Ταλαντωτής κρυστάλλου χαλαζία

Στα προηγούμενα σεμινάρια RC Phase Shift Oscillator και Wein Bridge Oscillator, έχουμε δίκαιη ιδέα για το τι είναι ταλαντωτής. Ένας ταλαντωτής είναι μια μηχανική ή ηλεκτρονική κατασκευή που παράγει ταλάντωση ανάλογα με λίγες μεταβλητές. Ένας σωστός καλός ταλαντωτής παράγει σταθερή συχνότητα.

Σε περίπτωση ταλαντωτών RC (Resistor-Capacitor) ή RLC (Resistor-Inductor-Capacitor), δεν είναι καλή επιλογή όπου χρειάζονται σταθερές και ακριβείς ταλαντώσεις. Οι μεταβολές θερμοκρασίας επηρεάζουν τη γραμμή φορτίου και τροφοδοσίας η οποία με τη σειρά της επηρεάζει τη σταθερότητα του κυκλώματος ταλαντωτή. Η σταθερότητα μπορεί να βελτιωθεί σε ένα ορισμένο επίπεδο στην περίπτωση κυκλώματος RC και RLC, αλλά η βελτίωση δεν επαρκεί σε συγκεκριμένες περιπτώσεις.

Σε αυτήν την περίπτωση, χρησιμοποιείται το Quartz Crystal. Ο χαλαζίας είναι ορυκτό που αποτελείται από άτομα πυριτίου και οξυγόνου. Αντιδρά όταν μια πηγή τάσης εφαρμόζεται σε κρύσταλλο χαλαζία. Παράγει ένα χαρακτηριστικό, που χαρακτηρίζεται ως Piezo-ηλεκτρικό εφέ. Όταν η πηγή τάσης εφαρμόζεται σε αυτήν, θα αλλάξει σχήμα και θα παράγει μηχανικές δυνάμεις, και οι μηχανικές δυνάμεις θα επιστρέψουν και θα παράγουν ηλεκτρικό φορτίο.

Καθώς μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική και μηχανική σε ηλεκτρική, αναφέρεται ως μορφοτροπέας. Αυτές οι αλλαγές παράγουν πολύ σταθερή δόνηση, και ως ένα Piezo-ηλεκτρικό εφέ παράγει τις σταθερές ταλαντώσεις.

Quartz Crystal και το αντίστοιχο κύκλωμα του

Αυτό είναι το σύμβολο του Crystal Oscillator. Ο κρύσταλλος χαλαζία είναι κατασκευασμένος από λεπτό κομμάτι γκοφρέτα χαλαζία σφιχτά τοποθετημένο και ελεγχόμενο μεταξύ δύο παράλληλων μεταλλικών επιφανειών. Οι μεταλλικές επιφάνειες είναι κατασκευασμένες για ηλεκτρικές συνδέσεις, και το φυσικό μέγεθος και η πυκνότητα χαλαζία επίσης το πάχος ελέγχεται στενά καθώς οι αλλαγές στο σχήμα και το μέγεθος επηρεάζουν άμεσα τη συχνότητα ταλάντωσης. Μόλις διαμορφωθεί και ελεγχθεί, η παραγόμενη συχνότητα σταθεροποιείται, η θεμελιώδης συχνότητα δεν μπορεί να αλλάξει σε άλλες συχνότητες. Αυτή η συγκεκριμένη συχνότητα για τον συγκεκριμένο κρύσταλλο ονομάζεται χαρακτηριστική συχνότητα.

Στην επάνω εικόνα, το αριστερό κύκλωμα αντιπροσωπεύει το ισοδύναμο κύκλωμα του Quartz Crystal, που φαίνεται στη δεξιά πλευρά. Όπως μπορούμε να δούμε, χρησιμοποιούνται 4 παθητικά εξαρτήματα, δύο πυκνωτές C1 και C2 και ένας επαγωγέας L1, Resistor R1. Τα C1, L1, R1 συνδέονται σε σειρά και το C2 συνδέεται παράλληλα.

Το κύκλωμα σειράς που αποτελείται από έναν πυκνωτή, έναν αντιστάτη και έναν επαγωγέα, συμβολίζει την ελεγχόμενη συμπεριφορά και τις σταθερές λειτουργίες του Crystal και του παράλληλου πυκνωτή, το C2 αντιπροσωπεύει την παράλληλη χωρητικότητα του κυκλώματος ή του ισοδύναμου κρυστάλλου.

Στη συχνότητα λειτουργίας το C1 αντηχεί με την επαγωγή L1. Αυτή η συχνότητα λειτουργίας αναφέρεται ως συχνότητα σειράς κρυστάλλων (fs). Λόγω αυτής της συχνότητας σειράς, ένα δευτερεύον σημείο συχνότητας αναγνωρίζεται με τον παράλληλο συντονισμό. Οι L1 και C1 αντηχούν επίσης με τον παράλληλο πυκνωτή C2. Ο παράλληλος πυκνωτής C2 περιγράφει συχνά ως το όνομα C0 και ονομάζεται Shunt Capacitance of a Quartz Crystal.

Αντίσταση εξόδου κρυστάλλου έναντι συχνότητας

Εάν εφαρμόσουμε τον τύπο αντίδρασης σε δύο πυκνωτές, τότε, για τον πυκνωτή σειράς C1, η χωρητική αντίδραση θα είναι: -

X _C1 = 1 / 2πfC ₁

Οπου, F = Συχνότητα και C1 = τιμή της χωρητικότητας της σειράς.

Ο ίδιος τύπος ισχύει και για τον παράλληλο πυκνωτή, η χωρητική αντίδραση του παράλληλου πυκνωτή θα είναι: -

X _C2 = 1 / 2πfC ₂

Αν δούμε το γράφημα σχέσεων μεταξύ της αντίστασης εξόδου έναντι της συχνότητας, θα δούμε τις αλλαγές στην σύνθετη αντίσταση.

Στην πάνω εικόνα βλέπουμε την καμπύλη σύνθετης αντίστασης του ταλαντωτή κρυστάλλου και επίσης βλέπουμε ότι, πώς αλλάζει αυτή η κλίση όταν αλλάζει η συχνότητα. Υπάρχουν δύο σημεία το ένα είναι σημείο συχνότητας συντονισμού σειράς και το άλλο είναι παράλληλο σημείο συχνότητας συντονισμού.

Στο σημείο συντονισμού συντονισμού της σειράς η αντίσταση γίνεται ελάχιστη. Ο πυκνωτής σειράς C1 και η σειρά Inductor L1 δημιουργούν έναν συντονισμό σειράς που είναι ίσος με την αντίσταση σειράς.

Έτσι, σε αυτό το σημείο συντονισμού σειράς συντονισμού, θα συμβούν τα ακόλουθα πράγματα:

Η αντίσταση είναι ελάχιστη σε σύγκριση με άλλους χρόνους συχνότητας.
Η αντίσταση ισούται με την αντίσταση της σειράς.
Κάτω από αυτό το σημείο ο κρύσταλλος δρα ως χωρητική μορφή.

Στη συνέχεια, η συχνότητα αλλάζει και η κλίση αυξάνεται αργά στο μέγιστο σημείο της συχνότητας παράλληλου συντονισμού, αυτή τη στιγμή, πριν φτάσει στο σημείο παράλληλου συντονισμού, ο κρύσταλλος ενεργεί ως επαγωγέας σειράς.

Αφού φτάσετε στο σημείο παράλληλης συχνότητας, η κλίση σύνθετης αντίστασης φτάνει στη μέγιστη τιμή. Ο παράλληλος πυκνωτής C2 και το Series Inductor δημιουργούν ένα κύκλωμα δεξαμενής LC και έτσι η αντίσταση εξόδου έγινε υψηλή.

Έτσι συμπεριφέρεται ο κρύσταλλος ως επαγωγέας ή σαν πυκνωτής σε σειρά και παράλληλος συντονισμός. Το Crystal μπορεί να λειτουργήσει και στις δύο αυτές συχνότητες συντονισμού αλλά όχι ταυτόχρονα. Πρέπει να συντονιστείτε σε οποιοδήποτε συγκεκριμένο για να λειτουργήσετε.

Κρυσταλλική αντίδραση έναντι της συχνότητας

Η σειρά Reactance του κυκλώματος μπορεί να μετρηθεί χρησιμοποιώντας αυτόν τον τύπο: -

X _S = R2 + (XL ₁ - XC ₁) ²

Όπου, το R είναι η τιμή της αντίστασης

Το Xl1 είναι η επαγωγική σειρά του κυκλώματος

Το Xc1 είναι η χωρητικότητα σειράς του κυκλώματος.

Η παράλληλη χωρητική αντίδραση του κυκλώματος θα είναι: -

X _CP = -1 / 2πfCp

Η παράλληλη αντίδραση του κυκλώματος θα είναι: -

Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp

Αν δούμε το γράφημα θα μοιάζει με αυτό: -

Όπως μπορούμε να δούμε στο άνω γράφημα ότι η αντίδραση της σειράς στο σημείο του συντονισμού της σειράς είναι αντιστρόφως ανάλογη με το C1, στο σημείο από fs έως fp ο κρύσταλλος ενεργεί ως επαγωγικός επειδή σε αυτό το σημείο, δύο παράλληλες χωρητικότητα καθίστανται αμελητέες.

Από την άλλη πλευρά, ο κρύσταλλος θα είναι σε χωρητική μορφή όταν η συχνότητα είναι εκτός των σημείων fs και fp.

Μπορούμε να υπολογίσουμε τη συχνότητα συντονισμού σειράς και τη συχνότητα παράλληλου συντονισμού χρησιμοποιώντας αυτούς τους δύο τύπους -

Παράγοντας Q για κρύσταλλο χαλαζία:

Το Q είναι η σύντομη μορφή ποιότητας. Είναι μια σημαντική πτυχή του συντονισμού κρυστάλλου χαλαζία. Αυτός ο παράγοντας Q καθορίζει τη σταθερότητα συχνότητας του Crystal. Γενικά, ο συντελεστής Q ενός κρυστάλλου κυμαίνεται από 20, 000 έως πάνω από 100.000. Μερικές φορές, ο παράγοντας Q ενός κρυστάλλου είναι επίσης παρατηρήσιμος πάνω από 200.000.

Ο συντελεστής Q ενός κρυστάλλου μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο -

Q = X _L / R = 2πfsL ₁ / R

Όπου, το Χ _L είναι επαγωγική αντίδραση και το R είναι η αντίσταση.

Παράδειγμα ταλαντωτή κρυστάλλου χαλαζία με υπολογισμό

Θα υπολογίσουμε τη συχνότητα συντονισμού σειράς κρυστάλλων χαλαζία, τη συχνότητα παράλληλου συντονισμού και τον συντελεστή ποιότητας του κρυστάλλου όταν είναι διαθέσιμα τα ακόλουθα σημεία-

R1 = 6.8R

C1 = 0,09970 pF

L1 = 3mH

Και C2 = 30pF

Η συχνότητα συντονισμού σειράς του κρυστάλλου είναι -

Η παράλληλη συχνότητα συντονισμού του Crystal, το fp είναι -

Τώρα, μπορούμε να καταλάβουμε ότι η συχνότητα συντονισμού σειράς είναι 9,20 MHz και η παράλληλη συχνότητα συντονισμού είναι 9,23 MHz

Ο παράγοντας Q αυτού του κρυστάλλου θα είναι-

Colpitts Crystal ταλαντωτής

Κύκλωμα κρυστάλλου ταλαντωτή κατασκευασμένο χρησιμοποιώντας διπολικό τρανζίστορ ή διάφορους τύπους FET. Στην επάνω εικόνα, εμφανίζεται ένας ταλαντωτής colpitts. το χωρητικό διαχωριστικό τάσης χρησιμοποιείται για ανατροφοδότηση. Το τρανζίστορ Q1 είναι σε κοινή διαμόρφωση εκπομπής. Στο άνω κύκλωμα τα R1 και R2 χρησιμοποιούνται για την πόλωση του τρανζίστορ και το C1 χρησιμοποιείται ως πυκνωτής παράκαμψης που προστατεύει τη βάση από τους θορύβους RF.

Σε αυτήν τη διαμόρφωση, ο κρύσταλλος θα λειτουργεί ως παράκαμψη λόγω της σύνδεσης από το συλλέκτη στο έδαφος . Είναι σε παράλληλη ρύθμιση συντονισμού. Οι πυκνωτές C2 και C3 χρησιμοποιούνται για ανατροφοδότηση. Το κρύσταλλο Q2 συνδέεται ως παράλληλο κύκλωμα συντονισμού.

Η ενίσχυση εξόδου είναι χαμηλή σε αυτή τη διαμόρφωση για την αποφυγή υπερβολικής απορρόφησης ισχύος στον κρύσταλλο.

Ταλαντωτής Pierce Crystal

Μια άλλη διαμόρφωση που χρησιμοποιείται στον ταλαντωτή κρυστάλλου χαλαζία, όπου το τρανζίστορ αλλάζει σε JFET για την ενίσχυση, όπου το JFET βρίσκεται σε πολύ υψηλές αντίσταση εισόδου όταν ο κρύσταλλος συνδέεται στο Drain to Gate χρησιμοποιώντας έναν πυκνωτή.

Στην επάνω εικόνα εμφανίζεται ένα κύκλωμα ταλαντωτή Crystal Pierce. Το C4 παρέχει τα απαραίτητα σχόλια σε αυτό το κύκλωμα ταλαντωτή. Αυτή η ανατροφοδότηση είναι θετική ανατροφοδότηση που είναι μετατόπιση φάσης 180 μοιρών στη συχνότητα συντονισμού. Το R3 ελέγχει την ανάδραση και ο κρύσταλλος παρέχει την απαραίτητη ταλάντωση.

Ο ταλαντωτής κρυστάλλου Pierce χρειάζεται ελάχιστο αριθμό εξαρτημάτων και λόγω αυτού είναι μια προτιμώμενη επιλογή όπου ο χώρος είναι περιορισμένος. Το ψηφιακό ρολόι, τα χρονόμετρα και διάφορα είδη ρολογιών χρησιμοποιούν κύκλωμα ταλαντωτή κρυστάλλου. Η τιμή εύρους από την κορυφή προς την κορυφή του ημιτονοειδούς εξόδου περιορίζεται από το εύρος τάσης JFET.

Ταλαντωτής CMOS

Ένας βασικός ταλαντωτής που χρησιμοποιεί διαμόρφωση κρυστάλλου παράλληλου συντονισμού μπορεί να κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας μετατροπέα CMOS. Ο μετατροπέας CMOS μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επίτευξη του απαιτούμενου πλάτους. Αποτελείται από την αντιστροφή της σκανδάλης Schmitt όπως 4049, 40106 ή Transistor-Transistor logic (TTL) chip 74HC19 κλπ.

Στην επάνω εικόνα χρησιμοποιείται 74HC19N το οποίο ενεργεί ως σκανδάλη Schmitt στην αντιστροφή της διαμόρφωσης. Ο κρύσταλλος θα παρέχει την απαραίτητη ταλάντωση σε συχνότητα συντονισμού σειράς. Το R1 είναι η αντίσταση ανάδρασης για το CMOS και παρέχει υψηλό παράγοντα Q με δυνατότητες υψηλού κέρδους. Το δεύτερο 74HC19N είναι ενισχυτικό για να παρέχει επαρκή έξοδο για το φορτίο.

Ο μετατροπέας λειτουργεί σε έξοδο αλλαγής φάσης 180 μοιρών και τα Q1, C2, C1 παρέχουν επιπλέον αλλαγή φάσης 180 μοιρών. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ταλάντωσης η μετατόπιση φάσης παραμένει πάντα 360 μοίρες.

Αυτός ο ταλαντωτής κρυστάλλου CMOS παρέχει έξοδο τετραγωνικού κύματος. Η μέγιστη συχνότητα εξόδου καθορίζεται από το χαρακτηριστικό μεταγωγής του μετατροπέα CMOS. Η συχνότητα εξόδου μπορεί να αλλάξει χρησιμοποιώντας την τιμή Capacitors και την τιμή Resistor. Οι τιμές C1 και C2 πρέπει να είναι ίδιες στις τιμές.

Παροχή ρολογιού σε μικροεπεξεργαστή χρησιμοποιώντας κρύσταλλα

Καθώς η χρήση του ταλαντωτή κρυστάλλου χαλαζία περιλαμβάνει ψηφιακά ρολόγια, χρονοδιακόπτες κλπ, είναι επίσης μια κατάλληλη επιλογή για την παροχή σταθερού ρολογιού ταλάντωσης σε μικροεπεξεργαστή και CPU.

Ο μικροεπεξεργαστής και η CPU χρειάζονται σταθερή είσοδο ρολογιού για λειτουργία. Ο κρύσταλλος χαλαζία χρησιμοποιείται ευρέως για τους σκοπούς αυτούς. Ο κρύσταλλος χαλαζία παρέχει υψηλή ακρίβεια και σταθερότητα σε σύγκριση με άλλους ταλαντωτές RC ή LC ή RLC.

Γενικά, η συχνότητα ρολογιού χρησιμοποιείται για τον μικροελεγκτή ή η CPU κυμαίνεται από KHz έως Mhz. Αυτή η συχνότητα ρολογιού καθορίζει πόσο γρήγορα ο επεξεργαστής μπορεί να επεξεργαστεί δεδομένα.

Για να επιτευχθεί αυτή η συχνότητα χρησιμοποιείται ένας κρύσταλλος σειράς με δύο πυκνωτές δικτύου ίδιας αξίας σε όλη την είσοδο του ταλαντωτή των αντίστοιχων MCU ή CPU.

Σε αυτήν την εικόνα, μπορούμε να δούμε ότι ένας κρύσταλλος με δύο πυκνωτές σχηματίζει ένα δίκτυο και συνδέεται μεταξύ της μονάδας μικροελεγκτή ή της κεντρικής μονάδας επεξεργασίας μέσω της εισόδου OSC1 και OSC2 Γενικά όλοι οι μικροελεγκτές ή επεξεργαστές αποτελούνται από αυτά τα δύο ακροδέκτες. Σε ορισμένες περιπτώσεις υπάρχουν δύο τύποι ακίδων OSC. Το ένα είναι για τον πρωταρχικό ταλαντωτή για τη δημιουργία του ρολογιού και άλλο για τον δευτερεύοντα ταλαντωτή ο οποίος χρησιμοποιείται για άλλες δευτερεύουσες εργασίες όπου απαιτείται δευτερεύουσα συχνότητα ρολογιού. Η τιμή του πυκνωτή κυμαίνεται από 10pF έως 42 pF, οτιδήποτε μεταξύ 15pF, 22pF, 33pF χρησιμοποιείται ευρέως.