- Kvarckristály és ekvivalens áramköre
- Kristály kimeneti impedancia a frekvencia ellen
- Kristályreakció a frekvencia ellen
- Q-tényező a kvarckristályhoz:
- Kvarc-kristály oszcillátor példa számítással
- Colpitts kristály oszcillátor
- Pierce Crystal oszcillátor
- CMOS oszcillátor
- Óra biztosítása mikroprocesszorhoz kristályok segítségével
Korábbi RC fázisváltó oszcillátor és Wein híd oszcillátor oktatóanyagunkban tisztességes képet kapunk arról, hogy mi az oszcillátor. Az oszcillátor olyan mechanikus vagy elektronikus szerkezet, amely néhány változótól függően produkál rezgést. Egy megfelelő jó oszcillátor stabil frekvenciát produkál.
RC (ellenállás-kondenzátor) vagy RLC (ellenállás-induktor-kondenzátor) oszcillátorok esetében nem megfelelő választás, ha stabil és pontos rezgésekre van szükség. A hőmérséklet-változások befolyásolják a terhelést és a tápvezetéket, ami viszont befolyásolja az oszcillátor áramkör stabilitását. RC és RLC áramkör esetén a stabilitás bizonyos szintig javítható, de a javulás még mindig nem elegendő bizonyos esetekben.
Ilyen helyzetben a kvarckristályt használják. A kvarc ásványi anyag, amely szilícium- és oxigénatomokból áll. Akkor reagál, amikor a kvarckristályra feszültségforrást alkalmaznak. Jellemzőt produkál, amelyet piezoelektromos hatásként azonosítanak. Ha feszültségforrást alkalmaznak rajta, az megváltoztatja az alakját és mechanikai erőket produkál, a mechanikai erők pedig visszafordulnak és elektromos töltést eredményeznek.
Mivel az elektromos energiát mechanikává és mechanikát elektromoszá alakítja, átalakítóknak nevezzük . Ezek a változások nagyon stabil rezgést eredményeznek, és mivel a piezo-elektromos hatás a stabil rezgéseket eredményezi.
Kvarckristály és ekvivalens áramköre
Ez a Crystal Oscillator szimbóluma. A kvarckristály vékony kvarcdarabból készül, szorosan illesztve és vezérelve két párhuzamos fémezett felület között. A fémezett felületek elektromos csatlakozásokhoz készülnek, és a kvarc fizikai mérete és sűrűsége, valamint a vastagsága szigorúan szabályozott, mivel az alak és méret változásai közvetlenül befolyásolják az oszcillációs frekvenciát. Amint meg van formálva és vezérelve, az előállított frekvencia rögzül, az alapfrekvencia nem változtatható más frekvenciákká. A konkrét kristálynak ezt a sajátos frekvenciáját jellegzetes frekvenciának nevezzük.
A felső képen a bal oldali áramkör a kvarckristály egyenértékű áramkörét jelenti, a jobb oldalon látható. Mint láthatjuk, 4 passzív komponenst használnak, két C1 és C2 kondenzátort és egy L1 induktort, R1 ellenállást. C1, L1, R1 sorosan, a C2 pedig párhuzamosan van csatlakoztatva.
Az egy kondenzátorból, egy ellenállásból és egy induktivitásból álló soros áramkör a kristály és a párhuzamos kondenzátor vezérelt viselkedését és stabil működését szimbolizálja. A C2 az áramkör vagy azzal egyenértékű kristály párhuzamos kapacitását jelenti.
Üzemi frekvencián a C1 rezonál az L1 induktivitással. Ezt az üzemi frekvenciát kristálysorozat-frekvenciának (fs) nevezzük . Ennek a sorozatfrekvenciának köszönhetően egy másodlagos frekvenciapont felismerhető a párhuzamos rezonanciával. L1 és C1 szintén rezonál a párhuzamos C2 kondenzátorral. A párhuzamos C2 kondenzátor gyakran a C0 neveként írja le, és egy kvarckristály söntkapacitásának hívják.
Kristály kimeneti impedancia a frekvencia ellen
Ha két kondenzátorra alkalmazzuk a reaktancia képletet, akkor a C1 soros kondenzátor esetében a kapacitív reaktancia:
X C1 = 1 / 2πfC 1
Hol, F = Frekvencia és C1 = a soros kapacitás értéke.
Ugyanez a képlet vonatkozik a párhuzamos kondenzátorra is, a párhuzamos kondenzátor kapacitív reaktanciája a következő lesz: -
X C2 = 1 / 2πfC 2
Ha a kimeneti impedancia és a frekvencia közötti összefüggési grafikont látjuk, látni fogjuk az impedancia változását.
A felső képen láthatjuk a kristályoszcillátor impedancia görbéjét, és azt is, hogy hogyan változik ez a meredekség a frekvencia változásakor. Két pont van, az egyik soros rezonancia frekvencia pont, a másik pedig párhuzamos rezonancia frekvencia pont.
A soros rezonancia frekvencia ponton az impedancia minimálisra vált. A C1 soros kondenzátor és az L1 soros induktor soros rezonanciát hoz létre, amely megegyezik a soros ellenállással.
Tehát ebben a soros rezonáns frekvenciapontban a következő dolgok történnek:
- Az impedancia minimális, összehasonlítva más frekvenciaidőkkel.
- Az impedancia megegyezik a soros ellenállással.
- E pont alatt a kristály kapacitív alakként működik.
Ezután a frekvencia megváltozik, és a meredekség lassan megnő a párhuzamos rezonanciafrekvencia maximális pontjáig, ekkor a párhuzamos rezonáns frekvenciapont elérése előtt a kristály soros induktorként működik.
A párhuzamos frekvenciapont elérése után az impedancia meredeksége eléri a maximális értéket. A párhuzamos C2 kondenzátor és a soros induktor egy LC tartály áramkört hoznak létre, így a kimeneti impedancia magas lett.
Így viselkedik a kristály induktorként vagy kondenzátorként soros és párhuzamos rezonanciában. A kristály ebben a két rezonancia frekvenciában működhet, de nem egyszerre. Bármelyikre rá kell hangolni a működésre.
Kristályreakció a frekvencia ellen
Az áramkör reaktivitásának sorozata a következő képlettel mérhető: -
X S = R2 + (XL 1 - XC 1) 2
Ahol R az ellenállás értéke
Xl1 az áramkör soros induktivitása
Xc1 az áramkör soros kapacitása.
Az áramkör párhuzamos kapacitív reaktanciája: -
X CP = -1 / 2πfCp
Az áramkör párhuzamos reaktanciája: -
Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp
Ha látjuk a grafikont, a következőképpen fog kinézni: -
Amint a felső grafikonon láthatjuk, hogy a soros rezonancia a soros rezonancia pontján fordítottan arányos a C1-vel, az fs- től fp- ig terjedő ponton a kristály induktív módon működik, mert ezen a ponton két párhuzamos kapacitás elhanyagolhatóvá válik.
Másrészt a kristály kapacitív formában lesz, ha a frekvencia kívül esik az fs és fp pontokon.
A két képlet segítségével kiszámíthatjuk a sorozat rezonáns frekvenciáját és a párhuzamos rezonancia frekvenciát -
Q-tényező a kvarckristályhoz:
A Q a minőség rövid formája. A kvarckristály-rezonancia fontos szempontja. Ez a Q tényező határozza meg a Crystal frekvenciastabilitását. Általában a kristály Q-tényezője 20 000 és 100 000 közötti tartományban van. Néha a kristály Q-tényezője meghaladja a 200 000 értéket is.
A kristály Q-tényezőjét a következő képlet segítségével lehet kiszámítani -
Q = X L / R = 2πfsL 1 / R
Ahol X L az induktív reaktancia és R az ellenállás.
Kvarc-kristály oszcillátor példa számítással
Kiszámítunk egy kvarckristály sorozatú rezonancia frekvenciát, párhuzamos rezonancia frekvenciát és a kristály minőségi tényezőjét, ha a következő pontok rendelkezésre állnak -
R1 = 6,8R
C1 = 0,09970 pF
L1 = 3 mH
És C2 = 30pF
Sorozat rezonancia frekvenciája a kristály jelentése -
Crystal párhuzamos rezonáns frekvenciája, fp -
Most már megérthetjük, hogy a soros rezonancia frekvencia 9,20 MHz, a párhuzamos rezonancia frekvencia pedig 9,23 MHz
A Q tényezője ez a kristály -es értékű lesz
Colpitts kristály oszcillátor
Bipoláris tranzisztor vagy különféle FET-ek felhasználásával felépített kristályoszcillátor áramkör. A felső képen egy colpitts oszcillátor látható; a kapacitív feszültségosztót visszacsatolásra használják. A Q1 tranzisztor közös emitter konfigurációban van. A felső áramkörben R1 és R2 a tranzisztor előfeszítéséhez, C1 pedig bypass kondenzátorként használható, amely megvédi a bázist az RF zajoktól.
Ebben a konfigurációban a kristály söntként fog működni a kollektor és a föld közötti kapcsolat miatt . Ez párhuzamosan rezonáns konfigurációban van. A visszacsatoláshoz a C2 és C3 kondenzátort használják. A Q2 kristály párhuzamos rezonáns áramkörként van csatlakoztatva.
A kimeneti erősítés ebben a konfigurációban alacsony, hogy elkerülhető legyen a kristályban történő túlzott teljesítményveszteség.
Pierce Crystal oszcillátor
Egy másik konfigurációs használt kvarc kristály oszcillátor, ahol a tranzisztor változott a JFET amplifikálására, ahol a JFET van igen nagy bemeneti impedancia, amikor a kristály van csatlakoztatva Drain a kapu segítségével egy kondenzátor.
A felső képen egy Pierce Crystal oszcillátor áramkör látható. A C4 biztosítja a szükséges visszacsatolást ebben az oszcillátor áramkörben. Ez a visszacsatolás pozitív visszacsatolás, amely 180 fokos fáziseltolás a rezonancia frekvencián. Az R3 vezérli a visszacsatolást, és a kristály biztosítja a szükséges rezgést.
A Pierce kristály oszcillátornak minimális alkatrészszámra van szüksége, és ezért ez egy előnyös választás, ahol a hely korlátozott. A digitális óra, az időzítők és a különféle típusú órák kristályoszcillátor áramkört használnak. A kimeneti szinusz hullám amplitúdó csúcsról csúcsra értéket a JFET feszültségtartománya korlátozza.
CMOS oszcillátor
A CMOS inverterrel elkészíthető egy alaposzcillátor, amely párhuzamosan rezonáns kristálykonfigurációt használ. A CMOS inverter használható a kívánt amplitúdó elérésére. Ez abból áll, hogy megfordítja a Schmitt-triggereket, mint például a 4049, 40106 vagy a tranzisztor-tranzisztor logika (TTL) chip 74HC19 stb.
A felső képen a 74HC19N használt, amely Schmitt-triggerként működik az invertáló konfigurációban. A kristály biztosítja a szükséges rezgéseket soros rezonancia frekvenciában. R1 a CMOS visszacsatolási ellenállása, és magas Q tényezőt nyújt nagy erősítéssel. A második 74HC19N emlékeztető, hogy elegendő teljesítményt biztosítson a terheléshez.
Az inverter 180 fokos fáziseltolás kimeneten működik, a Q1, C2, C1 pedig további 180 fokos fáziseltolást biztosít. Az oszcillációs folyamat során a fáziseltolás mindig 360 fokos marad.
Ez a CMOS kristályoszcillátor négyzethullámú kimenetet biztosít. A maximális kimeneti frekvenciát a CMOS inverter kapcsolási jellemzői rögzítik. A kimeneti frekvencia megváltoztatható a Kondenzátorok és az Ellenállás értékek segítségével. A C1 és C2 értékeknek azonosnak kell lenniük.
Óra biztosítása mikroprocesszorhoz kristályok segítségével
Mivel a kvarckristályos oszcillátor különféle felhasználása magában foglalja a digitális órákat, az időzítőket stb., Ez is megfelelő választás a stabil oszcillációs óra biztosításához a mikroprocesszoron és a CPU-n.
A mikroprocesszor és a CPU működéséhez stabil órabevitelre van szükség. A kvarckristályt széles körben használják ezekre a célokra. A kvarckristály nagy pontosságot és stabilitást biztosít más RC vagy LC vagy RLC oszcillátorokhoz képest.
Általában az órajel frekvenciáját használják a mikrovezérlőhöz, vagy a CPU KHz-től Mhz-ig terjed. Ez az órajel frekvencia határozza meg, hogy a processzor milyen gyorsan tudja feldolgozni az adatokat.
Ennek a frekvenciának az eléréséhez két azonos értékű kondenzátor hálózattal használt soros kristályt használnak az adott MCU vagy CPU oszcillátor bemenetén keresztül.
Ezen a képen láthatjuk, hogy egy két kondenzátorral rendelkező kristály egy hálózatot alkot, és az OSC1 és az OSC2 bemeneti tűn keresztül csatlakozik a mikrokontroller egységhez vagy a központi processzorhoz. Általában az összes mikrovezérlő vagy processzor ebből a két tűből áll. Bizonyos esetekben kétféle OSC tű áll rendelkezésre. Az egyik az elsődleges oszcillátorra vonatkozik az óra előállítására, a másik pedig a másodlagos oszcillátorra, amelyet más szekunder munkákhoz használnak, ahol másodlagos órafrekvenciára van szükség. A kondenzátor értéke 10pF és 42 pF között mozog, a 15pF, 22pF, 33pF kivételével bármi közte van.