impedancji.

Na górnym obrazie widzimy krzywą impedancji oscylatora kwarcowego, a także widzimy, jak zmienia się to nachylenie, gdy zmienia się częstotliwość. Istnieją dwa punkty, jeden to szeregowy punkt częstotliwości rezonansowej, a drugi to równoległy punkt częstotliwości rezonansowej.

W punkcie częstotliwości rezonansu szeregowego impedancja stała się minimalna. Szeregowy kondensator C1 i szeregowa cewka indukcyjna L1 tworzą szeregowy rezonans, który jest równy szeregowemu rezystorowi.

Tak więc w punkcie częstotliwości rezonansowej tej serii będą miały miejsce następujące rzeczy:

1. Impedancja jest minimalna w porównaniu z innymi czasami częstotliwości.
2. Impedancja jest równa rezystorowi szeregowemu.
3. Poniżej tego punktu kryształ działa jako forma pojemnościowa.

Następnie częstotliwość ulega zmianie, a nachylenie powoli rośnie do maksymalnego punktu przy równoległej częstotliwości rezonansowej, w tym czasie, zanim osiągnie równoległy punkt częstotliwości rezonansowej, kryształ działa jak szeregowy wzbudnik.

Po osiągnięciu punktu częstotliwości równoległej nachylenie impedancji osiąga maksymalną wartość. Równoległy kondensator C2 i cewka szeregowa tworzą obwód zbiornika LC, a tym samym impedancja wyjściowa stała się wysoka.

W ten sposób kryształ zachowuje się jako cewka lub jak kondensator w rezonansie szeregowym i równoległym. Kryształ może przy tym działać w obu częstotliwościach rezonansowych, ale nie jednocześnie. Aby działać, należy go dostroić do dowolnego konkretnego.

Reakcja kryształu na częstotliwość

Reaktancji szeregowej obwodu może być zmierzona za pomocą następującego wzoru: -

X _S = R2 + (XL ₁ - XC ₁) ²

Gdzie R jest wartością oporu

Xl1 to indukcyjność szeregowa obwodu

Xc1 to pojemność szeregowa obwodu.

Równoległa reaktancja pojemnościowa obwodu będzie wynosić: -

X _CP = -1 / 2πfCp

Równoległa reaktancja obwodu będzie wynosić: -

Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp

Jeśli zobaczymy wykres, będzie wyglądał tak: -

Jak widać na górnym wykresie, reaktancja szeregowa w punkcie rezonansu szeregowego jest odwrotnie proporcjonalna do C1, w punkcie od fs do fp kryształ działa jako indukcyjny, ponieważ w tym momencie dwie równoległe pojemności stają się nieistotne.

Z drugiej strony kryształ będzie miał postać pojemnościową, gdy częstotliwość będzie poza punktami fs i fp.

Możemy obliczyć częstotliwość rezonansową szeregową i częstotliwość rezonansową równoległą za pomocą tych dwóch wzorów -

Współczynnik Q dla kryształu kwarcu:

Q to krótka forma jakości. Jest to ważny aspekt rezonansu kryształu kwarcu. Ten współczynnik Q określa stabilność częstotliwości kryształu. Ogólnie rzecz biorąc, współczynnik Q kryształu mieści się w zakresie od 20 000 do ponad 100 000. Czasami również współczynnik Q kryształu jest większy niż 200 000.

Współczynnik Q kryształu można obliczyć za pomocą następującego wzoru -

Q = X _L / R = 2πfsL ₁ / R

Gdzie X _L to reaktancja induktora, a R to rezystancja.

Przykład oscylatora kwarcowego z obliczeniami

Obliczymy częstotliwość rezonansową serii kryształów kwarcu, równoległą częstotliwość rezonansową i współczynnik jakości kryształu, gdy dostępne są następujące punkty:

R1 = 6,8R

C1 = 0,09970 pF

L1 = 3 mH

A C2 = 30 pF

Szeregowa częstotliwość rezonansowa kryształu wynosi -

Częstotliwość rezonansowa równoległa kryształu, fp wynosi -

Teraz możemy zrozumieć, że szeregowa częstotliwość rezonansowa wynosi 9,20 MHz, a równoległa częstotliwość rezonansowa to 9,23 MHz

Współczynnik Q tego kryształu będzie:

Oscylator kwarcowy Colpittsa

Obwód oscylatora kwarcowego zbudowany z tranzystora bipolarnego lub różnych typów tranzystorów FET. Na górnym obrazie pokazano oscylator colpitts; pojemnościowy dzielnik napięcia służy do sprzężenia zwrotnego. Tranzystor Q1 ma wspólną konfigurację emitera. W górnym obwodzie R1 i R2 są używane do polaryzacji tranzystora, a C1 jest używany jako kondensator obejściowy, który chroni bazę przed szumami RF.

W tej konfiguracji kryształ będzie działał jako bocznik ze względu na połączenie kolektora z uziemieniem . Jest w równoległej konfiguracji rezonansowej. Kondensator C2 i C3 służy do sprzężenia zwrotnego. Kryształ Q2 jest podłączony jako równoległy obwód rezonansowy.

W tej konfiguracji wzmocnienie wyjściowe jest niskie, aby uniknąć nadmiernego rozpraszania mocy w krysztale.

Przebij oscylator kwarcowy

Inna konfiguracja stosowana w oscylatorze kwarcowym, w której tranzystor jest zmieniany na JFET w celu wzmocnienia, w którym JFET ma bardzo wysokie impedancje wejściowe, gdy kryształ jest podłączony w dren do bramki za pomocą kondensatora.

Na górnym obrazie pokazano obwód oscylatora kwarcowego Pierce. C4 zapewnia niezbędne sprzężenie zwrotne w tym obwodzie oscylatora. To sprzężenie zwrotne jest dodatnim sprzężeniem zwrotnym, które jest przesunięciem fazowym o 180 stopni przy częstotliwości rezonansowej. R3 kontroluje sprzężenie zwrotne, a kryształ zapewnia niezbędne oscylacje.

Oscylator kwarcowy Pierce wymaga minimalnej liczby elementów i dlatego jest preferowanym wyborem w przypadku ograniczonej przestrzeni. Zegar cyfrowy, timery i różne rodzaje zegarków wykorzystują obwód oscylatora kwarcowego. Wartość szczytowa amplitudy wyjściowej fali sinusoidalnej jest ograniczona przez zakres napięcia JFET.

Oscylator CMOS

Podstawowy oscylator, który wykorzystuje konfigurację kryształu z rezonansem równoległym, można wykonać za pomocą falownika CMOS. Do uzyskania wymaganej amplitudy można wykorzystać falownik CMOS. Składa się z odwracającego wyzwalacza Schmitta, takiego jak 4049, 40106 lub układ logiki tranzystorowo-tranzystorowej (TTL) 74HC19 itp.

Na górnym obrazie zastosowano 74HC19N, który działał jako wyzwalacz Schmitta w odwróconej konfiguracji. Kryształ zapewni niezbędne oscylacje w szeregowej częstotliwości rezonansowej. R1 jest rezystorem sprzężenia zwrotnego dla CMOS i zapewnia wysoki współczynnik Q z dużymi możliwościami wzmocnienia. Drugi 74HC19N jest wzmacniaczem zapewniającym wystarczającą moc wyjściową dla obciążenia.

Falownik pracuje z przesunięciem fazowym o 180 stopni, a Q1, C2, C1 zapewniają dodatkowe przesunięcie fazowe o 180 stopni. Podczas procesu oscylacji przesunięcie fazowe zawsze pozostaje 360 ​​stopni.

Ten kryształowy oscylator CMOS zapewnia wyjście fali prostokątnej. Maksymalna częstotliwość wyjściowa jest ustalona przez charakterystykę przełączania przetwornicy CMOS. Częstotliwość wyjściową można zmienić za pomocą wartości kondensatorów i wartości rezystora. Wartości C1 i C2 muszą mieć takie same wartości.

Dostarczanie zegara do mikroprocesora za pomocą kryształów

Ponieważ różne zastosowania oscylatora kwarcowego obejmują zegarki cyfrowe, timery itp., Jest to również odpowiedni wybór do zapewnienia stabilnego zegara oscylacyjnego w mikroprocesorze i procesorach.

Mikroprocesor i procesor wymagają stabilnego wejścia zegara do działania. Do tych celów szeroko stosuje się kryształ kwarcu. Kryształ kwarcu zapewnia wysoką dokładność i stabilność w porównaniu z innymi oscylatorami RC, LC lub RLC.

Ogólnie częstotliwość zegara używana dla mikrokontrolera lub procesora mieści się w zakresie od KHz do MHz. Ta częstotliwość zegara określa, jak szybko procesor może przetwarzać dane.

Aby osiągnąć tę częstotliwość, szeregowy kryształ używany z dwoma sieciami kondensatorów o tej samej wartości jest używany na wejściu oscylatora odpowiedniego MCU lub procesora.

Na tym obrazie widzimy, że kryształ z dwoma kondensatorami tworzy sieć i jest połączony przez jednostkę mikrokontrolera lub jednostkę centralną za pośrednictwem pinów wejściowych OSC1 i OSC2. Ogólnie wszystkie mikrokontrolery lub procesory składają się z tych dwóch pinów. W niektórych przypadkach dostępne są dwa typy pinów OSC. Jeden z nich jest przeznaczony dla głównego oscylatora do generowania zegara, a drugi dla dodatkowego oscylatora, który jest używany do innych drugorzędnych prac, w których potrzebna jest dodatkowa częstotliwość zegara. Zakres wartości kondensatorów od 10 pF do 42 pF, a wartości między 15 pF, 22 pF, 33 pF są szeroko stosowane.