- Kvarčni kristal in njegovo enakovredno vezje
- Izhodna impedanca kristala glede na frekvenco
- Kristalna reaktanca proti frekvenci
- Faktor Q za kremenov kristal:
- Primer kvarčnega kristalnega oscilatorja z izračunom
- Kristalni oscilator Colpitts
- Kristalni oscilator Pierce
- Oscilator CMOS
- Zagotavljanje ure mikroprocesorju s pomočjo kristalov
V naših prejšnjih vadnicah RC Phase Shift Oscillator in Wein Bridge Oscillator dobimo pošteno predstavo o tem, kaj je oscilator. Oscilator je mehanska ali elektronska konstrukcija, ki povzroči nihanje, odvisno od nekaj spremenljivk. Ustrezno dober oscilator daje stabilno frekvenco.
V primeru RC (Resistor-Capacitor) ali RLC (Resistor-Inductor-Capacitor) oscilatorjev niso dobra izbira, kadar so potrebna stabilna in natančna nihanja. Spremembe temperature vplivajo na obremenitev in napajalni vod, kar posledično vpliva na stabilnost vezja oscilatorja. Stabilnost je mogoče izboljšati na določeno raven v primeru RC in RLC vezja, vendar v določenih primerih še vedno ni dovolj.
V takem primeru se uporablja kvarčni kristal. Kremen je mineral, sestavljen iz atomov silicija in kisika. Reagira, ko se na kvarčni kristal nanese napetostni vir. Proizvaja značilnost, označeno kot Piezo-električni učinek. Ko se nanj nanese napetostni vir, bo spremenil obliko in povzročil mehanske sile, mehanske sile pa se vrnejo nazaj in ustvarijo električni naboj.
Ker pretvarja električno energijo v mehansko in mehansko v električno, se imenuje pretvorniki. Te spremembe povzročajo zelo stabilne vibracije, Piezo-električni učinek pa povzroči stabilna nihanja.
Kvarčni kristal in njegovo enakovredno vezje
To je simbol kristalnega oscilatorja. Kremenov kristal je izdelan iz tankega kosa kremenčeve rezine, tesno nameščene in nadzorovane med dvema vzporednima metaliziranima površinama. Metalizirane površine so narejene za električne povezave, fizikalna velikost in gostota kremena pa tudi debelina je strogo nadzorovana, saj spremembe oblike in velikosti neposredno vplivajo na frekvenco nihanja. Ko je oblikovan in nadzorovan, je proizvedena frekvenca fiksna, osnovne frekvence ni mogoče spremeniti v druge frekvence. Ta posebna frekvenca za določen kristal se imenuje značilna frekvenca.
Na zgornji sliki levo vezje predstavlja enakovredno vezje kvarčnega kristala, prikazano na desni strani. Kot vidimo, se uporabljajo 4 pasivne komponente, dva kondenzatorja C1 in C2 ter en induktor L1, upor R1. C1, L1, R1 je povezan zaporedno, C2 pa vzporedno.
Serijsko vezje, ki je sestavljeno iz enega kondenzatorja, enega upora in enega induktorja, simbolizira nadzorovano vedenje in stabilno delovanje kristala in vzporednega kondenzatorja, C2 predstavlja vzporedno kapacitivnost vezja ali enakovrednega kristala.
Pri delovni frekvenci C1 odzvanja z induktivnostjo L1. Ta delovna frekvenca se imenuje serijska frekvenca kristalov (fs). Zaradi te serijske frekvence je sekundarna frekvenčna točka prepoznana z vzporedno resonanco. L1 in C1 tudi odzvanjata z vzporednim kondenzatorjem C2. Vzporedni kondenzator C2 se pogosto opisuje kot ime C0 in se imenuje Shunt Capacitance of Quartz Crystal.
Izhodna impedanca kristala glede na frekvenco
Če uporabimo formulo reaktancije na dveh kondenzatorjih, bo za serijski kondenzator C1 kapacitivna reaktanca:
X C1 = 1 / 2πfC 1
Kje, F = frekvenca in C1 = vrednost serijske kapacitivnosti.
Enaka formula velja tudi za vzporedni kondenzator, kapacitivna reaktanca vzporednega kondenzatorja bo: -
X C2 = 1 / 2πfC 2
Če vidimo graf razmerja med izhodno impedanco in frekvenco, bomo videli spremembe v impedanci.
Na zgornji sliki vidimo krivuljo impedance kristalnega oscilatorja in tudi to, kako se spreminja ta naklon, ko se spremeni frekvenca. Obstajata dve točki, ena je serijska resonančna frekvenčna točka, druga pa vzporedna resonančna frekvenčna točka.
Na serijski resonančni frekvenčni točki je impedanca postala minimalna. Serijski kondenzator C1 in serijski induktor L1 tvorita serijsko resonanco, ki je enaka serijskemu uporu.
Na tej serijski resonančni frekvenčni točki se bodo zgodile naslednje:
- Impedanca je najmanjša v primerjavi z drugimi frekvenčnimi časi.
- Impedanca je enaka serijskemu uporu.
- Pod to točko kristal deluje kot kapacitivna oblika.
Nato se frekvenca spremeni in naklon se počasi poveča na najvišjo točko pri vzporedni resonančni frekvenci, preden doseže vzporedno resonančno frekvenčno točko, kristal deluje kot serijski induktor.
Po doseganju vzporedne frekvenčne točke naklon impedance doseže največjo vrednost. Vzporedni kondenzator C2 in serijski induktor ustvarita vezje LC rezervoarja in tako je izhodna impedanca postala visoka.
Tako se kristal obnaša kot induktor ali kot kondenzator v seriji in vzporedni resonanci. Crystal lahko deluje na obeh resonančnih frekvencah, vendar ne hkrati. Za delovanje je treba uglasiti katerega koli določenega.
Kristalna reaktanca proti frekvenci
Serije reaktance vezja se lahko meri s pomočjo naslednje formule: -
X S = R2 + (XL 1 - XC 1) 2
Kjer je R vrednost upora
Xl1 je serijska induktivnost vezja
Xc1 je serijska kapacitivnost vezja.
Vzporedna kapacitivna reaktanca vezja bo: -
X CP = -1 / 2πfCp
Vzporedna reaktanca vezja bo: -
Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp
Če vidimo graf, bo videti tako: -
Kot lahko vidimo v zgornjem grafu, da je serijska reaktanca na točki serijske resonance obratno sorazmerna s C1, v točki od fs do fp kristal deluje kot induktivna, ker v tem trenutku dve vzporedni kapacitivnosti postaneta zanemarljivi.
Po drugi strani pa bo kristal v kapacitivni obliki, kadar je frekvenca zunaj fs in fp točk.
Serijsko resonančno frekvenco in vzporedno resonančno frekvenco lahko izračunamo po teh dveh formulah -
Faktor Q za kremenov kristal:
Q je kratka oblika kakovosti. Je pomemben vidik kremenčeve kristalne resonance. Ta faktor Q določa stabilnost frekvence Crystal. Na splošno se Q faktor kristala giblje med 20 000 in več kot 100 000. Včasih je opaziti tudi faktor Q kristala več kot 200.000.
Faktor Q kristala lahko izračunamo po naslednji formuli -
Q = X L / R = 2πfsL 1 / R
Kjer je X L reaktanca induktorja in R upor.
Primer kvarčnega kristalnega oscilatorja z izračunom
Izračunali bomo serijsko resonančno frekvenco kristalov kremena, vzporedno resonančno frekvenco in faktor kakovosti kristala, ko bodo na voljo naslednje točke -
R1 = 6,8R
C1 = 0,09970pF
L1 = 3mH
In C2 = 30pF
Serijska resonančna frekvenca kristala je -
Kristalna vzporedna resonančna frekvenca, fp je -
Zdaj lahko razumemo, da je serijska resonančna frekvenca 9,20 MHz, vzporedna resonančna frekvenca pa 9,23 MHz
Faktor Q tega kristala bo
Kristalni oscilator Colpitts
Kristalno oscilatorno vezje, izdelano z uporabo bipolarnega tranzistorja ali različnih vrst FET-jev. Na zgornji sliki je prikazan oscilator colpitts; kapacitivni delilnik napetosti se uporablja za povratne informacije. Tranzistor Q1 je v običajni konfiguraciji oddajnika. V zgornjem vezju se R1 in R2 uporabljata za pristranskost tranzistorja, C1 pa kot obvodni kondenzator, ki ščiti bazo pred RF zvoki.
V tej konfiguraciji bo kristal deloval kot šant zaradi povezave med kolektorjem in tlemi . Vzporedno je resonančna konfiguracija. Kondenzator C2 in C3 se uporablja za povratne informacije. Kristal Q2 je povezan kot vzporedno resonančno vezje.
Izhodno ojačanje je v tej konfiguraciji majhno, da se prepreči odvajanje moči v kristalu.
Kristalni oscilator Pierce
Druga konfiguracija, ki se uporablja v kremenčevem kristalnem oscilatorju, kjer se tranzistor spremeni v JFET za ojačanje, kjer je JFET v zelo visokih vhodnih impedancah, ko je kristal priključen v Drain to Gate s kondenzatorjem.
Na zgornji sliki je prikazano vezje kristalnega oscilatorja Pierce. C4 zagotavlja potrebne povratne informacije v tem oscilatorju. Te povratne informacije so pozitivne povratne informacije, ki predstavljajo 180-stopinjski fazni zamik pri resonančni frekvenci. R3 krmili povratne informacije in kristal zagotavlja potrebno nihanje.
Kristalni oscilator Pierce potrebuje minimalno število komponent in zaradi tega je zaželena izbira tam, kjer je prostor omejen. Digitalna ura, merilniki časa in različne vrste ur uporabljajo prebodno vezje kristalnega oscilatorja. Vrednost amplitude izhodnega sinusnega vala do največje vrednosti je omejena z napetostnim območjem JFET.
Oscilator CMOS
Osnovni oscilator, ki uporablja vzporedno-resonančno konfiguracijo kristala, je mogoče izdelati z uporabo pretvornika CMOS. Pretvornik CMOS lahko uporabimo za doseganje zahtevane amplitude. Sestavljen je iz obrnjenega Schmittovega sprožilca, kot so 4049, 40106 ali tranzistor-tranzistorska logika (TTL) čip 74HC19 itd.
Na zgornji sliki je uporabljen 74HC19N, ki deluje kot Schmittov sprožilec v obrnjeni konfiguraciji. Kristal bo zagotovil potrebno nihanje v serijski resonančni frekvenci. R1 je povratni upor za CMOS in zagotavlja visok faktor Q z visoko ojačitvijo. Drugi 74HC19N je ojačevalnik, ki zagotavlja zadostno moč za obremenitev.
Pretvornik deluje pri 180-stopinjskem izhodu faznega premika, Q1, C2, C1 pa zagotavljajo dodatni 180-stopinjski fazni premik. Med nihanjem fazni premik ostane vedno 360 stopinj.
Ta kristalni oscilator CMOS zagotavlja izhod kvadratnih valov. Najvišja izhodna frekvenca je določena s preklopno karakteristiko pretvornika CMOS. Izhodno frekvenco lahko spremenite z uporabo vrednosti kondenzatorjev in vrednosti upora. C1 in C2 morata biti po vrednosti enaki.
Zagotavljanje ure mikroprocesorju s pomočjo kristalov
Ker različna uporaba kremenčevih kristalnih oscilatorjev vključuje digitalne ure, merilnike časa itd., Je tudi primerna izbira za zagotavljanje stabilne nihajne ure v mikroprocesorju in CPU.
Mikroprocesor in CPU za delovanje potrebuje stabilen vhod ure. Za te namene se pogosto uporablja kremenov kristal. Kremenov kristal zagotavlja visoko natančnost in stabilnost v primerjavi z drugimi RC ali LC ali RLC oscilatorji.
Na splošno se urna frekvenca uporablja za mikrokrmilnik ali pa je CPU v območju od KHz do Mhz. Ta frekvenca ure določa, kako hitro lahko procesor obdela podatke.
Za doseganje te frekvence se uporablja serijski kristal, ki se uporablja z omrežjem dveh kondenzatorjev z enako vrednostjo, skozi vhod oscilatorja ustreznega MCU ali CPU.
Na tej sliki lahko vidimo, da kristal z dvema kondenzatorjema tvori omrežje in je prek vhodnega zatiča OSC1 in OSC2 povezan prek enote mikrokrmilnika ali centralne procesne enote. Na splošno vsi mikrokrmilniki ali procesorji sestavljajo ta dva zatiča. V nekaterih primerih sta na voljo dve vrsti OSC zatičev. Ena je za primarni oscilator za generiranje ure, druga pa za sekundarni oscilator, ki se uporablja za druga sekundarna dela, kjer je potrebna sekundarna taktna frekvenca. Vrednost kondenzatorja se giblje med 10pF in 42 pF, vse vmes pa 15pF, 22pF, 33pF se pogosto uporablja.