- Křemenný krystal a jeho ekvivalentní obvod
- Impedance výstupu krystalu proti frekvenci
- Krystalová reakce proti frekvenci
- Q faktor pro křemenný krystal:
- Příklad křemenného krystalu s výpočtem
- Krystalový oscilátor Colpitts
- Pierce Crystal Oscilátor
- CMOS oscilátor
- Poskytování hodin mikroprocesoru pomocí krystalů
V našich předchozích výukových programech Oscilátor RC fázového posuvu a Oscilátoru Wein Bridge máme poctivou představu o tom, co je Oscilátor. Oscilátor je mechanická nebo elektronická konstrukce, která produkuje oscilaci v závislosti na několika proměnných. Správné dobrý oscilátor vytváří stabilní frekvenci.
V případě RC (Resistor-Capacitor) nebo RLC (Resistor-Inductor-Capacitor) oscilátorů nejsou dobrou volbou tam, kde jsou zapotřebí stabilní a přesné oscilace. Změny teploty ovlivňují zátěž a napájecí vedení, což zase ovlivňuje stabilitu obvodu oscilátoru. Stabilitu lze zlepšit na určitou úroveň v případě RC a RLC obvodů, ale zlepšení není v konkrétních případech dostatečné.
V takové situaci se používá křemenný krystal. Křemen je minerál složený z atomů křemíku a kyslíku. Reaguje, když se na křemenný krystal aplikuje zdroj napětí. Produkuje charakteristiku označenou jako piezoelektrický jev. Když je na něj přiveden zdroj napětí, změní tvar a vytvoří mechanické síly a mechanické síly se vrátí zpět a vytvoří elektrický náboj.
Protože přeměňuje energii elektrickou na mechanickou a mechanickou na elektrickou, označuje se jako převodníky. Tyto změny produkují velmi stabilní vibrace a jako piezoelektrický efekt vytvářejí stabilní oscilace.
Křemenný krystal a jeho ekvivalentní obvod
Toto je symbol Crystal Oscillator. Křemenný krystal je vyroben z tenkého kusu křemenné oplatky, který je pevně usazen a ovládán mezi dvěma paralelními metalizovanými povrchy. Metalizované povrchy jsou vyrobeny pro elektrická spojení a křemenná fyzická velikost a hustota a také tloušťka jsou přísně kontrolovány, protože změny tvaru a velikosti přímo ovlivňují frekvenci oscilace. Jakmile je vytvořena a řízena, je vytvořená frekvence pevná, základní frekvenci nelze změnit na jiné frekvence. Tato specifická frekvence pro konkrétní krystal se nazývá charakteristická frekvence.
Na horním obrázku levý obvod představuje ekvivalentní obvod křemenného krystalu, který je zobrazen na pravé straně. Jak vidíme, používají se 4 pasivní komponenty, dva kondenzátory C1 a C2 a jeden induktor L1, rezistor R1. C1, L1, R1 jsou zapojeny do série a C2 zapojeny paralelně.
Sériový obvod, který se skládá z jednoho kondenzátoru, jednoho odporu a jednoho induktoru, symbolizuje řízené chování a stabilní provoz krystalu a paralelního kondenzátoru, C2 představuje paralelní kapacitu obvodu nebo ekvivalentního krystalu.
Na pracovní frekvenci C1 rezonuje s indukčností L1. Tato provozní frekvence se označuje jako sériová frekvence krystalů (fs). Díky této sériové frekvenci byl sekundární kmitočtový bod rozpoznán s paralelní rezonancí. L1 a C1 také rezonují s paralelním kondenzátorem C2. Paralelní kondenzátor C2 se často označuje jako název C0 a nazývá se zkratová kapacita křemenného krystalu.
Impedance výstupu krystalu proti frekvenci
Pokud použijeme vzorec reaktance na dva kondenzátory, pak pro sériový kondenzátor C1 bude kapacitní reaktance: -
X C1 = 1 / 2πfC 1
Kde, F = frekvence a C1 = hodnota sériové kapacity.
Stejný vzorec platí i pro paralelní kondenzátor, kapacitní reaktance paralelního kondenzátoru bude: -
X C2 = 1 / 2πfC 2
Pokud uvidíme graf vztahu mezi výstupní impedancí vs frekvencí, uvidíme změny impedance.
Na horním obrázku vidíme křivku impedance krystalového oscilátoru a také to, jak se tento sklon mění, když se mění frekvence. Existují dva body, jeden je sériový rezonanční frekvenční bod a druhý je paralelní rezonanční frekvenční bod.
V sériovém rezonančním kmitočtovém bodě je impedance minimální. Sériový kondenzátor C1 a sériový induktor L1 vytvářejí sériovou rezonanci, která se rovná sériovému rezistoru.
V tomto rezonančním frekvenčním bodě série se tedy stanou následující věci: -
- Impedance je minimální v porovnání s jinými frekvenčními časy.
- Impedance se rovná sériovému odporu.
- Pod tímto bodem působí krystal jako kapacitní forma.
Poté se frekvence změní a sklon se pomalu zvyšuje na maximální bod na paralelní rezonanční frekvenci, v tuto chvíli, před dosažením bodu paralelní rezonanční frekvence, krystal působí jako sériový induktor.
Po dosažení bodu paralelní frekvence dosahuje impedanční strmost maximální hodnoty. Paralelní kondenzátor C2 a induktor řady vytvářejí obvod nádrže LC a výstupní impedance se tak stala vysokou.
Takto se krystal chová jako induktor nebo jako kondenzátor v sérii a paralelní rezonanci. Krystal může pracovat v obou těchto rezonančních frekvencích, ale ne současně. Aby bylo možné pracovat, je třeba naladit jakýkoli konkrétní.
Krystalová reakce proti frekvenci
Série reaktance obvodu může být měřena za použití tohoto vzorce: -
X S = R2 + (XL 1 - XC 1) 2
Kde R je hodnota odporu
Xl1 je sériová indukčnost obvodu
Xc1 je sériová kapacita obvodu.
Paralelní kapacitní reaktance obvodu bude: -
X CP = -1 / 2πfCp
Paralelní reaktance obvodu bude: -
Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp
Pokud uvidíme graf, bude vypadat takto: -
Jak vidíme v horním grafu, že sériová reaktance v bodě sériové rezonance je nepřímo úměrná C1, v bodě od fs do fp působí krystal jako indukční, protože v tomto bodě se dvě paralelní kapacity stávají zanedbatelnými.
Na druhou stranu bude krystal v kapacitní formě, když je frekvence mimo body fs a fp.
Můžeme vypočítat rezonanční frekvenci řady a paralelní rezonanční frekvenci pomocí těchto dvou vzorců -
Q faktor pro křemenný krystal:
Q je krátká forma kvality. Je to důležitý aspekt rezonance křemenného krystalu. Tento faktor Q určuje frekvenční stabilitu Crystal. Obecně má faktor Q krystalu rozsah od 20 000 do více než 100 000. Někdy je faktor Q krystalu také více než 200 000 pozorovatelných.
Q faktor krystalu lze vypočítat pomocí následujícího vzorce -
Q = X L / R = 2πfsL 1 / R
Kde X L je indukčnost reaktance a R je odpor.
Příklad křemenného krystalu s výpočtem
Vypočítáme rezonanční frekvenci řady křemenných krystalů, paralelní rezonanční frekvenci a faktor kvality krystalu, pokud jsou k dispozici následující body -
R1 = 6,8R
C1 = 0,09970pF
L1 = 3 mH
A C2 = 30pF
Sériová rezonanční frekvence krystalu je -
Crystalova paralelní rezonanční frekvence, fp je -
Nyní můžeme pochopit, že sériová rezonanční frekvence je 9,20 MHz a paralelní rezonanční frekvence je 9,23 MHz
Q faktor této krystalu se BE
Krystalový oscilátor Colpitts
Obvod krystalového oscilátoru konstruovaný pomocí bipolárního tranzistoru nebo různých typů FET. Na horním obrázku je zobrazen kolpittsův oscilátor; kapacitní napěťový dělič se používá pro zpětnou vazbu. Tranzistor Q1 je v běžné konfiguraci emitoru. V horním obvodu se R1 a R2 používají pro předpětí tranzistoru a C1 se používá jako obtokový kondenzátor, který chrání základnu před vysokofrekvenčními zvuky.
V této konfiguraci bude krystal působit jako zkrat kvůli připojení od kolektoru k zemi . Je to v paralelní rezonanční konfiguraci. Pro zpětnou vazbu se používá kondenzátor C2 a C3. Krystal Q2 je připojen jako paralelní rezonanční obvod.
Výstupní zesílení je v této konfiguraci nízké, aby se zabránilo ztrátě nadměrného výkonu v krystalu.
Pierce Crystal Oscilátor
Další konfigurace použitá v oscilátoru z křemenného krystalu, kde je tranzistor změněn na JFET pro zesílení, kde je JFET ve velmi vysokých vstupních impedancích, když je krystal připojen k odtoku k bráně pomocí kondenzátoru.
Na horním obrázku je zobrazen obvod Pierce Crystal Oscillator. C4 poskytuje potřebnou zpětnou vazbu v tomto obvodu oscilátoru. Tato zpětná vazba je pozitivní zpětná vazba, což je 180 stupňový fázový posun na rezonanční frekvenci. R3 řídí zpětnou vazbu a krystal poskytuje potřebnou oscilaci.
Krystalový oscilátor Pierce vyžaduje minimální počet komponent, a proto je vhodnější volbou tam, kde je omezený prostor. Digitální hodiny, časovače a různé typy hodinek používají propíchnutý obvod krystalového oscilátoru. Špičková hodnota amplitudy výstupní sinusové vlny je omezena rozsahem napětí JFET.
CMOS oscilátor
Základní oscilátor, který používá konfiguraci paralelně rezonančních krystalů, lze vyrobit pomocí invertoru CMOS. Měnič CMOS lze použít k dosažení požadované amplitudy. Skládá se z invertování Schmittova spouště jako 4049, 40106 nebo tranzistor-tranzistorový logický (TTL) čip 74HC19 atd.
Na horním obrázku je použit 74HC19N, který funguje jako Schmittova spoušť v inverzní konfiguraci. Krystal poskytne potřebné kmitání v sériové rezonanční frekvenci. R1 je zpětnovazební rezistor pro CMOS a poskytuje vysoký faktor Q s schopnostmi vysokého zisku. Druhý 74HC19N je zesilovač, který poskytuje dostatečný výkon pro zátěž.
Střídač pracuje na výstupu fázového posunu o 180 stupňů a Q1, C2, C1 poskytují další fázový posun o 180 stupňů. Během procesu oscilace zůstává fázový posun vždy o 360 stupňů.
Tento krystalový oscilátor CMOS poskytuje výstup čtvercových vln. Maximální výstupní frekvence je dána spínací charakteristikou měniče CMOS. Výstupní frekvenci lze změnit pomocí hodnoty kondenzátorů a hodnoty odporu. Hodnoty C1 a C2 musí být stejné.
Poskytování hodin mikroprocesoru pomocí krystalů
Protože různé použití oscilátoru z křemenného krystalu zahrnují digitální hodinky, časovače atd., Je také vhodnou volbou pro zajištění stabilních oscilačních hodin napříč mikroprocesorem a CPU.
Mikroprocesor a procesor pro svoji činnost vyžadují stabilní hodinový vstup. Křemenný krystal je pro tyto účely široce používán. Křemenný krystal poskytuje vysokou přesnost a stabilitu ve srovnání s jinými RC nebo LC nebo RLC oscilátory.
Obecně se taktovací frekvence používá pro mikrokontrolér nebo CPU v rozmezí od KHz do Mhz. Tato taktovací frekvence určuje, jak rychle dokáže procesor zpracovat data.
K dosažení této frekvence se na vstupu oscilátoru příslušného MCU nebo CPU používá sériový krystal používaný se sítí dvou kondenzátorů stejné hodnoty.
Na tomto obrázku vidíme, že krystal se dvěma kondenzátory tvoří síť a je připojen přes jednotku mikrokontroléru nebo centrální procesorovou jednotku přes vstupní kolík OSC1 a OSC2. Obecně všechny dva mikrokontroléry nebo procesory tvoří tento dva kolíky. V některých případech jsou k dispozici dva typy pinů OSC. Jeden je pro primární oscilátor pro generování hodin a druhý pro sekundární oscilátor, který se používá pro další sekundární práce, kde je potřeba sekundární frekvence hodin. Rozsah hodnot kondenzátoru od 10pF do 42 pF, široce se používá cokoli mezi, kromě 15pF, 22pF, 33pF.