- Kvarcni kristal i njegov ekvivalentni krug
- Izlazna impedancija kristala prema frekvenciji
- Reaktancija kristala prema frekvenciji
- Q faktor za kvarcni kristal:
- Primjer kvarcnog kristalnog oscilatora s proračunom
- Kristalni oscilator Colpitts
- Kristalni oscilator Pierce
- CMOS oscilator
- Pružanje sata mikroprocesoru pomoću kristala
U našim prethodnim vodičima za RC fazni pomak i Wein Bridge oscilator, dobili smo poštenu ideju o tome što je oscilator. Oscilator je mehanička ili elektronička konstrukcija koja proizvodi oscilacije ovisno o nekoliko varijabli. Pravilan dobar oscilator stvara stabilnu frekvenciju.
U slučaju RC (otpornik-kondenzator) ili RLC (otpornik-induktor-kondenzator) oscilatora, oni nisu dobar izbor tamo gdje su potrebne stabilne i točne oscilacije. Promjene temperature utječu na teret i napajanje, što opet utječe na stabilnost kruga oscilatora. Stabilnost se može poboljšati na određenu razinu u slučaju RC i RLC kruga, ali ipak poboljšanje nije dovoljno u određenim slučajevima.
U takvoj se situaciji koristi kvarcni kristal. Kvarc je mineral sastavljen od atoma silicija i kisika. Reagira kad se izvor napona primijeni na kvarcni kristal. Proizvodi karakteristiku, identificiranu kao Piezo-električni efekt. Kada se na njega primijeni izvor napona, on će promijeniti oblik i stvoriti mehaničke sile, a mehaničke sile se vratiti i proizvesti električni naboj.
Kako električnu energiju pretvara u mehaničku, a mehaničku u električnu, naziva se pretvaračima. Te promjene proizvode vrlo stabilne vibracije, a kao Piezo-električni efekt nastaju stabilne oscilacije.
Kvarcni kristal i njegov ekvivalentni krug
Ovo je simbol kristalnog oscilatora. Kristalni kvarc izrađen je od tankog komada kvarcne pločice čvrsto postavljenog i kontroliranog između dvije paralelne metalizirane površine. Metalizirane površine izrađene su za električne veze, a fizička veličina i gustoća kvarca, kao i debljina, strogo se kontroliraju jer promjene oblika i veličine izravno utječu na frekvenciju titranja. Jednom kad se oblikuje i kontrolira, proizvedena frekvencija je fiksna, osnovna frekvencija ne može se promijeniti u druge frekvencije. Ova specifična frekvencija za određeni kristal naziva se karakteristična frekvencija.
Na gornjoj slici lijevi krug predstavlja ekvivalentni krug kvarcnog kristala, prikazan na desnoj strani. Kao što vidimo, koriste se 4 pasivne komponente, dva kondenzatora C1 i C2 i jedan induktor L1, otpornik R1. C1, L1, R1 spojeni su u seriju, a C2 paralelno.
Serijski sklop koji se sastoji od jednog kondenzatora, jednog otpornika i jednog induktora simbolizira kontrolirano ponašanje i stabilne operacije kristala i paralelnog kondenzatora, C2 predstavlja paralelni kapacitet kruga ili ekvivalentnog kristala.
Na radnoj frekvenciji C1 rezonira s induktivitetom L1. Ova radna frekvencija naziva se serijska frekvencija kristala (fs). Zbog ove serijske frekvencije sekundarna frekvencijska točka prepoznata je paralelnom rezonancijom. L1 i C1 također rezoniraju s paralelnim kondenzatorom C2. Paralelni kondenzator C2 često se opisuje kao naziv C0 i naziva se " Shunt Capacitance of Quartz Crystal".
Izlazna impedancija kristala prema frekvenciji
Ako primijenimo formulu reaktancije na dva kondenzatora, tada će za serijski kondenzator C1 kapacitivna reaktancija biti: -
X C1 = 1 / 2πfC 1
Gdje, F = frekvencija i C1 = vrijednost serijskog kapaciteta.
Ista formula vrijedi i za paralelni kondenzator, kapacitivni reaktans paralelnog kondenzatora bit će: -
X C2 = 1 / 2πfC 2
Ako vidimo graf odnosa između izlazne impedancije i frekvencije, vidjet ćemo promjene u impedanciji.
Na gornjoj slici vidimo krivulju impedancije kristalnog oscilatora i također vidimo kako se ovaj nagib mijenja kada se frekvencija mijenja. Postoje dvije točke jedna je serijska rezonantna frekvencijska točka, a druga paralelna rezonantna frekvencijska točka.
U točki serijske rezonantne frekvencije impedancija je postala minimalna. Serijski kondenzator C1 i serijski induktor L1 stvaraju serijsku rezonancu koja je jednaka serijskom otporu.
Dakle, na ovoj seriji rezonantnih frekvencija dogodit će se sljedeće: -
- Impedancija je minimalna u usporedbi s ostalim frekvencijskim vremenima.
- Impedancija je jednaka serijskom otporu.
- Ispod ove točke kristal djeluje kao kapacitivni oblik.
Dalje se frekvencija mijenja i nagib se polako povećava do maksimalne točke na paralelnoj rezonantnoj frekvenciji, u ovom trenutku, prije nego što dosegne paralelnu rezonantnu frekvencijsku točku, kristal djeluje kao serijski induktor.
Nakon postizanja paralelne frekvencijske točke nagib impedancije doseže maksimum u vrijednosti. Paralelni kondenzator C2 i serijski induktor stvaraju LC krug spremnika i time je izlazna impedancija postala visoka.
Tako se kristal ponaša kao induktor ili poput kondenzatora u seriji i paralelnoj rezonanciji. Crystal može raditi u obje rezonantne frekvencije, ali ne istodobno. Potrebno je podesiti bilo koji određeni za rad.
Reaktancija kristala prema frekvenciji
Serija reaktancija krug može se mjeriti pomoću formule: -
X S = R2 + (XL 1 - XC 1) 2
Gdje je R vrijednost otpora
Xl1 je serijska induktivnost kruga
Xc1 je serijski kapacitet kruga.
Paralelna kapacitivna reaktancija kruga bit će: -
X CP = -1 / 2πfCp
Paralelna reaktancija kruga bit će: -
Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp
Ako vidimo graf, izgledat će ovako: -
Kao što možemo vidjeti na gornjem grafikonu da je serijska reaktancija u točki serijske rezonancije obrnuto proporcionalna C1, u točki od fs do fp kristal djeluje induktivno jer u ovom trenutku dvije paralelne kapacitivnosti postaju zanemarive.
S druge strane, kristal će biti u kapacitivnom obliku kad je frekvencija izvan fs i fp točaka.
Serijsku rezonantnu frekvenciju i paralelnu rezonantnu frekvenciju možemo izračunati pomoću ove dvije formule -
Q faktor za kvarcni kristal:
Q je kratki oblik kvalitete. To je važan aspekt rezonancije kristalnog kvarca. Ovaj Q faktor određuje stabilnost frekvencije Crystala. Općenito, Q faktor kristala ima raspon od 20 000 do više od 100 000. Ponekad je Q faktor kristala i više od 200 000 koji se također može primijetiti.
Q faktor kristala može se izračunati pomoću sljedeće formule -
Q = X L / R = 2πfsL 1 / R
Gdje je X L reaktancija induktora, a R otpor.
Primjer kvarcnog kristalnog oscilatora s proračunom
Izračunati ćemo rezonantnu frekvenciju kristala kvarca, paralelnu rezonantnu frekvenciju i faktor kvalitete kristala kada budu dostupne sljedeće točke -
R1 = 6,8R
C1 = 0.09970pF
L1 = 3mH
I C2 = 30pF
Serijska rezonantna frekvencija kristala je -
Kristalna paralelna rezonantna frekvencija, fp je -
Sada možemo shvatiti da je serijska rezonantna frekvencija 9,20 MHz, a paralelna rezonantna frekvencija 9,23 MHz
Q faktor ovog kristala će Upravo stoga
Kristalni oscilator Colpitts
Kristalni oscilator sklop konstruiran pomoću bipolarnog tranzistora ili raznih vrsta FET-ova. Na gornjoj je slici prikazan oscilator colpittsa; kapacitivnog djelitelja napona se koristi za povratne informacije. Tranzistor Q1 je u uobičajenoj konfiguraciji odašiljača. U gornjem krugu R1 i R2 se koriste za odstupanje tranzistora, a C1 se koristi kao premosni kondenzator koji štiti bazu od RF buke.
U ovoj konfiguraciji kristal će djelovati kao ranžir zbog veze od kolektora do zemlje . To je paralelno rezonantna konfiguracija. Kondenzator C2 i C3 koristi se za povratne informacije. Kristal Q2 povezan je kao paralelni rezonantni krug.
Izlazno pojačanje je malo u ovoj konfiguraciji kako bi se izbjeglo prekomjerno rasipanje snage u kristalu.
Kristalni oscilator Pierce
Druga konfiguracija koja se koristi u oscilatoru kvarcnog kristala, gdje se tranzistor mijenja u JFET za pojačanje, gdje je JFET u vrlo visokim ulaznim impedansama kada je kristal spojen u odvodu na izlaz pomoću kondenzatora.
Na gornjoj je slici prikazan Pierceov kristalni oscilator. C4 pruža potrebne povratne informacije u ovom krugu oscilatora. Ova povratna informacija je pozitivna povratna informacija koja predstavlja fazni pomak od 180 stupnjeva na rezonantnoj frekvenciji. R3 kontrolira povratnu spregu i kristal pruža potrebne oscilacije.
Oscilator kristalnog Piercea treba minimalni broj komponenata i zbog toga je poželjan izbor tamo gdje je prostor ograničen. Digitalni sat, tajmeri i razne vrste satova koriste probojni krug kristalnog oscilatora. Vrijednost amplitude izlaznog sinusnog vala do vrha ograničena je rasponom napona JFET.
CMOS oscilator
Osnovni oscilator koji koristi paralelno-rezonantnu konfiguraciju kristala može se napraviti pomoću CMOS pretvarača. CMOS pretvarač se može koristiti za postizanje potrebne amplitude. Sastoji se od invertiranog Schmittovog okidača poput 4049, 40106 ili tranzistor-tranzistorska logika (TTL) čipa 74HC19 itd.
Na gornjoj slici 74HC19N korišten koji djeluje kao Schmittov okidač u invertirajućoj konfiguraciji. Kristal će pružiti potrebne oscilacije u serijskoj rezonantnoj frekvenciji. R1 je povratni otpor za CMOS i pruža visoki Q faktor s visokim mogućnostima pojačanja. Drugi 74HC19N je pojačivač za pružanje dovoljne snage za opterećenje.
Pretvarač radi na izlazu faznog pomaka od 180 stupnjeva, a Q1, C2, C1 pružaju dodatni fazni pomak od 180 stupnjeva. Tijekom procesa titranja fazni pomak uvijek ostaje 360 stupnjeva.
Ovaj CMOS kristalni oscilator pruža izlaz kvadratnih valova. Maksimalna izlazna frekvencija fiksirana je sklopnom karakteristikom CMOS pretvarača. Izlazna frekvencija može se mijenjati pomoću vrijednosti kondenzatora i vrijednosti otpornika. C1 i C2 moraju biti jednaki u vrijednostima.
Pružanje sata mikroprocesoru pomoću kristala
Kako različita upotreba oscilatora kvarcnog kristala uključuje digitalne satove, mjerače vremena itd., Također je prikladan izbor za pružanje stabilnog oscilacijskog sata na mikroprocesoru i CPU-ima.
Mikroprocesoru i CPU-u je za rad potreban stabilan ulaz sata. Kvarcni kristal se široko koristi u ove svrhe. Kvarcni kristal pruža visoku točnost i stabilnost u usporedbi s ostalim RC ili LC ili RLC oscilatorima.
Taktna frekvencija općenito se koristi za mikrokontrolere ili se CPU kreće od KHz do Mhz. Ova frekvencija takta određuje koliko brzo procesor može obraditi podatke.
Da bi se postigla ova frekvencija, koristi se serijski kristal koji se koristi s mrežom s dva kondenzatora iste vrijednosti preko ulaza oscilatora odgovarajućeg MCU ili CPU.
Na ovoj slici možemo vidjeti da kristal s dva kondenzatora tvori mrežu i povezan preko jedinice mikrokontrolera ili središnje procesorske jedinice putem OSC1 i OSC2 ulaznog pina. Općenito se svi mikrokontroleri ili procesori sastoje od ova dva pina. U nekim su slučajevima dostupne dvije vrste OSC igla. Jedan je za primarni oscilator za generiranje takta, a drugi za sekundarni oscilator koji se koristi za druge sekundarne radove gdje je potrebna sekundarna frekvencija takta. Vrijednost kondenzatora kreće se od 10pF do 42 pF, sve između 15pF, 22pF, 33pF se široko koristi.