- Kvartskrystall og dets tilsvarende krets
- Impedans mot krystallutgang mot frekvens
- Krystallreaktans mot frekvens
- Q-faktor for kvartskrystall:
- Eksempel på kvartskrystalloscillator med beregning
- Colpitts Crystal Oscillator
- Pierce Crystal Oscillator
- CMOS oscillator
- Tilby klokke til mikroprosessor ved bruk av krystaller
I vår forrige RC Phase Shift Oscillator og Wein Bridge Oscillator tutorials får vi en god ide om hva som er en Oscillator. En oscillator er en mekanisk eller elektronisk konstruksjon som produserer oscillasjon avhengig av få variabler. En skikkelig god oscillator gir stabil frekvens.
I tilfelle RC (Resistor-Capacitor) eller RLC (Resistor-Inductor-Capacitor) Oscillators, er de ikke et godt valg der det er behov for stabile og nøyaktige svingninger. Temperaturendringene påvirker belastningen og strømforsyningslinjen, som igjen påvirker stabiliteten til oscillatorkretsen. Stabiliteten kan forbedres til et visst nivå i tilfelle RC- og RLC-kretser, men fremdeles er forbedringen ikke tilstrekkelig i spesifikke tilfeller.
I en slik situasjon brukes kvartskrystallet. Kvarts er mineral sammensatt av silisium- og oksygenatomer. Den reagerer når en spenningskilde påføres kvartskrystall. Den produserer en karakteristikk, identifisert som piezo-elektrisk effekt. Når spenningskilde påføres over den, vil den endre form og produsere mekaniske krefter, og de mekaniske kreftene går tilbake og produserer elektrisk ladning.
Når det konverterer energi elektrisk til mekanisk og mekanisk til elektrisk, kalles det transdusere. Disse endringene gir veldig stabil vibrasjon, og som en piezo-elektrisk effekt produserer de stabile svingningene.
Kvartskrystall og dets tilsvarende krets
Dette er symbolet på Crystal Oscillator. Kvartskrystallet er laget av et tynt stykke kvartsplate som er tett montert og kontrollert mellom to parallelle metalliserte overflater. De metalliserte overflatene er laget for elektriske tilkoblinger, og kvartsets fysiske størrelse og tetthet også tykkelsen styres nøye ettersom endringene i form og størrelse direkte påvirker svingningsfrekvensen. Når den er formet og kontrollert, er den produserte frekvensen fast, den grunnleggende frekvensen kan ikke endres til andre frekvenser. Denne spesifikke frekvensen for den spesifikke krystallen kalles karakteristisk frekvens.
I det øvre bildet representerer venstre krets den tilsvarende kretsen til kvartskrystall, vist på høyre side. Som vi kan se, brukes 4 passive komponenter, to kondensatorer C1 og C2 og en induktor L1, motstand R1. C1, L1, R1 er seriekoblet og C2 koblet parallelt.
Seriekretsen som består av en kondensator, en motstand og en induktor, symboliserer den kontrollerte oppførselen og de stabile operasjonene til Crystal og den parallelle kondensatoren, C2 representerer den parallelle kapasitansen til kretsen eller den tilsvarende krystall.
Ved driftsfrekvensen resonerer C1 med induktansen L1. Denne driftsfrekvensen blir referert til som krystallseriefrekvens (fs). På grunn av denne seriefrekvensen gjenkjennes et sekundært frekvenspunkt med parallellresonansen. L1 og C1 resonerer også med den parallelle kondensatoren C2. Den parallelle kondensatoren C2 beskriver ofte som navnet på C0 og kalles Shunt Capacitance of a Quartz Crystal.
Impedans mot krystallutgang mot frekvens
Hvis vi bruker reaktansformel over to kondensatorer, vil kapasitiv reaktans for seriekondensatoren C1 være: -
X C1 = 1 / 2πfC 1
Hvor, F = Frekvens og C1 = verdi for seriekapasitans.
Samme formel gjelder også for parallellkondensatoren, den kapasitive reaktansen til den parallelle kondensatoren vil være: -
X C2 = 1 / 2πfC 2
Hvis vi ser forholdsgrafen mellom Utgangsimpedans og Frekvens, vil vi se endringene i impedans.
I det øvre bildet ser vi impedanskurven til krystalloscillatoren og ser også hvordan denne skråningen endres når frekvensen endres. Det er to punkter, det ene er serieresonansfrekvenspunkt, og det andre er parallellresonansfrekvenspunktet.
Ved serieresonansfrekvenspunktet ble impedansen minimum. Seriekondensatoren C1 og serien Induktor L1 skaper en serieresonans som er lik seriemotstanden.
Så på dette serieresonansfrekvenspunktet vil følgende ting skje: -
- Impedansen er minimum sammenlignet med andre frekvens ganger.
- Impedans er lik seriemotstanden.
- Under dette punktet fungerer krystallet som en kapasitiv form.
Neste blir frekvensen endret, og hellingen øker sakte til det maksimale punktet ved parallell resonansfrekvens, på dette tidspunktet, før det når det parallelle resonansfrekvenspunktet, fungerer krystallet som en serieinduktor.
Etter å ha nådd det parallelle frekvenspunktet når impedanshellingen maksimalt i verdi. Parallellkondensatoren C2 og serieinduktoren lager en LC-tankkrets, og dermed ble utgangsimpedansen høy.
Dette er hvordan krystallet oppfører seg som induktor eller som en kondensator i serie og parallell resonans. Crystal kan operere i begge resonansfrekvensene, men ikke samtidig. Det er behov for å være innstilt på en hvilken som helst spesifikk operasjon.
Krystallreaktans mot frekvens
Den serie Reactance av kretsen kan måles ved hjelp av følgende formel: -
X S = R2 + (XL 1 - XC 1) 2
Hvor, R er verdien av motstand
Xl1 er serieinduktansen til kretsen
Xc1 er seriekapasitansen til kretsen.
Parallell kapasitiv reaktans av kretsen vil være: -
X CP = -1 / 2πfCp
Den parallelle reaktansen til kretsen vil være: -
Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp
Hvis vi ser grafen, vil den se slik ut: -
Som vi kan se i den øvre grafen at seriereaktansen på seriepunktsresonanspunktet er omvendt proporsjonal med C1, virker krystallet på punktet fra fs til fp som induktivt fordi på dette punktet blir to parallelle kapasitanser neglisjerbare.
På den annen side vil krystallet ha kapasitiv form når frekvensen er utenfor fs- og fp-punktene.
Vi kan beregne serieresonansfrekvensen og parallellresonansfrekvensen ved hjelp av disse to formlene -
Q-faktor for kvartskrystall:
Q er den korte formen for kvalitet. Det er et viktig aspekt av kvartskrystallresonans. Denne Q-faktoren bestemmer Crystal frekvensstabilitet. Generelt har Q-faktoren til en krystall et område fra 20 000 til mer enn 100 000. Noen ganger er Q-faktoren til en krystall mer enn 200 000 også observerbar.
Q-faktor av en krystall kan beregnes ved hjelp av følgende formel -
Q = X L / R = 2πfsL 1 / R
Hvor X L er induktorreaktans og R er motstand.
Eksempel på kvartskrystalloscillator med beregning
Vi vil beregne en resonansfrekvens i kvartskrystaller, parallell resonansfrekvens og Kvalitetsfaktoren til krystallet når følgende punkter er tilgjengelige -
R1 = 6.8R
C1 = 0,09970pF
L1 = 3mH
Og C2 = 30pF
Serieresonansfrekvensen til krystallet er -
Crystal parallelle resonansfrekvens, fp er -
Nå kan vi forstå at serieresonansfrekvensen er 9,20 MHz og den parallelle resonansfrekvensen er 9,23 MHz
Den Q faktor på denne krystall vil være-
Colpitts Crystal Oscillator
Krystalloscillatorkrets konstruert ved hjelp av bipolar transistor eller forskjellige typer FET. På det øvre bildet vises en kolpittsoscillator; den kapasitive spenningsdeleren brukes til tilbakemelding. Transistoren Q1 har vanlig emitterkonfigurasjon. I den øvre kretsen brukes R1 og R2 til forspenning av transistoren, og C1 brukes som bypasskondensator som beskytter basen mot RF-lyder.
I denne konfigurasjonen vil krystall fungere som en shunt på grunn av forbindelsen fra samler til bakke . Det er i parallell resonanskonfigurasjon. Kondensator C2 og C3 brukes til tilbakemelding. Krystall Q2 er koblet til som en parallell resonanskrets.
Utgangsforsterkningen er lav i denne konfigurasjonen for å unngå overflødig kraftavledning i krystallet.
Pierce Crystal Oscillator
En annen konfigurasjon som brukes i kvartskrystalloscillator, der transistoren endres til en JFET for forsterkning der JFET er i svært høye inngangsimpedanser når krystallet er koblet til Drain to Gate ved hjelp av en kondensator.
På det øvre bildet vises en Pierce Crystal Oscillator- krets. C4 gir den nødvendige tilbakemeldingen i denne oscillatorkretsen. Denne tilbakemeldingen er positiv tilbakemelding som er 180 graders faseforskyvning ved resonansfrekvensen. R3 styrer tilbakemeldingen og krystallet gir den nødvendige svingningen.
Pierce crystal oscillator trenger minimum antall komponenter, og på grunn av dette er det et foretrukket valg der plass er begrenset. Digital klokke, tidtakere og forskjellige typer klokker bruker gjennomsiktig krystalloscillatorkrets. Utgangssinusbølgen amplitude topp til topp verdi er begrenset av JFET spenningsområdet.
CMOS oscillator
En grunnleggende oscillator som bruker parallellresonanskrystallkonfigurasjon kan lages ved hjelp av CMOS-inverter. CMOS-omformeren kan brukes til å oppnå ønsket amplitude. Den består av inverterende Schmitt-trigger som 4049, 40106 eller Transistor-Transistor logic (TTL) chip 74HC19 etc.
I det øvre bildet 74HC19N brukt som fungerer som en Schmitt-utløser i inverterende konfigurasjon. Krystallet vil gi nødvendig svingning i serieresonansfrekvens. R1 er tilbakemeldingsmotstanden for CMOS og gir høy Q-faktor med høy forsterkningsevne. Den andre 74HC19N er booster for å gi tilstrekkelig ytelse for lasten.
Omformeren opererer med 180 graders faseforskyvning, og Q1, C2, C1 gir ytterligere 180 graders faseforskyvning. Under oscillasjonsprosessen forblir faseskiftet alltid 360 grader.
Denne CMOS krystalloscillatoren gir kvadratbølgeutgang. Maksimal utgangsfrekvens er fast ved CMOS-omformerens bryterkarakteristikk. Utgangsfrekvensen kan endres ved hjelp av kondensatorverdien og motstandsverdien. C1 og C2 må ha de samme verdiene.
Tilby klokke til mikroprosessor ved bruk av krystaller
Ettersom forskjellig bruk av kvartskrystalloscillator inkluderer digitale klokker, tidtakere osv., Er det også et passende valg for å gi stabil oscillasjonsklokke på tvers av mikroprosessor og CPUer.
Mikroprosessor og CPU trenger stabil klokkeinngang for drift. Kvartskrystall brukes mye til disse formålene. Kvartskrystall gir høy nøyaktighet og stabilitet sammenlignet med andre RC- eller LC- eller RLC-oscillatorer.
Generelt brukes klokkefrekvensen for mikrokontroller eller CPU varierer fra KHz til MHz. Denne klokkefrekvensen bestemmer hvor raskt prosessoren kan behandle data.
For å oppnå denne frekvensen brukes en seriekrystall brukt med to samme verdikondensatornettverk over oscillatorinngangen til den respektive MCU eller CPU.
I dette bildet kan vi se at en Crystal med to kondensatorer danner et nettverk og kobles over Microcontroller-enhet eller sentral prosesseringsenhet via OSC1 og OSC2-inngangspinne. Vanligvis består all mikrokontroller eller prosessor av denne to pinnen. I noen tilfeller er det to typer OSC-pinner tilgjengelig. Den ene er for primæroscillator for å generere klokken og den andre for sekundæroscillatoren som brukes til andre sekundære arbeider der sekundær klokkefrekvens er nødvendig. Kondensatorverdien varierer fra 10pF til 42 pF, alt mellom 15pF, 22pF, 33pF brukes mye.