Кришталевий кварцовий генератор

У наших попередніх навчальних посібниках із зміщення фаз RC та осцилятора Wein Bridge ми отримуємо чітке уявлення про те, що таке генератор. Генератор - це механічна або електронна конструкція, яка створює коливання залежно від кількох змінних. Власне хороший генератор виробляє стабільну частоту.

У випадку генераторів RC (резистор-конденсатор) або RLC (резистор-індуктор-конденсатор), вони не є хорошим вибором там, де потрібні стабільні та точні коливання. Зміни температури впливають на навантаження та лінію електроживлення, що, в свою чергу, впливає на стабільність ланцюга генератора. Стійкість може бути покращена до певного рівня у випадку RC та RLC-схеми, але все-таки покращення недостатньо в конкретних випадках.

У такій ситуації використовується кристал кварцу. Кварц - мінерал, що складається з атомів кремнію та кисню. Він реагує, коли джерело напруги подається на кристал кварцу. Він виробляє характеристику, ідентифіковану як п’єзоелектричний ефект. Коли на нього подається джерело напруги, воно змінить форму і виробляє механічні сили, а механічні сили повертаються назад і виробляють електричний заряд.

Оскільки він перетворює електричну енергію в механічну, а механічну в електричну, його називають перетворювачами. Ці зміни виробляють дуже стабільну вібрацію, а як п’єзоелектричний ефект виробляє стабільні коливання.

Кристал кварцу та його еквівалентна схема

Це символ Кришталевого генератора. Кристал кварцу виготовляється з тонкого шматка кварцової пластини, щільно прилягає та регулюється між двома паралельними металізованими поверхнями. Металізовані поверхні виконані для електричних з'єднань, а фізичний розмір і щільність кварцу, а також товщина жорстко контролюються, оскільки зміни форми та розміру безпосередньо впливають на частоту коливань. Після того, як він сформований і керований, вироблена частота фіксована, основну частоту неможливо змінити на інші частоти. Ця специфічна частота для конкретного кристала називається характеристичною частотою.

На верхньому зображенні ліва схема представляє еквівалентну схему кристалу кварцу, показану праворуч. Як бачимо, використовуються 4 пасивні компоненти, два конденсатори C1 і C2 і один індуктор L1, резистор R1. C1, L1, R1 з'єднані послідовно, а C2 - паралельно.

Послідовна схема, що складається з одного конденсатора, одного резистора та одного індуктора, символізує керовану поведінку та стабільну роботу кристала та паралельного конденсатора, С2 являє собою паралельну ємність схеми або еквівалентного кристала.

На робочій частоті С1 резонує з індуктивністю L1. Ця робоча частота називається частотною послідовністю кристалів (fs). Завдяки цій послідовній частоті вторинна частотна точка розпізнається з паралельним резонансом. L1 і C1 також резонують з паралельним конденсатором C2. Паралельний конденсатор С2 часто описується як назва С0 і називається шунт-ємністю кристала кварцу.

Кристалічний вихідний опір проти частоти

Якщо застосувати формулу реактивного опору для двох конденсаторів, то для послідовного конденсатора С1 ємнісний реактивний опір буде:

X _C1 = 1 / 2πfC ₁

Де, F = частота і C1 = значення послідовної ємності.

Така ж формула застосовується і до паралельного конденсатора, ємнісний опір паралельного конденсатора буде:

X _C2 = 1 / 2πfC ₂

Якщо ми бачимо графік взаємозв'язку між вихідним імпедансом і частотою, ми побачимо зміни в імпедансі.

На верхньому зображенні ми бачимо криву імпедансу кристалічного генератора, а також бачимо, як змінюється цей нахил при зміні частоти. Є дві точки, одна - послідовно-резонансна частотна точка, а друга - паралельна резонансна частотна точка.

У послідовній точці резонансної частоти імпеданс став мінімальним. Послідовний конденсатор С1 і серійний індуктор L1 створюють послідовний резонанс, який дорівнює послідовному резистору.

Отже, у цій точці резонансної частоти серії відбудуться наступні речі:

1. Імпеданс мінімальний у порівнянні з іншими частотними періодами.
2. Опір дорівнює послідовному резистору.
3. Нижче цієї точки кристал діє як ємнісна форма.

Далі частота змінюється, і нахил повільно збільшується до максимальної точки при паралельній резонансній частоті, в цей час, перш ніж досягти точки паралельної резонансної частоти, кристал діє як послідовний індуктор.

Після досягнення паралельної точки частоти нахил імпедансу досягає максимального значення. Паралельний конденсатор С2 та серійний індуктор створюють ланцюг резервуара РХ, і таким чином вихідний опір став високим.

Ось як кристал поводиться як індуктор або як конденсатор послідовно та паралельно резонансно. Кристал може працювати на цих двох резонансних частотах, але не одночасно. Для роботи потрібно налаштуватися на будь-який конкретний.

Кристалічне реактивне відношення до частоти

Серії Реактивна ланцюга може бути виміряна з допомогою цієї формули: -

X _S = R2 + (XL ₁ - XC ₁) ²

Де, R - значення опору

Xl1 - послідовна індуктивність ланцюга

Xc1 - послідовна ємність схеми.

Паралельний ємнісний опір схеми буде: -

X _CP = -1 / 2πfCp

Паралельний опір ланцюга буде:

Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp

Якщо ми побачимо графік, це буде виглядати так: -

Як ми бачимо на верхньому графіку, що послідовний реактивний опір у точці послідовного резонансу обернено пропорційний С1, у точці від fs до fp кристал діє як індуктивний, оскільки в цей момент дві паралельні ємності стають незначними.

З іншого боку, кристал матиме ємнісну форму, коли частота буде поза точками fs та fp.

Ми можемо розрахувати серійну резонансну частоту та паралельну резонансну частоту, використовуючи ці дві формули -

Q-фактор для кварцового кристала:

Q - це коротка форма Якості. Це важливий аспект резонансу кристалів кварцу. Цей коефіцієнт Q визначає стабільність частоти Crystal. Загалом, коефіцієнт Q кристала має діапазон від 20 000 до понад 100 000. Іноді коефіцієнт добротності кристала також можна спостерігати понад 200 000.

Q-коефіцієнт кристала можна розрахувати за такою формулою -

Q = X _L / R = 2πfsL ₁ / R

Де X _L - реактивний опір індуктора, а R - опір.

Приклад кварцового кристалічного генератора з розрахунком

Ми обчислимо резонансну частоту серії кристалів кварцу, паралельну резонансну частоту та коефіцієнт якості кристала, коли доступні наступні точки -

R1 = 6,8R

C1 = 0,09970pF

L1 = 3mH

І C2 = 30pF

Серійна резонансна частота кристала становить -

Паралельна резонансна частота кристала, fp -

Тепер ми можемо зрозуміти, що послідовна резонансна частота становить 9,20 МГц, а паралельна резонансна частота - 9,23 МГц

Добротність цього кристала буде бути-

Кристалічний генератор Колпітта

Схема кристалічного генератора, побудована з використанням біполярного транзистора або різних типів транзисторів. На верхньому зображенні показано осцилятор Колпітта; ємнісний дільник напруги використовується для зворотного зв'язку. Транзистор Q1 має загальну конфігурацію емітера. У верхній схемі R1 і R2 використовуються для зміщення транзистора, а C1 використовується як байпасний конденсатор, який захищає базу від радіочастотних шумів.

У цій конфігурації кристал буде виконувати роль шунта завдяки з'єднанню колектора з землею . Це паралельно резонансна конфігурація. Для зворотного зв'язку використовуються конденсатори С2 і С3. Кристал Q2 з'єднаний як паралельний резонансний контур.

У цій конфігурації вихідне посилення низьке, щоб уникнути надмірного розсіювання потужності в кристалі.

Кришталевий генератор Пірса

Інша конфігурація, яка використовується в кварцовому генераторі кристалів, де транзистор змінюється на JFET для посилення, де JFET знаходиться в дуже високих вхідних імпедансах, коли кристал підключений у стоку до затвора за допомогою конденсатора.

На верхньому зображенні зображена схема кристального пірсингу Пірса. С4 забезпечує необхідний зворотний зв'язок у цій схемі генератора. Цей зворотний зв'язок є позитивним зворотним зв'язком, який є зсувом фази на 180 градусів на резонансній частоті. R3 управляє зворотним зв'язком, а кристал забезпечує необхідні коливання.

Кристалічний генератор Пірса потребує мінімальної кількості компонентів, і завдяки цьому він є кращим вибором, де простір обмежений. Цифровий годинник, таймери та різні типи годинників використовують схему генератора, що пробиває кристал. Вихідна амплітуда синусоїдальної хвилі до пікового значення обмежена діапазоном напруги JFET.

Осцилятор CMOS

Основний генератор, який використовує конфігурацію паралельно-резонансних кристалів, може бути виконаний за допомогою CMOS-інвертора. Інвертор CMOS можна використовувати для досягнення необхідної амплітуди. Він складається з інвертованого тригера Шмітта, як 4049, 40106 або транзисторно-транзисторної логіки (TTL) мікросхема 74HC19 тощо.

На верхньому зображенні використовується 74HC19N, який діє як тригер Шмітта в інвертуючій конфігурації. Кристал забезпечить необхідні коливання в послідовній резонансній частоті. R1 - резистор зворотного зв'язку для CMOS і забезпечує високий коефіцієнт Q з високими можливостями посилення. Другий 74HC19N є підсилювачем для забезпечення достатньої потужності для навантаження.

Інвертор працює з виходом фазового зсуву на 180 градусів, а Q1, C2, C1 забезпечують додатковий фазовий зсув на 180 градусів. Під час коливання фазовий зсув завжди залишається на 360 градусів.

Цей кристалічний генератор CMOS забезпечує вихід квадратної хвилі. Максимальна вихідна частота фіксується комутаційною характеристикою інвертора CMOS. Вихідну частоту можна змінити, використовуючи значення конденсаторів та значення резистора. С1 і С2 мають бути однаковими за значеннями.

Надання годинника мікропроцесору за допомогою кристалів

Оскільки різний спосіб використання кварцових кристалічних генераторів включає цифрові годинники, таймери тощо, він також є підходящим вибором для забезпечення стабільних тактових частот коливань на мікропроцесорах та процесорах.

Мікропроцесору та процесору для роботи потрібен стабільний тактовий вхід. Для цих цілей широко використовується кварцовий кристал. Кварцовий кристал забезпечує високу точність та стабільність порівняно з іншими генераторами RC або LC або RLC.

Як правило, тактова частота використовується для мікроконтролера або процесор варіюється від КГц до МГц. Ця тактова частота визначає, наскільки швидко процесор може обробляти дані.

Для досягнення цієї частоти використовується послідовний кристал, що використовується з двома конденсаторами з однаковим значенням, через вхід генератора відповідного MCU або CPU.

На цьому зображенні ми бачимо, що кристал з двома конденсаторами утворює мережу і підключається через блок мікроконтролера або центральний процесор через вхідний штифт OSC1 та OSC2. Як правило, усі мікроконтролери або процесори складаються з цих двох контактів. У деяких випадках доступні два типи OSC-шпильок. Один призначений для первинного генератора для генерації тактової частоти, а інший для вторинного генератора, який використовується для інших вторинних робіт, де необхідна вторинна тактова частота. Значення конденсатора знаходяться в діапазоні від 10pF до 42 pF, все, що знаходиться між ними, крім 15pF, 22pF, 33pF, широко використовується.