- Kremenný kryštál a jeho ekvivalentný obvod
- Impedancia výstupu kryštálu proti frekvencii
- Kryštalická reaktivita proti frekvencii
- Faktor Q pre kremenný kryštál:
- Príklad kremičitého kryštálu s výpočtom
- Krištáľový oscilátor Colpitts
- Krištáľový oscilátor Pierce
- CMOS oscilátor
- Poskytovanie hodín mikroprocesoru pomocou kryštálov
V našich predchádzajúcich výukových programoch Oscilátor RC fázového posuvu a Oscilátor Wein Bridge získavame nestranný názor na to, čo je Oscilátor. Oscilátor je mechanická alebo elektronická konštrukcia, ktorá produkuje osciláciu v závislosti od niekoľkých premenných. Správne dobrý oscilátor vytvára stabilné frekvenciu.
V prípade RC (Resistor-Capacitor) alebo RLC (Resistor-Inductor-Capacitor) oscilátorov nie sú dobrou voľbou tam, kde sú potrebné stabilné a presné oscilácie. Zmeny teploty ovplyvňujú zaťaženie a napájacie vedenie, čo zase ovplyvňuje stabilitu obvodu oscilátora. Stabilitu je možné na určitú úroveň vylepšiť v prípade obvodov RC a RLC, avšak zlepšenie nie je v konkrétnych prípadoch dostatočné.
V takejto situácii sa používa kremenný kryštál. Kremeň je minerál zložený z atómov kremíka a kyslíka. Reaguje, keď sa na kremenný kryštál použije zdroj napätia. Vyrába charakteristiku identifikovanú ako piezoelektrický jav. Keď na neho privediete zdroj napätia, zmení sa tvar a vytvorí mechanické sily a mechanické sily sa vrátia späť a vytvoria elektrický náboj.
Pretože prevádza elektrickú energiu na mechanickú a mechanickú na elektrickú, označuje sa to ako meniče. Tieto zmeny vytvárajú veľmi stabilné vibrácie a ako piezoelektrický jav vytvárajú stabilné oscilácie.
Kremenný kryštál a jeho ekvivalentný obvod
Toto je symbol Krištáľového oscilátora. Kremenný krištáľ je vyrobený z tenkého kúska kremeňovej oblátky, ktorá je pevne spojená a ovládaná medzi dvoma rovnobežnými metalizovanými povrchmi. Metalizované povrchy sú vyrobené pre elektrické spojenia a fyzikálna veľkosť a hustota kremeňa a tiež hrúbka sú pevne kontrolované, pretože zmeny tvaru a veľkosti priamo ovplyvňujú frekvenciu oscilácií. Akonáhle je tvarovaný a riadený, je produkovaná frekvencia pevná, základná frekvencia sa nedá zmeniť na iné frekvencie. Táto špecifická frekvencia pre konkrétny kryštál sa nazýva charakteristická frekvencia.
Na hornom obrázku predstavuje ľavý obvod ekvivalentný obvod kremenného kryštálu, ktorý je zobrazený na pravej strane. Ako vidíme, používajú sa 4 pasívne komponenty, dva kondenzátory C1 a C2 a jeden induktor L1, odpor R1. C1, L1, R1 sú zapojené do série a C2 zapojené paralelne.
Sériový obvod, ktorý pozostáva z jedného kondenzátora, jedného odporu a jedného induktora, symbolizuje riadené správanie a stabilné operácie kryštálu a paralelného kondenzátora, C2 predstavuje paralelnú kapacitu obvodu alebo ekvivalentného kryštálu.
Na pracovnej frekvencii C1 rezonuje s indukčnosťou L1. Táto pracovná frekvencia sa označuje ako sériová frekvencia kryštálov (fs). Vďaka tejto sériovej frekvencii bol sekundárny frekvenčný bod rozpoznaný s paralelnou rezonanciou. L1 a C1 rezonujú aj s paralelným kondenzátorom C2. Paralelný kondenzátor C2 sa často označuje ako názov C0 a nazýva sa skratová kapacita kremenného kryštálu.
Impedancia výstupu kryštálu proti frekvencii
Ak použijeme vzorec reaktancie na dva kondenzátory, potom pre sériový kondenzátor C1 bude kapacitná reaktancia: -
X C1 = 1 / 2πfC 1
Kde, F = Frekvencia a C1 = hodnota sériovej kapacity.
Rovnaký vzorec platí aj pre paralelný kondenzátor, kapacitná reaktancia paralelného kondenzátora bude: -
X C2 = 1 / 2πfC 2
Ak uvidíme graf vzťahu medzi výstupnou impedanciou vs frekvenciou, uvidíme zmeny v impedancii.
Na hornom obrázku vidíme impedančnú krivku kryštálového oscilátora a tiež to, ako sa tento sklon mení pri zmene frekvencie. Existujú dva body, jeden je bod rezonančnej frekvencie série a druhý je bod paralelnej rezonančnej frekvencie.
V sériovom rezonančnom frekvenčnom bode je impedancia minimálna. Sériový kondenzátor C1 a sériový induktor L1 vytvárajú sériovú rezonanciu, ktorá sa rovná sériovému odporu.
Takže v tomto rezonančnom frekvenčnom bode série sa stanú nasledujúce veci: -
- Impedancia je minimálna v porovnaní s inými frekvenčnými časmi.
- Impedancia sa rovná sériovému odporu.
- Pod týmto bodom kryštál pôsobí ako kapacitná forma.
Ďalej sa frekvencia zmení a sklon sa pomaly zvyšuje na maximálny bod pri paralelnej rezonančnej frekvencii, v tomto okamihu, pred dosiahnutím bodu paralelnej rezonančnej frekvencie, kryštál funguje ako sériový induktor.
Po dosiahnutí bodu paralelnej frekvencie dosiahne impedančný sklon maximálnu hodnotu. Paralelný kondenzátor C2 a sériový induktor vytvárajú obvod nádrže LC a výstupná impedancia sa tak zvýšila.
Takto sa kryštál chová ako induktor alebo ako kondenzátor v sérii a paralelnej rezonancii. Crystal môže pracovať v obidvoch rezonančných frekvenciách, ale nie súčasne. Pre fungovanie je potrebné vyladiť ktorýkoľvek konkrétny.
Kryštalická reaktivita proti frekvencii
Séria reaktancie obvodu môže byť meraná pomocou tohto vzorca: -
X S = R2 + (XL 1 - XC 1) 2
Kde R je hodnota odporu
Xl1 je sériová indukčnosť obvodu
Xc1 je sériová kapacita obvodu.
Paralelná kapacitná reaktancia obvodu bude: -
X CP = -1 / 2πfCp
Paralelná reaktancia obvodu bude: -
Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp
Ak uvidíme graf, bude vyzerať takto: -
Ako vidíme na hornom grafe, že sériová reaktancia v bode sériovej rezonancie je nepriamo úmerná C1, v bode od fs do fp kryštál pôsobí ako indukčný, pretože v tomto bode sa dve paralelné kapacity stávajú zanedbateľnými.
Na druhej strane, kryštál bude v kapacitnej forme, keď je frekvencia mimo bodov fs a fp.
Sériovú rezonančnú frekvenciu a paralelnú rezonančnú frekvenciu môžeme vypočítať pomocou týchto dvoch vzorcov -
Faktor Q pre kremenný kryštál:
Q je krátka forma kvality. Je to dôležitý aspekt rezonancie kremenného kryštálu. Tento faktor Q určuje frekvenčnú stabilitu Crystal. Všeobecne má faktor Q kryštálu rozsah od 20 000 do viac ako 100 000. Niekedy je faktor Q kryštálu pozorovateľný aj nad 200 000.
Q faktor kryštálu možno vypočítať pomocou nasledujúceho vzorca -
Q = X L / R = 2πfsL 1 / R
V prípade, X L je indukčnosť tlmivky a R je odpor.
Príklad kremičitého kryštálu s výpočtom
Vypočítame rezonančnú frekvenciu kremeňových kryštálov, paralelnú rezonančnú frekvenciu a faktor kvality kryštálu, keď sú k dispozícii nasledujúce body -
R1 = 6,8R
C1 = 0,09970pF
L1 = 3 mH
A C2 = 30pF
Sériová rezonančná frekvencia kryštálu je -
Paralelná rezonančná frekvencia Crystal, fp je -
Teraz môžeme pochopiť, že sériová rezonančná frekvencia je 9,20 MHz a paralelná rezonančná frekvencia je 9,23 MHz
Q faktor tejto kryštálu sa BE
Krištáľový oscilátor Colpitts
Obvod kryštálového oscilátora skonštruovaný pomocou bipolárneho tranzistora alebo rôznych typov FET. Na hornom obrázku je zobrazený oscilátor colpitts; kapacitný napäťový delič sa používa pre spätnú väzbu. Tranzistor Q1 je v spoločnej konfigurácii vysielača. V hornom obvode sa R1 a R2 používajú na predpätie tranzistora a C1 sa používa ako obtokový kondenzátor, ktorý chráni základňu pred vysokofrekvenčnými zvukmi.
V tejto konfigurácii bude kryštál pôsobiť ako bočník v dôsledku spojenia od kolektora k zemi . Je to v paralelnej rezonančnej konfigurácii. Na spätnú väzbu sa používa kondenzátor C2 a C3. Kryštál Q2 je pripojený ako paralelný rezonančný obvod.
Výstupné zosilnenie je v tejto konfigurácii nízke, aby sa zabránilo rozptýleniu nadmerného výkonu v kryštáli.
Krištáľový oscilátor Pierce
Ďalšia konfigurácia použitá v kremíkovom kryštálovom oscilátore, kde sa tranzistor zmení na JFET na zosilnenie, keď je JFET pri veľmi vysokých vstupných impedanciách, keď je kryštál pripojený v odtoku k bráne pomocou kondenzátora.
Na hornom obrázku je zobrazený obvod Pierce Crystal Oscillator. C4 poskytuje potrebnú spätnú väzbu v tomto obvode oscilátora. Táto spätná väzba je pozitívna spätná väzba, čo je 180 stupňový fázový posun na rezonančnej frekvencii. R3 riadia spätnú väzbu a kryštál poskytuje potrebné kmity.
Krištáľový oscilátor Pierce vyžaduje minimálny počet komponentov, a preto je to výhodná voľba tam, kde je obmedzený priestor. Digitálne hodiny, časovače a rôzne typy hodiniek používajú prepichnutý obvod kryštálového oscilátora. Špičková hodnota amplitúdy výstupnej sínusovej vlny je obmedzená rozsahom napätia JFET.
CMOS oscilátor
Základný oscilátor, ktorý využíva konfiguráciu paralelne rezonančných kryštálov, je možné vytvoriť pomocou invertora CMOS. Na dosiahnutie požadovanej amplitúdy je možné použiť invertor CMOS. Pozostáva z invertujúceho Schmittovho spúšťača ako 4049, 40106 alebo tranzistor-tranzistorový logický čip (TTL) 74HC19 atď.
Na hornom obrázku je použitý 74HC19N, ktorý funguje ako Schmittov spúšť v inverznej konfigurácii. Kryštál poskytne potrebné kmitanie v sériovej rezonančnej frekvencii. R1 je spätnoväzbový rezistor pre CMOS a poskytuje vysoký faktor Q s možnosťou vysokého zisku. Druhý 74HC19N je zosilňovač, ktorý poskytuje dostatočný výkon pre záťaž.
Invertor pracuje na výstupe s fázovým posunom 180 stupňov a Q1, C2, C1 poskytujú ďalších 180 stupňov fázového posuvu. Počas procesu kmitania zostáva fázový posun vždy o 360 stupňov.
Tento kryštálový oscilátor CMOS poskytuje výstup štvorcových vĺn. Maximálna výstupná frekvencia je určená spínacou charakteristikou meniča CMOS. Výstupnú frekvenciu je možné meniť pomocou hodnoty kondenzátorov a hodnoty odporu. Hodnoty C1 a C2 musia byť rovnaké.
Poskytovanie hodín mikroprocesoru pomocou kryštálov
Pretože rôzne použitie oscilátora z kremenného kryštálu zahŕňajú digitálne hodinky, časovače atď., Je tiež vhodnou voľbou na zabezpečenie stabilných oscilačných hodín medzi mikroprocesorom a procesormi.
Mikroprocesor a procesor potrebujú na svoju činnosť stabilný vstup hodín. Na tieto účely sa často používa kremenný kryštál. Kremenný kryštál poskytuje vysokú presnosť a stabilitu v porovnaní s inými RC alebo LC alebo RLC oscilátormi.
Všeobecne sa taktovacia frekvencia používa pre mikrokontrolér alebo procesor v rozmedzí od KHz do Mhz. Táto frekvencia hodín určuje, ako rýchlo dokáže procesor spracovať údaje.
Na dosiahnutie tejto frekvencie sa na vstupe oscilátora príslušného MCU alebo CPU použije sieťový kryštál používaný v sieti dvoch kondenzátorov rovnakej hodnoty.
Na tomto obrázku vidíme, že kryštál s dvoma kondenzátormi vytvára sieť a je prepojený cez jednotku mikrokontroléra alebo centrálnu procesorovú jednotku cez vstupný kolík OSC1 a OSC2. Tento dva kolíky pozostávajú vo všeobecnosti zo všetkých mikrokontrolérov alebo procesorov. V niektorých prípadoch sú k dispozícii dva typy pinov OSC. Jeden je pre primárny oscilátor na generovanie hodín a druhý pre sekundárny oscilátor, ktorý sa používa pre ďalšie sekundárne práce, kde je potrebná sekundárna frekvencia hodín. Hodnota kondenzátora sa pohybuje v rozmedzí od 10 pF do 42 pF, široko sa používa čokoľvek okrem 15pF, 22pF, 33pF.