Принцип работы кварцевого генератора: Кварцевые генераторы — CoderLessons.com

Содержание

Кварцевые генераторы — CoderLessons.com

Всякий раз, когда генератор работает непрерывно, это влияет на его стабильность частоты . Там происходят изменения в его частоте. Основными факторами, которые влияют на частоту генератора, являются

  • Варианты питания
  • Изменения температуры
  • Изменения нагрузки или выходного сопротивления

В генераторах RC и LC значения сопротивления, емкости и индуктивности меняются в зависимости от температуры и, следовательно, на частоту влияют. Чтобы избежать этой проблемы, пьезоэлектрические кристаллы используются в генераторах.

Использование пьезоэлектрических кристаллов в параллельных резонансных контурах обеспечивает высокую стабильность частоты в генераторах. Такие генераторы называются Кристаллическими Осцилляторами .

Кварцевые генераторы

Принцип работы кварцевых генераторов зависит от пьезоэлектрического эффекта . Естественная форма кристалла шестиугольная. Когда кристаллическая пластина изогнута перпендикулярно оси X, она называется X-разрезом, а когда она разрезается вдоль оси Y, она называется Y-разрезом.

Кристалл, используемый в кварцевом генераторе, обладает свойством, называемым пьезоэлектрическим свойством. Итак, давайте разберемся с пьезоэлектрическим эффектом.

Пьезоэлектрический эффект

Кристалл проявляет свойство, заключающееся в том, что когда механическое напряжение прикладывается к одной из граней кристалла, разность потенциалов развивается на противоположных гранях кристалла. И наоборот, когда разность потенциалов прикладывается к одной из граней, вдоль других граней создается механическое напряжение. Это известно как пьезоэлектрический эффект .

Некоторые кристаллические материалы, такие как соль Рошеля, кварц и турмалин, обладают пьезоэлектрическим эффектом, и такие материалы называются пьезоэлектрическими кристаллами . Кварц является наиболее часто используемым пьезоэлектрическим кристаллом, потому что он недорог и легко доступен в природе.

Когда пьезоэлектрический кристалл подвергается воздействию переменного потенциала, он вибрирует механически. Амплитуда механических колебаний становится максимальной, когда частота переменного напряжения равна собственной частоте кристалла.

Работа кварцевого кристалла

Чтобы заставить кристалл работать в электронной схеме, кристалл помещают между двумя металлическими пластинами в форме конденсатора. Кварц является наиболее часто используемым типом кристаллов из-за его доступности и сильной природы, будучи недорогим. Переменное напряжение подается параллельно кристаллу.

Схема расположения кварцевого кристалла будет такой, как показано ниже —

Если подается переменное напряжение, кристалл начинает вибрировать с частотой приложенного напряжения. Однако, если частота приложенного напряжения сделана равной собственной частоте кристалла, возникает

резонанс, и колебания кристалла достигают максимального значения. Эта собственная частота почти постоянна.

Эквивалентная схема кристалла

Если мы попытаемся представить кристалл эквивалентной электрической цепью, мы должны рассмотреть два случая: когда он вибрирует, а когда нет. Цифры ниже представляют символ и электрическую эквивалентную схему кристалла соответственно.

Вышеупомянутая эквивалентная схема состоит из последовательной RLC-схемы, параллельной емкости C m . Когда кристалл, установленный на источнике переменного тока, не вибрирует, он эквивалентен емкости C m . Когда кристалл вибрирует, он действует как настроенная схема RLC.

Частотный отклик

Частотная характеристика кристалла показана ниже. График показывает реактивное сопротивление (X L или X C ) в зависимости от частоты (f). Очевидно, что кристалл имеет две близко расположенные резонансные частоты.

Первая — это последовательная резонансная частота (f s ), которая возникает, когда реактивное сопротивление индуктивности (L) равно реактивному сопротивлению емкости C. В этом случае полное сопротивление эквивалентной цепи равно сопротивлению R и частота колебаний определяется соотношением,

f= frac12 pi sqrtLC

Вторая — это параллельная резонансная частота (f p ), которая возникает, когда реактивное сопротивление ветви RLC равно реактивному сопротивлению конденсатора C

m . На этой частоте кристалл обеспечивает очень высокое сопротивление внешней цепи, и частота колебаний определяется соотношением.

fp= frac12 pi sqrtL.CT

куда

CT= fracCCm(C+Cm)

Значение C m обычно очень велико по сравнению с C. Следовательно, значение C T приблизительно равно C, и, следовательно, последовательная резонансная частота приблизительно равна параллельной резонансной частоте (то есть f s = f p ).

Схема кварцевого генератора

Схема кварцевого генератора может быть сконструирована несколькими способами, такими как кварцевый генератор, управляемый кристаллом, кварцевый генератор Колпитса, кварцевый генератор Клэпа и т. Д. Но транзисторный кварцевый генератор с пирсингом является наиболее часто используемым. Это схема, которая обычно называется схемой кварцевого генератора.

Следующая принципиальная схема показывает расположение транзисторного кварцевого генератора.

В этой схеме кристалл соединен как последовательный элемент на пути обратной связи от коллектора к основанию. Резисторы R 1 , R 2 и R E обеспечивают цепь стабилизированного постоянного напряжения делителя напряжения. Конденсатор C E обеспечивает байпас переменного тока эмиттерного резистора, а RFC (радиочастотный дроссель) катушка обеспечивает смещение постоянного тока, в то же время отделяя любой сигнал переменного тока на линиях электропередачи от воздействия на выходной сигнал. Конденсатор связи С имеет незначительное полное сопротивление на рабочей частоте цепи. Но он блокирует любой постоянный ток между коллектором и базой.

Частота колебаний схемы задается последовательной резонансной частотой кристалла, а ее значение определяется соотношением,

fo= frac12 pi sqrtLC

Можно отметить, что изменения напряжения питания, параметров транзисторного устройства и т. Д. Не влияют на рабочую частоту схемы, которая поддерживается кристаллом стабильно.

преимущества

Преимущества кварцевого генератора следующие:

  • Они имеют высокий порядок стабильности частоты.
  • Коэффициент качества (Q) кристалла очень высок.

Недостатки

Недостатками кварцевого генератора являются:

  • Они хрупкие и могут использоваться в цепях малой мощности.
  • Частота колебаний не может быть существенно изменена.

Стабильность частоты генератора

Ожидается, что генератор будет поддерживать свою частоту в течение более длительного периода времени без каких-либо изменений, чтобы иметь более плавный чистый синусоидальный выход для работы схемы. Следовательно, термин «стабильность частоты» действительно имеет большое значение, когда речь идет о генераторах, будь то синусоидальные или несинусоидальные.

Стабильность частоты генератора определяется как способность генератора поддерживать необходимую частоту постоянной в течение длительного интервала времени, насколько это возможно. Попробуем обсудить факторы, влияющие на эту стабильность частоты.

Изменение в рабочей точке

Мы уже познакомились с параметрами транзистора и узнали, насколько важна рабочая точка. Стабильность этой рабочей точки для транзистора, используемого в схеме усиления (BJT или FET), имеет большее значение.

Работа используемого активного устройства регулируется так, чтобы соответствовать линейной части его характеристик. Эта точка сдвигается из-за колебаний температуры, и, следовательно, это влияет на стабильность.

Изменение температуры

Цепь бака в цепи генератора содержит различные компоненты, определяющие частоту, такие как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Все их параметры зависят от температуры. Из-за изменения температуры на их значения влияют. Это приводит к изменению частоты контура генератора.

Из-за питания

Изменения в подаваемой мощности также влияют на частоту. Изменения источника питания приводят к изменениям в V cc . Это повлияет на частоту производимых колебаний.

Во избежание этого внедрена система регулируемого энергоснабжения. Вкратце это называется RPS. Детали регулируемого электропитания были четко обсуждены в разделе электропитания учебного пособия по электронным схемам.

Изменение выходной нагрузки

Изменения выходного сопротивления или выходной нагрузки также влияют на частоту генератора. Когда нагрузка подключена, эффективное сопротивление цепи бака изменяется. В результате добротность LC настроенной схемы изменяется. Это приводит к изменению выходной частоты генератора.

Изменения в межэлементных емкостях

Межэлементные емкости — это емкости, которые развиваются в материалах PN-перехода, таких как диоды и транзисторы. Они разработаны из-за заряда, присутствующего в них во время их работы.

Межэлементные конденсаторы претерпевают изменения по различным причинам, таким как температура, напряжение и т. Д. Эта проблема может быть решена путем подключения затухающего конденсатора через неисправный межэлементный конденсатор.

Значение Q

Значение Q (добротность) должно быть высоким в генераторах. Значение Q в настроенных генераторах определяет селективность. Поскольку этот Q прямо пропорционален стабильности частоты настроенной цепи, значение Q должно поддерживаться на высоком уровне.

Стабильность частоты может быть математически представлена ​​как

Sw=d theta/dw

Где dθ — сдвиг фазы, введенный для небольшого изменения частоты номинальной частоты f r . Схема, дающая большее значение (dθ / dw), имеет более стабильную частоту колебаний.

Кварцевый резонатор.

Принцип работы и свойства кварцевого резонатора

В современной электронике, особенно в цифровой сложно не найти электронный компонент под названием кварцевый резонатор. По своей сути, кварцевый резонатор является аналогом колебательного контура на основе ёмкости и индуктивности. Правда, кварцевый резонатор превосходит LC-контур по очень важным параметрам.

Как известно, колебательный контур характеризуется добротностью. Резонаторы на основе кварца обладают очень высокой добротностью, которая недостижима при использовании обычного колебательного LC-контура. Если добротность обычных контуров лежит в пределах 100 – 300, то для кварцевых резонаторов величина добротности достигает 105 – 107.

Ёмкость конденсатора довольно сильно зависит от температуры окружающей среды. У конденсаторов даже есть параметр, который называется ТКЕ (температурный коэффициент ёмкости). Он показывает насколько измениться ёмкость конденсатора при изменении температуры.

Естественно, при применении конденсатора в составе LC-контура, частота его колебаний будет очень сильно зависеть от внешней температуры среды. То же касается и индуктивности, у которой также есть своя температурная характеристика — ТКИ.

Понятно, что для использования в цифровой технике (в том числе и в технике связи) требуется более стабильный и надёжный источник гармонических колебаний.

Резонаторы на основе кварца обладают очень высокой температурной стабильностью. Именно благодаря высокой добротности и температурной стабильности кварцевые резонаторы применяются в радиотехнике очень активно.

Любой процессор или микроконтроллер работает на определённой тактовой частоте. Понятно, что для задания тактовой частоты необходим генератор. Такой генератор в качестве источника высокоточных гармонических колебаний, как правило, использует кварцевый резонатор. В тех схемах, где высокая добротность не требуется, могут применяться резонаторы на основе керамики – керамические резонаторы. Добротность резонаторов на основе пьезокерамики составляет не более 103. Их можно встретить в пультах дистанционного управления, электронных игрушках, бытовых радиоприёмниках.

Принцип работы кварцевого резонатора.

Принцип работы кварцевого резонатора целиком и полностью опирается на пьезоэлектрический эффект. Основой любого кварцевого резонатора является пластинка из кварца. Кварц – это одна из разновидностей кремнезема SiO2. Для изготовления резонаторов пригоден только лишь низкотемпературный кварц, который обладает пьезоэлектрическими свойствами. В природе такой кварц встречается в виде кристаллов и бесформенной гальки.


Кристалл кварца

Химически кварц очень устойчив и не растворяется ни в одной из кислот, за исключением плавиковой. Также кварц очень твёрдый. На шкале твёрдости он занимает седьмое место из десяти.

Чтобы изготовить кварцевую пластинку берётся кристалл кварца и из него под определённым углом вырезается пластинка. От угла, под которым происходит срез, зависят электромеханические свойства кварцевой пластины. Тип среза существенно влияет на температурную стабильность, количество паразитных резонансов, резонансную частоту.

Далее на две стороны кварцевой пластины наносят металлизированный слой (из серебра, никеля, золота или платины) и посредством жёстких проволочных контактов закрепляют в кварцедержателе. Всю эту конструкцию помещают в герметичный корпус.

Кварцевый резонатор является электромеханической колебательной системой. Как известно, любая колебательная система обладает своей резонансной частотой. У кварцевого резонатора также есть своя номинальная резонансная частота. Если приложить к кварцевой пластине переменное напряжение, которое совпадает с резонансной частотой самой кварцевой пластины, то происходит резонанс частот и амплитуда колебаний резко возрастает.

При резонансе электрическое сопротивление резонатора уменьшается. В результате получается эквивалент последовательной колебательной системы. Поскольку потери энергии в кварцевом резонаторе очень малы, то он фактически представляет собой электрический колебательный контур с очень большой добротностью.

Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора изображена на рисунке.


Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора

Здесь С0 – это постоянная (статическая) ёмкость образующаяся за счёт металлических пластин-электродов и держателя. Последовательно соединённые индуктивность L1,конденсатор С1 и активное сопротивление Rакт. отражают электромеханические свойства кварцевой пластинки. Как видим, если отбросить ёмкость монтажа и кварцедержателя С0, то получиться последовательный колебательный контур.

При монтаже кварцевого резонатора на печатную плату стоит позаботиться о том, чтобы не перегреть его. Эта рекомендация наверняка связана с тем, что конструкция кварцевого резонатора довольно тонкая. Температурный перегрев может вызвать деформацию кварцедержателя и пластинок-электродов. Естественно, всё это может отразиться на качестве работы резонатора в схеме.

Также известно, что если кварц нагреть свыше 5730 С, то он превращается в высокотемпературный кварц и лишается своих пьезоэлектрических свойств. Конечно, довести температуру кварца до такой температуры оборудованием для пайки нереально.

Обозначение кварцевого резонатора.

На принципиальных схемах и в технической документации кварцевый резонатор обозначается наподобие конденсатора, только между пластинами добавлен прямоугольник, который символизирует пластинку кварца. Рядом с графическим изображением указывается буква Z или ZQ.


Условное обозначение кварцевого резонатора на схемах

Как проверить кварцевый резонатор?

Многие начинающие радиолюбители задаются вопросом: “Как проверить кварцевый резонатор?”

К сожалению, достоверно проверить кварцевый резонатор можно только заменой. Причиной неисправности кварцевого резонатора может быть сильный удар либо падение электронного прибора, в котором он был установлен. Поэтому если есть подозрение в исправности кварцевого резонатора, то его стоит заменить новым. К счастью в практике ремонта неисправность кварцевого резонатора встречается редко, конечно, есть и исключения, но они относятся к портативной электронике, которую частенько роняют.

Более подробную информацию о кварцевых резонаторах вы узнаете из книги, которую найдёте здесь.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Кварцевые резонаторы.

Виды и применение. Устройство и работа

Современная цифровая аппаратура нуждается в высокой точности, поэтому часто в цифровых устройствах содержится кварцевый резонатор, который является стабильным и надежным генератором гармонических колебаний. Цифровые микроконтроллеры работают на основе этой постоянной частоты, и используют ее для работы цифрового прибора. Кварцевые резонаторы являются надежной заменой контура колебаний, собранного на конденсаторе и катушке индуктивности.

Добротность контура колебаний на основе катушки и конденсатора не превышает 300. Она является характеристикой контура колебаний, определяющей величину полосы резонанса. Добротность показывает, во сколько раз энергия колебательной системы превышает потери энергии в течение одного периода колебаний. Чем больше добротность, тем меньше теряется энергии за один период, и медленнее затухают колебания. Емкость конденсатора в обычном контуре колеблется в зависимости от температуры среды. Величина индуктивности катушки также зависит от многих факторов. Существуют даже соответствующие коэффициенты, определяющие зависимость параметров этих элементов от температуры.

Разновидности

Кварцевые резонаторы, в отличие от вышеописанных контуров колебаний, обладают очень большой добротностью, достигающей значения в несколько миллионов. При этом температура в пределах -40 +70 градусов никак не влияет на этот параметр. Высокая стабильность работы кварцевых резонаторов при любой температуре послужила их широкому применению в цифровой электронике и радиотехнике.

По типу корпуса:
  • Для объемной установки (цилиндрические и стандартные).
  • Для поверхностного монтажа.
По материалу корпуса:
  • Металлические.
  • Стеклянные.
  • Пластиковые.
По форме корпуса:
  • Круглые.
  • Прямоугольные.
  • Цилиндрические.
  • Плоские.
По количеству резонансных систем:
  • Одинарные.
  • Двойные.
По защите корпуса:
  • Герметичные.
  • Негерметизированные.
  • Вакуумные.
По назначению:
  • Фильтровые.
  • Генераторные.

Важным свойством кварцевых резонаторов для успешной работы является их активность. Но она не определяется только собственными свойствами. Вся электрическая схема влияет на его активность.

В резонаторах, используемых в фильтрах, применяются такие же виды колебаний, как и в генераторных резонаторах. В фильтрах используются 2-х и 4-х электродные вакуумные резонаторы. Для многозвенных фильтров чаще всего применяются 4-х электродные, так как они более экономичные.

Принцип действия и устройство

Кварцевые резонаторы работают на основе пьезоэлектрического эффекта, образующегося на кварцевой пластинке. Кварц – это природный кристалл. Он представляет собой модификацию соединения кремния с кислородом, и имеет химическую формулу Si O2. Массовая доля кварца в земной коре составляет около 60%, в свободном виде 12%. В других минералах также может содержаться кварц.

Для производства кварцевых резонаторов используют низкотемпературный кварц. Он обладает выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Химическая устойчивость кварца очень высока, растворить кварц способна только гидрофторидная кислота. По твердости кварц стоит на втором месте после алмаза. Кварцевую пластинку для резонатора изготавливают путем вырезания из кварца кусочка под заданным определенным углом. В зависимости от этого угла среза кварцевая пластинка отличается разными электромеханическими параметрами.

От вида среза зависит наличие или отсутствие паразитных частот, стабильность работы при любых температурах, частота колебаний. На обе стороны кварцевой пластинки наносят слой одного из дорогостоящих металлов: серебра, платины, никеля или даже золота. После этого пластинку фиксируют прочными проволочками в корпусе резонатора. Затем производят герметичную сборку корпуса.

В результате образуется колебательный контур, обладающий собственной частотой резонанса, определяющей работу всего резонатора. Если к электродам пластинки приложить переменное напряжение с частотой резонанса, то возникнет резонансный эффект, а амплитуда колебаний пластинки значительно повысится. При этом резонатор уменьшит свое сопротивление на значительную величину. Этот процесс подобен тому процессу, который происходит в контуре колебаний последовательного вида (на основе катушки и конденсатора). Потери энергии при возбуждении кварцевого резонатора на частоте резонанса очень малы, так как добротность кварцевого контура колебаний очень высока.

Эта эквивалентная схема состоит из:
  • R – Сопротивление.
  • С1 – Емкость.
  • L – Индуктивность.
  • С2 – Статическая электрическая емкость пластинок вместе с держателями.

Эти элементы определяют электромеханические параметры кварцевой пластинки. Если удалить монтажные элементы, получается последовательный контур . При установке на монтажную плату, кварцевый резонатор не переносит чрезмерного нагрева, так как его конструкция очень хрупкая. Сильное нагревание может деформировать держатель и электроды, что отражается на функционировании готового кварцевого резонатора. Кварц полностью теряет свои свойства пьезоэлектрика при нагревании до температуры 5370 градусов. Однако паяльник не способен так сильно разогреваться.

На электрических схемах кварцевый резонатор обозначается по аналогии с конденсатором, но между пластин изображен прямоугольник, символизирующий кварцевую пластинку. На схеме резонатор обозначен «QX».

Обычно причиной неисправностью кварцевого резонатора становится сильный удар или падение устройства, в котором он находится. В этом случае резонатор подлежит замене на новый, с такими же параметрами. Такие неисправности возникают в маленьких приборах, которые проще уронить, или повредить. Но такие повреждения резонаторов встречаются не часто, и обычно неисправность устройства кроется совсем в другом.

Как проверить кварцевые резонаторы

Для проверки резонатора на его работоспособность, собирают специальный простой тестер, помогающий проверить кроме работы резонатора, еще и его частоту резонанса. Схема такого устройства похожа на кварцевый генератор, собранный на транзисторе.

Подключив резонатор между отрицательным полюсом и базой транзистора через защитный конденсатор, с помощью частотомера измеряют частоту резонанса. Такая схема подходит для настройки контуров колебаний. При включенной схеме исправный резонатор создает колебания. В результате на эмиттере транзистора возникает переменное напряжение с частотой резонанса тестируемого резонатора.

Если к выходу тестера подключить частотомер, то можно измерить частоту резонанса. При стабильной частоте и небольшом нагревании корпуса резонатора паяльником частота не должна значительно изменяться. Если частотомер не обнаруживает возникновение частоты, либо она сильно изменяется или имеет большие отличия от номинала, то резонатор негоден и требует замены.

При использовании такого тестера для настройки контуров, емкость С1 обязательна. Но при проверке исправности резонаторов ее присутствие в схеме не требуется. При этом колебательный контур просто подсоединяют на место кварцевого резонатора и тестер начинает создавать колебания таким же образом.

Тестер, выполненный по рассмотренной схеме, хорошо зарекомендовал себя на частоте 15-20 мегагерц. Для других интервалов можно найти другие схемы, собранные на микросхемах и других компонентах.

Сфера применения
Благодаря стабильности параметров кварцевых резонаторов, они нашли широкое использование в различных областях:
  • Многие измерительные устройства работают на основе таких резонаторов, при этом точность измерений очень высока.
  • Пьезокварцевая пластина применяется в качестве резонатора в морском эхолоте для выявления объектов, расположенных в воде, исследования дна моря, определения нахождения отмелей и рифов. Это дает возможность изучения жизни в океане в глубоководных районах, а также создания точных карт морского дна.
  • Кварцевые резонаторы нашли широкую популярность в кварцевых часах, так как частота колебаний кварцевой пластины практически не зависит от температуры, и имеет малое относительное изменение частоты.

Кварцевые резонаторы расширяют свою сферу использования, потребность в них постоянно увеличивается, так как они обладают повышенными метрологическими параметрами, эффективностью работы.

Похожие темы:

Применение в технике кварцевых генераторов

Кварцевый генератор — это генератор колебаний, которые синтезируются входящим в состав генератора кварцевым резонатором или пьезоэлементом. Колебания кварцевых генераторов характеризуются высокой стабильностью частоты, что обусловлено высокой добротностью резонатора.

Пожалуй, это самые распространенные источники тактовых импульсов, которые нашли применение повсеместно, по сути, в любой схеме разнообразных приборов. Например, в системах передачи информации, радиолокации, радионавигации, радиосвязи, средствах радиотехнических измерений, в вычислительной технике, телеметрии, бытовых радиоприборах. Также традиционно применяют кварцевые генераторы для того, чтобы измерить давление, деформацию, температуру, ускорение, влажность и прочие физические параметры.

Трудно оспорить тот факт, что кварцевые генераторы отличаются высокой стабильностью характеристик. Как невозможно отрицать простоту этих универсальных приборов, причем в самых разных условиях. И все это при явно низкой цене.

Частота колебаний кварцевого генератора может находиться в диапазоне от нескольких килогерц до сотен мегагерц. Частота находится в зависимости от размеров резонатора, как и от его упругости и пьезоэлектрической постоянной, а также от формы кристалла. Схема кварцевого генератора обычно проста в настройках и регулировках.

Многие кварцевые генераторы в цифровой технике разработаны по одной и той же схеме, отличающейся простотой и нуждающейся всего в одном инверторе, резисторе и в двух конденсаторах.

Чтобы не перегружать выход, такой генератор нагружают только на один-два КМОП-входа, а на выходе устанавливают еще и буферный элемент. Если частота с выхода подается, допустим, лишь на вход КМОП-счетчика, то можно будет обойтись и без него.

Пара¬метры всех элементов можно изменять. Причем в достаточно больших пределах, скажем, емкость конденсаторов может меняться от 10 до 100 пФ. Сопротивление ре¬зистора R1 может меняться от 1 до 20 МОм, R2 — от нуля до сотен килом.

Схема потребля¬ет несколько десятков микроампер при напряжении питания 5 В. Этого достаточно, чтобы она устойчи¬во работала для кварцев с частотами от десятков килогерц до 1 МГц для «классической» КМОП и до 10 МГц для КМОП-элементов из быстродейст¬вующих серий. Отметим при этом, что некоторые старые отечественные кварцы, типа вроде РК-72, могут создать вам проблемы.

Кварцевый генератор принцип работы

цифровых КМОП и ТТЛ микросхемах. Осцилляторные схемы генераторов
стабильной частоты, онлайн калькулятор расчёта элементов.

Параметр стабильности LC-генератора при условии качественного исполнения данного узла, наличия высокодобротных катушек и конденсаторов с подобранными ТКЕ может достигать достаточно высоких значений. Это даёт возможность радиолюбителю, не направляя свой взгляд в сторону цифровых аксессуаров, вести комфортный приём/передачу однополосных сигналов в частотном диапазоне работы ГПД до 10-15Мгц.
Можно, конечно, попытаться залезть и повыше, но ненамного — начинают возникать нюансы. С одной стороны, чем дальше влез, тем больше интерес, с другой — становится всё труднее удержать частоту генератора в сфере своего влияния. А при частотах колебаний свыше 30МГц, долговременная относительная нестабильность генератора становится таковой, что «голос любителя, радостно вещающего однополосным SSB сигналом о преимуществах «Яги» перед «Двойным квадратом», начинает плавно глиссандировать от убедительного баритона Левитана до легкомысленного тенора оперной дивы».
И вот тут уже — жить без кварцевого резонатора становится сложновато. Причём окварцованный генератор может использоваться как готовый гетеродин на фиксированную частоту, так и в качестве опорника для цифрового синтезатора частоты.

Кварцевый резонатор (кварц) — радиоэлемент, в котором явление механического резонанса используются для построения высокодобротного резонансного элемента электронной схемы.
Добротность кварцевых резонаторов во много раз превышает добротность резонаторов на LC-контурах и составляет 10 4 . 10 6 . Долговременная относительная нестабильность частоты — не хуже чем 10 -6 . 10 -8

Для того, чтобы понять принцип работы кварцевого резонатора в схемах генераторов, надо рассмотреть его эквивалентную схему:


Рис.1

Общепринятая эквивалентная схема кварцевого резонатора изображена на Рис.1. Динамическая индуктивность Lk, динамическая ёмкость Ck и динамическое сопротивление Rk определяются частотой механического резонанса кварцевой пластины и величиной потерь, имеющих место в резонаторе.
Параллельная ёмкость Сo обусловлена межэлектродной ёмкостью пьезоэлектрика, ёмкостью корпуса и монтажа.
Соответственно и ведёт себя кварц и как параллельный, и как последовательный резонансный элемент одновременно.
Частота последовательного резонанса выражается формулой:
,

а частота параллельного:
.

Произведя несложные математические манипуляции, получаем:

Поскольку на практике Сo≫Ck, то расхождение между частотами параллельного и последовательного резонансов невелико — максимальная разность близка к 0,4% от паспортной частоты кварца. Также не составит особого труда заметить, что Fпар всегда > Fпосл.

Для интересующихся приведу некоторые типичные значения параметров эквивалентной схемы кварцевых резонаторов.

F (Мгц) Lk (мГн) Ck (пФ) Rk (Ом) Cо (пФ)
1 1910 13,3×10 -3 200 5
10 28,6 8,86×10 -3 12 4
12 24 7,368×10 -3 12 4
20 11,94 5,3×10 -3 10 3,5

Переходим к некоторым расхожим схемам генераторов с кварцевой стабилизацией частоты.


Рис. 2 Рис.3

В ёмкостной трехточке по схеме Пирса (Рис.2) биполярный транзистор включен по схеме с общим эмиттером.
Резисторы R1 и R2 задают режим работы транзистора T1 по постоянному току, и выбираются исходя из тока покоя транзистора 1-5мА в зависимости от частоты генерируемого сигнала.

Очевидно, что для возбуждения любого усилителя необходима положительная обратная связь, которая поворачивала бы фазу на 180˚.

Один только кварцевый резонатор не сможет обеспечить такой поворот фазы. Поэтому в схему дополнительно вводятся конденсаторы C1 и C2.

При возбуждении кварцевого резонатора на нечётных механических гармониках кварца, вместо резистора R3 включают катушку индуктивности L1 (Рис.3).
Параметры контура следует выбирать так, чтобы его собственная частота составляла 0,7. 0,8 от частоты генерации. В результате контур имеет ёмкостную проводимость на частоте необходимой гармоники, что исключает возможность генерации на низших гармониках и основной частоте.

Значительно большим фазовым запасом для возникновения условий генерации обладают схемы ёмкостных трёхточек Пирса, выполненные на полевых транзисторах, либо КМОП микросхемах, в том числе и цифровых. Объясняется это высоким входным сопротивлением подобных устройств, что, в свою очередь, создаёт более правильные условия для работы цепей фазовращателя.


Рис.4 Рис.5 Рис.6

Схемы, выполненные на полевых транзисторах (Рис.4,5), аналогичны схемам свох биполярных аналогов.
Резистор R3 определяет режим работы Т1 по постоянному току, и выбирается исходя из необходимого тока покоя транзистора (1-5мА).

На Рис.6 приведена схема генератора Пирса,
построенная на высокочастотном ОУ, либо инверторе КМОП-логики, использующимся в качестве инвертирующего усилителя.
По сравнению со схемами на биполярных транзисторах, приведённые осцилляторы не так критичны в точности выбора номиналов фазосдвигающих конденсаторов С1 и С2. При применении цифровых КМОП инверторов, даже при выборе типичных значении ёмкостей C1 = C2 = 15 пФ, сохраняются условия для устойчивой генерации в достаточно широком диапазоне частот.

Генераторы Пирса вполне заслуженно считаются генераторами с наилучшей кратковременной стабильностью частоты, однако обладают определённым набором недостатков — как то: относительная сложность, необходимость качественной стабилизации базового тока транзистора, а также то, что ни один из выводов кварцевого резонатора не подключён к шине корпуса.

Отчасти указанных недостатков лишён генератор Колпитца — схемотехническое решение ещё одного трехточечного кварцевого генератора, в котором транзистор активного элемента по переменному току включён по схеме с общим коллектором. При этом кварцевый резонатор, имеющий индуктивный характер реактивного сопротивления, входит в состав параллельного резонансного контура, один из выводов которого может быть подключён к земляной шине.


Рис. 7Рис.8

На Рис.7 приведена базовая схема кварцевого генератора Колпитца при условии возбуждения резонатора на основной частоте.

Замена постоянного конденсатора С3 на подстроечный (Рис.8), даёт возможность регулировки рабочей частоты кварцевого генератора в некоторых незначительных преде- лах.


Рис.9Рис.10

Схема для возбуждения кварцевого генератора на 3-5 механической гармонике кварца (Рис.9) была замечена в datasheet-е на буржуйскую микросхему SA612A.

Последовательный резонанс- ный контур, образованный цепочкой L1, С3, шунтирует нагрузочный резистор R4 на основной частоте работы резонатора и создаёт, тем самым, условия возникновения
колебаний именно на той частоте гармоникового кварца, который указан на его корпусе.
Ровно та же самая история, но с полевым транзистором вместо биполярного приведена на Рис.10.

На высоких частотах, вплоть до 300МГц, целесообразно применять однокаскадные схемы генераторов с общей базой (Рис. 11).


Рис.11Рис.12 Рис.13 Рис.14

Схемы, приведённые на Рис.11 и Рис.12 функционально абсолютно идентичны, хотя первая из них представляет индуктивную трёхточку с кварцевым резонатором, выполненную по схеме Хартли, а вторая ёмкостную — по схеме Колпитца.
Для возникновения колебаний необходимо, чтобы колебательный контур был настроен на частоту кварцевого резонатора, либо на частоту, равную кратной основной частоте гармоники.
Дальнейшего улучшения условия самовозбуждения этих автогенераторов на высоких частотах можно добиться, включив параллельно кварцу дополнительную катушку индуктивности L2 (Рис.13 и Рис.14). Контур, образованный параллельной ёмкостью кварца Со и катушкой L2, настраивают на частоту используемой гармоники.
Точно также как и в предыдущих случаях, биполярный транзистор лёгким движением руки может быть заменён на полевой с соответствующими цепями смещения.

ВАЖНО!
1. К источнику питания любые ВЧ генераторы, в том числе и окварцованные, следует подключать через интегрирующую RC цепочку, представляющую из себя резистор номиналом несколько сотен Ом (в зависимости от рабочего тока транзистора) и конденсатор, идущий одним выводом на землю, ёмкостью 0,1МкФ.
2. Каскады, подключаемые к выходу генератора, должны иметь достаточно высокое входное сопротивление. Идеально — если это будут цепи, реализованные на полевых транзисторах.
3. Разделительные конденсаторы, нарисованные на схемах последовательно с кварцевыми резонаторами, призваны отсечь от кварца постоянное напряжение. Кто-то их ставит, кто-то нет — по-любому, внятных теоретических обоснований по поводу вреда здоровью резонаторов от постоянки я не встречал. Так, что считайте присутствие этих элементов факультативным, хуже точно не будет, лучше — вполне вероятно.

4. Базовая схема кварцевого генератора на цифровой микросхеме (Рис.6) отлично работает в широком диапазоне частот и не требует никаких модификаций. Многочисленные 2-3 вентильные вариации на заданную тему большого смысла не имеют, так как обладают худшими частотными свойствами. Разве, что можно обратить внимание на схему, приведённую на Рис.15, которая за счёт более высокого общего коэффициента усиления создаёт дополнительные условия для устойчивой генерации и меньшей зависимости от номиналов ёмкостей.
Рис.15

Ну и по традиции — калькулятор в студию!

ТАБЛИЦА РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Приведённый калькулятор не претендует на 100% достоверность, так не в состоянии учитывать реальные характеристики применяемых резонаторов, однако, в большинстве случаев поможет радиолюбителю не допустить явных ошибок и запустить устройство без шаманства и танцев с бубнами.

А на следующей странице рассмотрим схемы кварцевых генераторов, обладающих способностью плавной перестройки в некотором не очень широком диапазоне частот.

Принцип работы и свойства кварцевого резонатора

В современной электронике, особенно в цифровой сложно не найти электронный компонент под названием кварцевый резонатор. По своей сути, кварцевый резонатор является аналогом колебательного контура на основе ёмкости и индуктивности. Правда, кварцевый резонатор превосходит LC-контур по очень важным параметрам.

Как известно, колебательный контур характеризуется добротностью . Резонаторы на основе кварца обладают очень высокой добротностью, которая недостижима при использовании обычного колебательного LC-контура. Если добротность обычных контуров лежит в пределах 100 – 300, то для кварцевых резонаторов величина добротности достигает 10 5 – 10 7 .

Ёмкость конденсатора довольно сильно зависит от температуры окружающей среды. У конденсаторов даже есть параметр, который называется ТКЕ (температурный коэффициент ёмкости). Он показывает насколько измениться ёмкость конденсатора при изменении температуры.

Естественно, при применении конденсатора в составе LC-контура, частота его колебаний будет очень сильно зависеть от внешней температуры среды. То же касается и индуктивности, у которой также есть своя температурная характеристика — ТКИ.

Понятно, что для использования в цифровой технике (в том числе и в технике связи) требуется более стабильный и надёжный источник гармонических колебаний.

Резонаторы на основе кварца обладают очень высокой температурной стабильностью . Именно благодаря высокой добротности и температурной стабильности кварцевые резонаторы применяются в радиотехнике очень активно.

Любой процессор или микроконтроллер работает на определённой тактовой частоте. Понятно, что для задания тактовой частоты необходим генератор. Такой генератор в качестве источника высокоточных гармонических колебаний, как правило, использует кварцевый резонатор. В тех схемах, где высокая добротность не требуется, могут применяться резонаторы на основе керамики – керамические резонаторы. Добротность резонаторов на основе пьезокерамики составляет не более 10 3 . Их можно встретить в пультах дистанционного управления, электронных игрушках, бытовых радиоприёмниках.

Принцип работы кварцевого резонатора.

Принцип работы кварцевого резонатора целиком и полностью опирается на пьезоэлектрический эффект . Основой любого кварцевого резонатора является пластинка из кварца. Кварц – это одна из разновидностей кремнезема SiO2 . Для изготовления резонаторов пригоден только лишь низкотемпературный кварц, который обладает пьезоэлектрическими свойствами. В природе такой кварц встречается в виде кристаллов и бесформенной гальки.


Кристалл кварца

Химически кварц очень устойчив и не растворяется ни в одной из кислот, за исключением плавиковой. Также кварц очень твёрдый. На шкале твёрдости он занимает седьмое место из десяти.

Чтобы изготовить кварцевую пластинку берётся кристалл кварца и из него под определённым углом вырезается пластинка. От угла, под которым происходит срез, зависят электромеханические свойства кварцевой пластины. Тип среза существенно влияет на температурную стабильность, количество паразитных резонансов, резонансную частоту.

Далее на две стороны кварцевой пластины наносят металлизированный слой (из серебра, никеля, золота или платины) и посредством жёстких проволочных контактов закрепляют в кварцедержателе. Всю эту конструкцию помещают в герметичный корпус.

Кварцевый резонатор является электромеханической колебательной системой. Как известно, любая колебательная система обладает своей резонансной частотой . У кварцевого резонатора также есть своя номинальная резонансная частота . Если приложить к кварцевой пластине переменное напряжение, которое совпадает с резонансной частотой самой кварцевой пластины, то происходит резонанс частот и амплитуда колебаний резко возрастает.

При резонансе электрическое сопротивление резонатора уменьшается. В результате получается эквивалент последовательной колебательной системы. Поскольку потери энергии в кварцевом резонаторе очень малы, то он фактически представляет собой электрический колебательный контур с очень большой добротностью .

Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора изображена на рисунке.


Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора

Здесь С – это постоянная (статическая) ёмкость образующаяся за счёт металлических пластин-электродов и держателя. Последовательно соединённые индуктивность L1,конденсатор С1 и активное сопротивление Rакт. отражают электромеханические свойства кварцевой пластинки. Как видим, если отбросить ёмкость монтажа и кварцедержателя С, то получиться последовательный колебательный контур.

При монтаже кварцевого резонатора на печатную плату стоит позаботиться о том, чтобы не перегреть его. Эта рекомендация наверняка связана с тем, что конструкция кварцевого резонатора довольно тонкая. Температурный перегрев может вызвать деформацию кварцедержателя и пластинок-электродов. Естественно, всё это может отразиться на качестве работы резонатора в схеме.

Также известно, что если кварц нагреть свыше 573 0 С, то он превращается в высокотемпературный кварц и лишается своих пьезоэлектрических свойств. Конечно, довести температуру кварца до такой температуры оборудованием для пайки нереально.

Обозначение кварцевого резонатора.

На принципиальных схемах и в технической документации кварцевый резонатор обозначается наподобие конденсатора, только между пластинами добавлен прямоугольник, который символизирует пластинку кварца. Рядом с графическим изображением указывается буква Z или ZQ.


Условное обозначение кварцевого резонатора на схемах

Как проверить кварцевый резонатор?

Многие начинающие радиолюбители задаются вопросом: “Как проверить кварцевый резонатор?”

К сожалению, достоверно проверить кварцевый резонатор можно только заменой. Причиной неисправности кварцевого резонатора может быть сильный удар либо падение электронного прибора, в котором он был установлен. Поэтому если есть подозрение в исправности кварцевого резонатора, то его стоит заменить новым. К счастью в практике ремонта неисправность кварцевого резонатора встречается редко, конечно, есть и исключения, но они относятся к портативной электронике, которую частенько роняют.

Более подробную информацию о кварцевых резонаторах вы узнаете из книги, которую найдёте здесь.

В данной статье мы подробно поговорим про кварцевый генератор, опишем принцип его работы, эквивалентную модель кварцевого кристалла, сравним с генератором Колпитца, а так же рассмотрим модель генератора Пирса. В конце статьи поговорим про микропроцессорные генераторы.

Описание и принцип работы

Некоторые из факторов, которые влияют на стабильность частоты генератора, как правило, включают в себя: изменения температуры, изменения нагрузки, а также изменения напряжения питания постоянного тока и многое другое.

Стабильность частоты выходного сигнала может быть значительно улучшена путем правильного выбора компонентов, используемых для резонансной цепи обратной связи, включая усилитель. Но есть предел стабильности, который можно получить из обычных контуров резервуаров LC и RC.

Чтобы получить очень высокий уровень стабильности генератора, кварцевый кристалл обычно используется в качестве устройства для определения частоты для создания осциллятора другого типа, известного как кварцевый генератор.

Когда источник напряжения подается на небольшой тонкий кусочек кристалла кварца, он начинает менять форму, создавая характеристику, известную как пьезоэлектрический эффект. Этот пьезоэлектрический эффект является свойством кристалла, посредством которого электрический заряд создает механическую силу, изменяя форму кристалла, и наоборот, механическая сила, приложенная к кристаллу, создает электрический заряд.

Затем пьезоэлектрические устройства могут быть классифицированы как преобразователи, поскольку они преобразуют энергию одного вида в энергию другого (электрическую в механическую или механическую в электрическую). Этот пьезоэлектрический эффект создает механические колебания или колебания, которые можно использовать для замены стандартной цепи LC- бака в предыдущих генераторах.

Существует множество различных типов кристаллических веществ, которые можно использовать в качестве осцилляторов, причем наиболее важными из них для электронных схем являются минералы кварца, что отчасти объясняется их большей механической прочностью.

Кристалл кварца, используемый в кварцевом генераторе, представляет собой очень маленький, тонкий кусок или пластину из резаного кварца с металлизацией двух параллельных поверхностей для обеспечения требуемых электрических соединений. Физический размер и толщина кусочка кварцевого кристалла строго контролируются, поскольку он влияет на конечную или основную частоту колебаний. Основная частота обычно называется характеристической частотой кристаллов.

После резки и формирования кристалл не может быть использован на любой другой частоте. Другими словами, его размер и форма определяют его основную частоту колебаний.

Характеристика или характерная частота кристаллов обратно пропорциональна его физической толщине между двумя металлизированными поверхностями. Механически вибрирующий кристалл может быть представлен эквивалентной электрической цепью, состоящей из низкого сопротивления R, большой индуктивности L и небольшой емкости C, как показано ниже.

Эквивалентная модель кварцевого кристалла

Эквивалентная электрическая схема для кварцевого кристалла показывает последовательную RLC- схему, которая представляет механические колебания кристалла параллельно с емкостью Cp, которая представляет электрические соединения с кристаллом. Кварцевые генераторы имеют тенденцию работать в направлении своего «последовательного резонанса».

Эквивалентный импеданс кристалла имеет последовательный резонанс, где Cs резонирует с индуктивностью Ls на рабочей частоте кристаллов. Эта частота называется частотой серии кристаллов ƒs. Наряду с этой последовательной частотой существует вторая частотная точка, созданная в результате параллельного резонанса, создаваемого, когда Ls и Cs резонируют с параллельным конденсатором Cp.

Кристаллический импеданс против частоты

Наклон импеданса кристаллов выше показывает, что по мере увеличения частоты на его клеммах, на определенной частоте взаимодействие между последовательным конденсатором Cs и индуктором Ls создается последовательный резонансный контур, снижающий импеданс кристаллов до минимума и равный Rs. Эта частотная точка называется резонансной частотой кристаллов серии, а ниже ƒs кристалл является емкостным.

При увеличении частоты выше этой последовательной резонансной точки кристалл ведет себя как индуктор, пока частота не достигнет своей параллельной резонансной частоты ƒp. В этой частотной точке взаимодействие между последовательным индуктором Ls и параллельным конденсатором Cp создает параллельно настроенную цепь LC-емкости, и, таким образом, полное сопротивление поперек кристалла достигает своего максимального значения.

Тогда мы можем видеть, что кристалл кварца представляет собой комбинацию последовательных и параллельно настроенных резонансных контуров, колеблющихся на двух разных частотах с очень малой разницей между ними в зависимости от огранки кристалла. Кроме того, поскольку кристалл может работать как на последовательных, так и на параллельных резонансных частотах, схему кварцевого генератора необходимо настроить на одну или другую частоту, поскольку вы не можете использовать обе вместе.

Таким образом, в зависимости от характеристик схемы кристалл кварца может действовать как конденсатор, индуктор, последовательный резонансный контур или как параллельный резонансный контур, и чтобы продемонстрировать это более четко, мы также можем построить зависимость реактивного сопротивления кристаллов от частоты, как показано ниже.

Кристаллическая реактивность против частоты

Наклон реактивного сопротивления от частоты выше показывает, что последовательное реактивное сопротивление на частоте ƒs обратно пропорционально Cs, потому что ниже ƒs и выше ƒp кристалл кажется емкостным. Между частотами ƒs и ƒp кристалл кажется индуктивным, так как две параллельные емкости компенсируются.

Тогда формула для резонансной частоты ряда кристаллов ƒs имеет вид:

Частота параллельного резонанса ƒp возникает, когда реактивное сопротивление последовательной ветви LC равно реактивному сопротивлению параллельного конденсатора Cp, и задается как:

Пример кварцевого генератора

Кристалл кварца имеет следующие значения: Rs = 6,4 Ом, Cs = 0,09972 пФ и Ls = 2,554 мГн. Если емкость на его клемме Cp измеряется при 28,68 пФ, рассчитайте основную частоту колебаний кристалла и его частоту вторичного резонанса.

Резонансная частота ряда кристаллов ƒ S

Параллельная резонансная частота кристалла ƒ P

Мы можем видеть, что разница между ƒs, основной частотой кристалла и ƒp невелика — около 18 кГц (10,005 МГц — 9,987 МГц). Однако в этом частотном диапазоне добротность Q (коэффициент качества) кристалла является чрезвычайно высокой, поскольку индуктивность кристалла намного выше, чем его емкостные или резистивные значения. Добротность нашего кристалла на последовательной резонансной частоте определяется как:

Тогда Q нашего кристалла, например, около 25000, из — за этой высокой Х L/ R отношение. Коэффициент добротности большинства кристаллов находится в диапазоне от 20000 до 200000 по сравнению с хорошей цепью бака с хорошей настройкой LC, которую мы рассматривали ранее, которая будет намного меньше 1000. Это высокое значение добротности также способствует большей стабильности частоты кристалла на его рабочей частоте, что делает его идеальным для построения схем кварцевого генератора.

Итак, мы видели, что кварцевый кристалл имеет резонансную частоту, аналогичную частоте электрической цепи LC-бака, но с намного более высоким добротностью. Это связано главным образом с его низким последовательным сопротивлением Rs. В результате кварцевые кристаллы делают превосходный выбор компонентов для использования в генераторах, особенно в генераторах очень высокой частоты.

Типичные кварцевые генераторы могут колебаться в диапазоне частот от примерно 40 кГц до более 100 МГц в зависимости от конфигурации их схемы и используемого усилительного устройства. Разрез кристалла также определяет его поведение, поскольку некоторые кристаллы будут вибрировать с более чем одной частотой, создавая дополнительные колебания, называемые обертонами.

Кроме того, если кристалл не имеет параллельной или однородной толщины, он может иметь две или более резонансных частот как с основной частотой, образующей так называемые, так и гармоники, такие как вторая или третья гармоники.

В целом, хотя основная частота колебаний для кварцевого кристалла намного более сильная или выраженная, чем у вторичных гармоник и вторичных гармоник вокруг него, так что это будет использоваться. На графиках выше мы видели, что схема эквивалентного кристалла имеет три реактивных компонента, два конденсатора и индуктор, поэтому есть две резонансные частоты, самая низкая — последовательная резонансная частота, а самая высокая — параллельная резонансная частота.

Мы видели в предыдущих уроках, что схема усилителя будет колебаться, если она имеет коэффициент усиления контура, больший или равный единице, и обратная связь положительна. В схеме кварцевого генератора генератор будет колебаться на основной параллельной резонансной частоте кристаллов, поскольку кристалл всегда хочет колебаться, когда на него подается источник напряжения.

Тем не менее, также возможно «настроить» кварцевый генератор на любую четную гармонику основной частоты (2-й, 4-й, 8-й и т. д.), и они обычно известны как гармонические генераторы, в то время как генераторы обертоновых колебаний вибрируют с нечетными кратными значениями основной частоты 3, 5, 11 и т.д.). Как правило, кварцевые генераторы, которые работают на обертонных частотах, используют их последовательные резонансные частоты.

Кварцевый генератор Колпитца

Цепи кварцевого генератора обычно строятся с использованием биполярных транзисторов или полевых транзисторов. Это связано с тем, что хотя операционные усилители могут использоваться во многих различных низкочастотных (≤100 кГц) осцилляторных схемах, операционные усилители просто не имеют полосы пропускания для успешной работы на более высоких частотах, подходящих для кристаллов выше 1 МГц.

Конструкция кварцевого генератора очень похожа на конструкцию генератора Колпитца, который мы рассматривали в предыдущем уроке, за исключением того, что схема резервуара LC, которая обеспечивает колебания обратной связи, была заменена кварцевым кристаллом, как показано ниже.

Этот тип кварцевых генераторов разработан вокруг усилителя с общим коллектором (эмиттер-повторитель). Сеть резисторов R 1 и R 2 устанавливает уровень смещения постоянного тока на базе, а эмиттерный резистор R Eустанавливает уровень выходного напряжения. Резистор R 2 установлен как можно большим, чтобы предотвратить нагрузку на параллельно подключенный кристалл.

Транзистор 2N4265 представляет собой NPN-транзистор общего назначения, подключенный в конфигурации с общим коллектором, и способен работать на скоростях переключения, превышающих 100 МГц, значительно выше основной частоты кристаллов, которая может быть между 1 МГц и 5 МГц.

Вышеприведенная принципиальная схема контура генератора Колпитц-Кристалл показывает, что конденсаторы С1 и С2 шунтируют выход транзистора, что уменьшает сигнал обратной связи. Следовательно, коэффициент усиления транзистора ограничивает максимальные значения C1 и C2. Выходную амплитуду следует поддерживать низкой, чтобы избежать чрезмерного рассеивания мощности в кристалле, иначе он может разрушиться из-за чрезмерной вибрации.

Генератор Пирса

Другая распространенная конструкция кварцевого генератора — это модель Пирса. Генератор Пирса очень похож по конструкции на предыдущий генератор Колпитца и хорошо подходит для реализации схем кварцевого генератора, использующих кристалл как часть его цепи обратной связи.

Генератор Пирса — это, прежде всего, последовательный резонансно настроенный контур (в отличие от параллельного резонансного контура генератора Колпитца), который использует JFET для своего основного усилительного устройства, поскольку полевые транзисторы обеспечивают очень высокие входные импедансы с кристаллом, подключенным между стоком и затвором через конденсатор C1, так как показано ниже.

В этой простой схеме кристалл определяет частоту колебаний и работает на своей последовательной резонансной частоте, что дает путь с низким импедансом между выходом и входом. При резонансе наблюдается сдвиг фазы на 180 o , что делает обратную связь положительной. Амплитуда выходной синусоидальной волны ограничена максимальным диапазоном напряжения на выводе стока.

Резистор R1 управляет величиной обратной связи и возбуждением кристалла, в то время как напряжение на радиочастотном дросселе RFC меняется в течение каждого цикла. Большинство цифровых часов и таймеров используют генератор Пирса в той или иной форме, поскольку он может быть реализован с использованием минимума компонентов.

Наряду с использованием транзисторов и полевых транзисторов, мы также можем создать простой базовый параллельный резонансный кварцевый генератор, аналогичный по работе генератору Пирса, с использованием КМОП-инвертора в качестве элемента усиления. Основной кварцевый генератор состоит из одного инвертирующего логического элемента триггера Шмитта, такого как TTL 74HC19 или CMOS 40106, 4049, индуктивного кристалла и двух конденсаторов. Эти два конденсатора определяют величину емкости нагрузки кристаллов. Последовательный резистор помогает ограничить ток возбуждения в кристалле, а также изолирует выход инвертора от комплексного сопротивления, образованного конденсаторно-кристаллической сетью.

КМОП кристаллический генератор

Кристалл колеблется на своей последовательной резонансной частоте. КМОП-инвертор изначально смещен в середину своей рабочей области резистором обратной связи R1. Это гарантирует, что точка Q инвертора находится в области высокого усиления. Здесь используется резистор со значением 1 МОм, но его значение не является критическим, если оно больше 1 МОм. Дополнительный инвертор используется для буферизации выходного сигнала генератора на подключенную нагрузку.

Инвертор обеспечивает 180 o фазового сдвига, а сеть кристаллических конденсаторов — дополнительные 180 o , необходимые для колебаний. Преимущество кварцевого генератора КМОП является то , что он всегда будет автоматически корректировать себя, чтобы поддерживать это 360 о фазовом сдвиге для колебаний.

В отличие от предыдущих кварцевых генераторов на транзисторной основе, которые генерировали синусоидальную форму выходного сигнала, поскольку генератор КМОП-инвертор использует цифровые логические элементы, выходной сигнал представляет собой прямоугольную волну, колеблющуюся между HIGH и LOW. Естественно, максимальная рабочая частота зависит от характеристик переключения используемого логического элемента.

Микропроцессорные кварцевые часы

Мы не можем закончить статью по кварцевым генераторам, не упомянув кое-что о микропроцессорных кварцевых часах. Практически все микропроцессоры, микроконтроллеры, PIC и процессоры, как правило, используют кварцевый генератор в качестве устройства определения частоты, чтобы генерировать их синхроимпульс, потому что, как мы уже знаем, кварцевые генераторы обеспечивают высочайшую точность и стабильность частоты по сравнению с резистором-конденсатором (RC) или индуктор-конденсатор, (LC) генераторы.

Тактовая частота процессора определяет, насколько быстро процессор может работать и обрабатывать данные с помощью микропроцессора, PIC или микроконтроллера с тактовой частотой 1 МГц, что означает, что он может обрабатывать данные внутренне один миллион раз в секунду за каждый тактовый цикл. Как правило, все, что нужно для получения тактовой формы сигнала микропроцессора, — это кристалл и два керамических конденсатора со значениями в диапазоне от 15 до 33 пФ, как показано ниже.

Микропроцессорный генератор

Большинство микропроцессоров, микроконтроллеров и PIC имеют два вывода генератора, обозначенных OSC1 и OSC2, для подключения к внешней кварцевой кристаллической цепи, стандартной сети RC- генератора или даже керамическому резонатору. В микропроцессорных системах такого типа кварцевый генераторгенерирует последовательность непрерывных прямоугольных импульсов, основная частота которых контролируется самим кристаллом. Эта основная частота регулирует поток инструкций, управляющих процессором устройства. Например, мастер часов и системное время.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

Кварцевый резонатор. Конструкция. Принцип работы и свойства…

Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про кварцевый резонатор, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое кварцевый резонатор , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

кварцевый резонатор , жарг. кварц — прибор, в котором пьезоэлектрический эффект и явление механического резонансаиспользуются для построения высокодобротного резонансного элемента электронной схемы.

Несмотря на то, что вместо кварца часто используются и другие пьезоэлектрики, например, керамика (Керамический резонатор), прилагательное «кварцевый» является общеупотребительным для всех таких устройств

В современной электронике, особенно в цифровой сложно не найти электронный компонент под названием кварцевый резонатор. По своей сути, кварцевый резонатор является аналогом колебательного контура на основе емкости и индуктивности. Правда, кварцевый резонатор превосходит LC-контур по очень важным параметрам.

Как известно, колебательный контур характеризуется добротностью. Резонаторы на основе кварца обладают очень высокой добротностью, которая недостижима при использовании обычного колебательного LC-контура. Если добротность обычных контуров лежит в пределах 100 – 300, то для кварцевых резонаторов величина добротности достигает 105 – 107.

Ёмкость конденсатора довольно сильно зависит от температуры окружающей среды. У конденсаторов даже есть параметр, который называется ТКЕ (температурный коэффициент емкости). Он показывает насколько измениться емкость конденсатора при изменении температуры.

Естественно, при применении конденсатора в составе LC-контура, частота его колебаний будет очень сильно зависеть от внешней температуры среды. То же касается и индуктивности, у которой также есть своя температурная характеристика — ТКИ.

Понятно, что для использования в цифровой технике (в том числе и в технике связи) требуется более стабильный и надежный источник гармонических колебаний.

Резонаторы на основе кварца обладают очень высокой температурной стабильностью. Именно благодаря высокой добротности и температурной стабильности кварцевые резонаторы применяются в радиотехнике очень активно.

Любой процессор или микроконтроллер работает на определенной тактовой частоте. Понятно, что для задания тактовой частоты необходим генератор. Такой генератор в качестве источника высокоточных гармонических колебаний, как правило, использует кварцевый резонатор. В тех схемах, где высокая добротность не требуется, могут применяться резонаторы на основе керамики – керамические резонаторы. Добротность резонаторов на основе пьезокерамики составляет не более 103. Их можно встретить в пультах дистанционного управления, электронных игрушках, бытовых радиоприемниках.

Принцип работы кварцевого резонатора.

Принцип работы кварцевого резонатора целиком и полностью опирается на пьезоэлектрический эффект. Основой любого кварцевого резонатора является пластинка из кварца. Кварц – это одна из разновидностей кремнезема SiO2. Для изготовления резонаторов пригоден только лишь низкотемпературный кварц, который обладает пьезоэлектрическими свойствами. В природе такой кварц встречается в виде кристаллов и бесформенной гальки. Для изготовления резонаторов используют как натуральный так и синтетический кристал кварца.

Оптический и пьезоэлектрический синтетический кварц применяется в технике, в том числе в персональных компьютерах, оптике и телеметрии, цифровых видеокамерах и фотоаппаратах, радио- и телекоммуникационных устройствах, системах дистанционного управления и автоматического контроля, радарном и радионавигационном оборудовании, для подложек высокого качества, а также в часовой промышленности.
Синтетический кварц, выращенный гидротермальным методом, широко используется в ювелирной промышленности, — особенное его цветные разновидности.
Свойства синтетического кварца

Химическая формула: SiO2
Твердость (шкала Мооса): 7
Плотность: 2,65
Показатель преломления: 1,544 – 1,553
Дисперсия: 0,013
Кристаллическая решетка: тригональная
Диэлектрическая постоянная: 4,5
Температура фазового перехода: 573°C


Кварц-пластины

Кристалл кварца

Синтетический кварц. Большой кристалл~20 см

Химически кварц очень устойчив и не растворяется ни в одной из кислот, за исключением плавиковой. Также кварц очень твердый. На шкале твердости он занимает седьмое место из десяти.

Чтобы изготовить кварцевую пластинку берется кристалл кварца и из него под определенным углом вырезается пластинка. От угла, под которым происходит срез, зависят электромеханические свойства кварцевой пластины. Тип среза существенно влияет на температурную стабильность, количество паразитных резонансов, резонансную частоту.

Далее на две стороны кварцевой пластины наносят металлизированный слой (из серебра, никеля, золота или платины) и посредством жестких проволочных контактов закрепляют в кварцедержателе. Всю эту конструкцию помещают в герметичный корпус.

Кварцевый резонатор в кристаллодержателе

Кварцевый резонатор является электромеханической колебательной системой. Как известно, любая колебательная система обладает своей резонансной частотой. У кварцевого резонатора также есть своя номинальная резонансная частота. Если приложить к кварцевой пластине переменное напряжение, которое совпадает с резонансной частотой самой кварцевой пластины, то происходит резонанс частот и амплитуда колебаний резко возрастает.

При резонансе электрическое сопротивление резонатора уменьшается. В результате получается эквивалент последовательной колебательной системы. Поскольку потери энергии в кварцевом резонаторе очень малы, то он фактически представляет собой электрический колебательный контур с очень большой добротностью.

Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора изображена на рисунке.

Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора

Здесь С0 – это постоянная (статическая) емкость образующаяся за счет металлических пластин-электродов и держателя. Последовательно соединенные индуктивность L1, конденсатор С1 и активное сопротивление Rакт. отражают электромеханические свойства кварцевой пластинки. Как видим, если отбросить емкость монтажа и кварцедержателя С0, то получиться последовательный колебательный контур.

При монтаже кварцевого резонатора на печатную плату стоит позаботиться о том, чтобы не перегреть его. Эта рекомендация наверняка связана с тем, что конструкция кварцевого резонатора довольно тонкая. Температурный перегрев может вызвать деформацию кварцедержателя и пластинок-электродов. Естественно, все это может отразиться на качестве работы резонатора в схеме.

Также известно, что если кварц нагреть свыше 5730 С, то он превращается в высокотемпературный кварц и лишается своих пьезоэлектрических свойств. Конечно, довести температуру кварца до такой температуры оборудованием для пайки нереально.

Принцип действия кварцевого генератора

На пластинку, кольцо или брусок, вырезанные из кристалла кварца определенным образом, нанесены 2 и более электродов — проводящие полоски.

Пластинка закреплена и имеет собственную резонансную частоту механических колебаний.

При подаче напряжения на электроды благодаря пьезоэлектрическому эффекту происходит изгибание, сжатие или сдвиг в зависимости от того, каким образом вырезан кусок кристалла.

Однако колеблющаяся пластинка в результате того же пьезоэлектрического эффекта создает во внешней цепи противо-ЭДС, что можно рассматривать как явление, эквивалентное работе катушки индуктивности в колебательном контуре.

Если частота подаваемого напряжения равна или близка к частоте собственных механических колебаний пластинки, затраты энергии на поддержание колебаний пластинки оказываются намного ниже, нежели при большом отличии частоты. Это тоже соответствует поведению колебательного контура.

Обозначение кварцевого резонатора.

На принципиальных схемах и в технической документации кварцевый резонатор обозначается наподобие конденсатора, только между пластинами добавлен прямоугольник, который символизирует пластинку кварца. Рядом с графическим изображением указывается буква Z или ZQ.

Условное обозначение кварцевого резонатора на схемах.

Как проверить кварцевый резонатор при диагностических процедурах?

К сожалению, достоверно проверить кварцевый резонатор можно только заменой.

Причиной неисправности кварцевого резонатора может быть сильный удар либо падение электронного прибора, в котором он был установлен. Поэтому если есть подозрение в исправности кварцевого резонатора, то его стоит заменить новым. К счастью в практике ремонта неисправность кварцевого резонатора встречается редко, конечно, есть и исключения, но они относятся к портативной электронике, которую частенько роняют.

История изготовлений различных конструкций кварцевых резонаторов

Кварцевый резонатор в герметичном стеклянном корпусе пальчикового бесцокольного исполнения

Резонатор на 4 МГц в миниатюрном металлическом герметизированном корпусеHC-49/US

Металлические корпуса разнообразных размеров

Пьезоэлектрический эффект был впервые открыт братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 г . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Поль Ланжевен впервые использовал этот эффект в часовом резонаторе гидролокатора перед первой мировой войной. Первый кристальный резонатор, работающий насегнетовой соли, был изготовлен в 1917 году и запатентован в 1918 году Александром М. Николсоном (Alexander M. Nicholson) из компании Bell Telephone Laboratories, хотя это оспаривалось Уолтером Гейтоном Кэди (Walter Guyton Cady), который изготовилкварцевый резонатор в 1921 году. Некоторые улучшения в кварцевые резонаторы вводились позже Льюисом Эссеном и Джорджом Вашингтоном Пирсом (George Washington Pierce).

Первые стабильные по частоте кварцевые резонаторы были разработаны в 1920—30-х годах. Начиная с 1926 года, кварцевые резонаторы на радиостанциях использовались в качестве задающих несущую частоту элементов. В то же время резко возросло количество компаний, начавших выпускать кварцевые резонаторы; только до 1939 года в США было выпущено более чем 100 000 ед.

Применение. И спациальные типы кварцевых генераторов

Одним из самых популярных видов резонаторов являются резонаторы, применяемые в часовых схемах. Резонансная частота часовых резонаторов 32768 Гц, поделенная на 15-разрядном двоичном счетчике, дает интервал времени в 1 секунду.

Применяются в генераторах с фиксированной частотой, где необходима высокая стабильность частоты. В частности, в опорных генераторах синтезаторов частот и в трансиверных радиостанциях для формирования DSB-сигнала на промежуточной частоте и детектирования SSB или телеграфного сигнала.

Также применяются в кварцевых полосовых фильтрах промежуточной частоты супергетеродинных приемников. Такие фильтры могут выполняться по лестничной или дифференциальной схеме и отличаются очень высокой добротностью и стабильностью по сравнению с LC-фильтрами.

По типу корпуса кварцевые резонаторы могут быть выводные для объемного монтажа (стандартные и цилиндрические) и дляповерхностного монтажа (SMD).

Качество схемы, в которую входят кварцевые резонаторы, определяют такие параметры, как допуск по частоте (отклонение частоты), стабильность частоты, нагрузочная емкость, старение.

  • Кварцевые резонаторы (Crystal Units) – отдельные кварцевые резонаторы и модули со встроенными датчиками температуры на номинальные частоты от 4 МГц до 150 МГц, а также низкочастотные резонаторы на частоту 32768 Гц.
  • Тактовые генераторы (Crystal Clock Oscillator) – кварцевые генераторы, состоящие из кристалла и простого генератора, выпускаются на частоты в диапазоне 1,5–125 МГц, а также на частоту 32768 Гц.
  • SPXO (Simple Packaged Crystal Oscillators) – кварцевые генераторы на высокие частоты в диапазоне 62,5 – 313 МГц с допустимыми отклонениями частоты ±(25–100)х10-6.

  • Термостатированные генераторы (OCXO) DOCXO

Термостатированные генераторы (OCXO) предназначены для проектов, в которых температурная нестабильность частоты не должна превышать ±0.5ppm. Такие кварцевые генераторы включают в себя схему подогрева и устанавливаются в специальный корпус, что позволяет поддерживать рабочую температуру генератора постоянной и, следовательно, получать высокую стабильность частоты, вплоть до ±0.1ppb. В большинстве случаев, у термостатированных генераторов есть функция частотной подстройки, либо управляющим напряжением, либо механически.

  • TCXO (Temperature Compensated Crystal Oscillator) – термокомпенсированные кварцевые генераторы.

Принципиальные схемы


Рис.1 Упрощенная схема прямой компенсации TCXO


Рис.2 Упрощенная схема косвенной компенсации TCXO

применение

TCXO для GPS
TCXO для сети

  • VCXO (Voltage-Controlled Crystal Oscillators) – кварцевые генераторы, управляемые напряжением, в приборы этого типа интегрированы варикапы, обеспечивающие перестройку частоты генераторов.

Принципиальные схемы


Рис.3 Характеристики управляющего напряжения VCXO (положительный наклон)


Рис.4 Характеристики управляющего напряжения VCXO (отрицательный наклон)

  • FCXO (Frequency Controlled Crystal Oscillator) – модули переноса частоты, или кварцевые генераторы, синхронизируемые внешними источниками.

  • Прецизионные термостатированные генераторы OCXO (Oven Controlled Crystal Oscillator), TwinOCXO (Twin-Oven Controlled Crystal Oscillator) и Twin-DCXO (Twin-Digital Controlled Crystal Oscillator).

  • Кварцевые фильтры (Crystal Filter) – в данную категорию входят приборы на номинальные частоты 10,7 МГц, 21,4 МГц, 21,7 МГц, 45 МГц, 70,05 МГц, 90 МГц с различными полосами пропускания.
  • ПАВ-фильтры (SAW Device) – широкая номенклатура фильтров на поверхностных акустических волнах под различные целевые назначения приборов: аппаратура для цифрового наземного телевидения, базовых станций WCDMA, беспроводных телефонов, беспроводных приборов для учета энергопотребления, систем дистанционного управления автомобильным оборудованием и других приложений.
  • Синтетические кварцы/кварцевые бланки/оптические компоненты (Synthetic Quartz Crystal/Crystal Blank/Optical Component) – кварцевые кристаллы, кварцевые пластины из монокристаллов (Crystal Blank) и оптические компоненты, такие как оптические фильтры нижних частот OLPF.
  • Синтезаторы частоты (Frequency Synthesizer) – компания выпускает встраиваемые синтезаторы частоты для оборудования систем цифрового наземного телевидения, микроволновой аппаратуры радиосвязи, измерительных приборов, базовых станций систем мобильной связи, систем ШПД и других ответственных приложений.
  • Зонды для ультразвуковых сканеров и преобразователи (Ultrasonic probe/Transducer) – компания выпускает ультразвуковые зонды различных форм (линейные, секторные и выпуклые зонды, матричные модули) для работы в диапазонах от 2,5 МГц до 12 МГц. Приборы могут использоваться для 2D- и 3D-визуализации в медицине и здравоохранении. Приборы производятся в соответствии с требованиями международного стандарта ISO13485 2008, определяющего систему менеджмента качества медицинских устройств. Компания может производить приборы по специальным требованиям заказчиков.
  • Биодатчики для QCM (Quartz Crystal Microbalance) систем – датчики микровесов (QCM Sensor) являются инструментом для измерения массы, принцип работы которого основан на зависимости частоты колебаний кварцевого резонатора (датчика QCM) от количества вещества, нанесенного на его поверхность. QCM-системы получили широкое распространение в биохимии, например, для распознавания антител и фрагментов ДНК.

Преимущества

  • Достижение намного больших значений добротности (104−106) эквивалентного колебательного контура, нежели любым другим способом.
  • Малые размеры устройства (вплоть до долей мм).
  • Большая температурная стабильность.
  • Большая долговечность.
  • Лучшая технологичность.
  • Построение качественных каскадных фильтров без необходимости их ручной настройки.

Недостатки

  • Чрезвычайно узкий диапазон подстройки частоты внешними элементами. Практически для многодиапазонных систем эта проблема решается построением синтезаторов частоты различной степени сложности.

Тесты осцилляции схем

NDK активно сотрудничает с производителями микроконтроллеров, различных чипсетов и модулей, а также ведет постоянную тесную работу с конечными заказчиками, применяющими в своих изделиях различные чипсеты и кварцевую продукцию. Свой опыт производства кварцевых продуктов, а также опыт сотрудничества с производителями чипсетов и модулей NDK готов предлагать своим заказчикам для облегчения их работы по подбору компонентов для своих изделий. NDK располагает двумя лабораториями – одна в Японии на базе фабрики в г. Саяма и другая в Германии в г. Зинсхайме, где в сотрудничестве с крупнейшими производителями микропроцессоров и чипсетов проводит большую работу по проведению испытаний, направленных на достижение наилучшей совместимости кварцевых компонентов NDK с микросхемами ведущих производителей (IC matching test).

Кварцевые резонаторы, подключаемые к различным микросхемам, микропроцессорам, БИС/СБИС (LSI/VLSI), в некотором смысле являются «дирижерами», управляющими многими тысячами логических элементов, поэтому качество совместной работы микросхем и подключаемых к ним резонаторов имеет важное значение для работы всего устройства (прибора, системы) в целом.

Для обеспечения стабильной работы на заданных частотах внутренних тактовых генераторов микросхем с внешними кварцевыми резонаторами необходим правильный выбор номиналов внешних компонентов, в общем случае подключаемых к резонатору по схеме, приведенной на рис. 10. Показанные на схеме инвертирующий усилитель и буфер являются внутренними элементами микросхем. В ряде случаев резистор Rf может не устанавливаться, а вместо резистора Rd устанавливаться перемычка, иногда не требуется установка и конденсаторов на входе или выходе генератора. При работе в штатном режиме кварцевый резонатор и конденсаторы образуют П-образный фильтр , обеспечивающий фазовый сдвиг 180°, необходимый для запуска генератора на частоте, определяемой резонатором (так называемая схема генератора Пирса).

При проведении тестов на совместимость микросхем компания NDK экспериментально определяет параметры, имеющие важнейшее значение для стабильного запуска и функционирования кварцевого резонатора в составе конкретных микросхем при определенных условиях.

Рассмотрим эти параметры более подробно:
  • Отрицательное сопротивление (-R) всей схемы генератора, включая значения емкостей конденсаторов, параметры кварцевого резонатора и цепи, реализованной на кристалле микросхемы. Это отрицательное сопротивление должно быть в несколько раз больше эквивалентного последовательного сопротивления кварцевого резонатора (Rs или ESR). При нарушении данного соотношения генератор не будет работать в заданном режиме или может вообще не заработать. Отрицательное сопротивление схемы можно получить, включив резистор последовательно с кварцевым резонатором (Rd на рис. 10). Пороговое значение, при котором запуск генератора становится невозможным, приблизительно равно отрицательному сопротивлению схемы. Схема стенда, используемая NDK для этой цели, приведена на рис. 11 а), б), пробник в виде открытого про-водника небольшой длины используется для исключения влияния на генератор измерительной схемы. Типовая зависимость отрицательного сопротивления схемы от емкостей конденсаторов генератора при Rd=1 кОм, Rf=1 МОм приведена на рис. 12 (по материалам NDK).

  • Изменение частоты генерации (Frequency Deviation, FD). Схема стенда для измерения частоты кварцевых генераторов приведена на рис. 13, измерения также производятся без контакта с элементами схемы и при изменении напряжения питания в заданных заказчиком пределах. Величину отклонения частоты генерации от номинальной частоты кварцевого резонатора представляют в относительных единицах – + или – ∆f/fном.х10-6.
  • Мощность возбуждения (Drive Level DL). При мощности возбуждения (рассеяния), превышающей максимально допустимую, в выходном сигнале кварцевого генератора могут появляться побочные излучения, возможны перескоки частоты генерации, а также может ухудшаться стабильность частоты генерации. Чтобы определить мощность рассеяния, необходимо измерить величину тока в цепи кварцевого резонатора. Схема стенда, используемая NDK для измерения тока, приведена на рис. 14, по осциллографу определяют размах тока в цепи кварцевого резонатора, затем по формуле Irms=Ip-p/2√2 вычисляют действующее значение тока, мощность определяется формулой P=Irms2 Rload (мкВт), где Rload– сопротивление на переменном токе в цепи резонатора. Сопротивление Rload зависит от параметров резонатора, величин емкостей схемы и сопротивления Rd (см. рис. 10), типовая зависимость мощности рассеяния от емкостей схемы приведена на рис. 15.

Как уже было сказано, в лабораториях NDK постоянно проводится ряд тестов по определению типов кварцевых резонаторов, в наибольшей степени подходящих для использования совместно с микропроцессорами и БИС основных серий таких компаний, как STM, TI, Microchip, NXP, Renesas и др.

В результате NDK имеет и готовы предоставлять своим клиентам данные по одобренным и рекомендованным компонентам NDK для работы с теми или иными чипсетами и модулями.

Также NDK предлагает своим клиентам провести тесты плат заказчика в своих лабораториях, на основе которых NDK даст свои рекомендации по работе чипсета и частотозадающих элементов в конкретной схеме заказчи

Как выбрать тип генератора.? Сравнение кварцевых с другими типами генераторов

Нижеследующее обсуждение относится к стандартам частоты в широком диапазоне температур (то есть к тем, которые предназначены для работы в диапазоне температур, который охватывает по меньшей мере 90 ° C). Лабораторные приборы, которые работают в гораздо более узком диапазоне температур, могут иметь лучшую стабильность, чем в приведенном ниже сравнении.

Коммерчески доступные источники частот охватывают диапазон точности в несколько порядков — от простого XO до стандарта частоты луча цезия. С увеличением точности возрастают требования к мощности, размеру и стоимости. Например, на рисунке 34 показана взаимосвязь между точностью и потребностью в мощности. Точность в сравнении с затратами будет аналогичной и колеблется от примерно 1 долл.

США для простого ХО до примерно 40 000 долл. США для стандарта цезия (цены 1991 года). Таблица 1 показывает сравнение существенных характеристик стандартов частоты. На рисунке 35 показано сравнение кратковременных диапазонов стабильности частоты как функции времени усреднения [43]. На рисунке 36 показано сравнение характеристик фазового шума, а в таблице 2 показано сравнение слабых мест и механизмов износа.


Рис. 34. Соотношение между точностью и требованиями к мощности (XO = простой кварцевый генератор; TCXO = температурно-компенсированный кварцевый генератор; OCXO = управляемый печью кварцевый генератор; Rb = рубидиевый стандарт частоты; Cs = цезиевый стандарт частоты пучка).


Рисунок 35. Стабильность как функция сравнения времени усреднения стандартов частоты.


Рисунок 36. Сравнение фазовой нестабильности стандартов частоты.

Кварцевые генераторы Атомные генераторы
ТСХО MCXO ОСХО Рубидий RbXO цезий
Точность *
(в год)
2 х 10 -6 6 х 10 -8 1 х 10 -8 5 х 10 -10 7 х 10 -10 2 х 10 -11
Старение / год 5 х 10 -7 2 х 10 -8 5 х 10 -9 2 х 10 -10 2 х 10 -10 0
Температура Stab.
(диапазон, ° С)
5 х 10 -7
(от -55 до +85)
3 х 10 -8
(от -55 до +85)
1 х 10 -9
(от -55 до +85)
3 х 10 -10
(от -55 до +68)
5 х 10 -10
(от -55 до +85)
2 х 10 -11
(от -28 до +65)
Стабильность, s y ( t )
( t = 1 с)
1 х 10 -9 3 х 10 -10 1 х 10 -12 3 х 10 -12 5 х 10 -12 5 х 10 -11
Размер
(см 2 )
10 50 20-200 800 1200 6000
Время прогрева
(мин.)
0,1
(до 1 х 10 -6 )
0,1
(до 2 х 10 -8 )
4
(до 1 х 10 -8 )
3
(до 5 х 10 -10 )
3
(до 5 х 10 -10 )
20
(до 2 х 10 -11 )
Мощность (Вт)
(при самой низкой температуре)
0,05 0.04 0.6 20 0,65 30
Цена (~ $) 100 1000 2000 8000 10000 40000

* Включая воздействие на окружающую среду (обратите внимание, что диапазоны температур для Rb и Cs уже, чем для кварца).
Таблица 1. Сравнение основных характеристик стандартов частоты.

Слабое место Механизмы износа
кварцевый износ.
радиационная безопасность
нет
Рубидий не изнашиваются
мощность
Вес
Истощение рубидия
Буферный газ истощение
Загрязнения стекла
цезий не изнашиваются
мощность
Вес
Стоимость
Диапазон температуры

Истощение запаса цезия

Отработанный цетриевый геттеринг

Производительность ионного насоса
Умножитель электронов

Таблица 2. Сравнение слабых мест стандартов частоты и механизмов износа.

Характеристики приведены в таблице 1 для атомных генераторов: эталонов частоты рубидия и цезия и генератора рубидий-кристалл (RbXO). В стандартах атомной частоты частота выходного сигнала определяется разностью энергий между двумя атомными состояниями, а не каким-либо свойством объемного материала (как в кварцевых генераторах). Вступительный обзор стандартов атомной частоты можно найти в ссылке 44, а ссылка 45 представляет собой обзор литературы до 1983 года. (Ссылка 44 рассматривает как атомные, так и кварцевые стандарты частоты; отчет, который вы читаете, основан на кварцевой части этот документ.) RbXO — это устройство, предназначенное для приложений, в которых доступность энергии ограничена, но где требуется стандартная точность атомной частоты [46,47]. Он состоит из стандарта частоты рубидия, маломощного и высокостабильного кварцевого генератора и схемы управления, которая регулирует частоту кварцевого генератора в соответствии со стандартом рубидия. Рубидиевый стандарт включается периодически (например, раз в неделю) на несколько минут, необходимых для его прогрева и корректировки частоты кварцевого генератора. С RbXO можно приблизиться к долговременной стабильности рубидиевого стандарта с низкой (средней) потребностью в мощности кварцевого генератора. один раз в неделю) в течение нескольких минут он прогревается и корректирует частоту кварцевого генератора. С RbXO можно приблизиться к долговременной стабильности рубидиевого стандарта с низкой (средней) потребностью в мощности кварцевого генератора. один раз в неделю) в течение нескольких минут он прогревается и корректирует частоту кварцевого генератора. С RbXO можно приблизиться к долговременной стабильности рубидиевого стандарта с низкой (средней) потребностью в мощности кварцевого генератора.

Rb-OSC (Рубидиевый генератор):

Чрезвычайно устойчивый осциллятор с использованием атомного резонанса рубидия,


контролируемый частотой микроволнового перехода атомов Rb87 в его основном энергетическом состоянии.

Основные вопросы, на которые нужно ответить при выборе генератора, включают в себя:

  1. Какая точность или воспроизводимость частоты необходима для правильной работы системы?
  2. Как долго должна поддерживаться эта точность, т. Е. Будет ли генератор калиброваться или периодически заменяться, или генератор должен поддерживать требуемую точность в течение всего срока службы системы?
  3. Доступна ли достаточная мощность, или генератор должен работать от батарей?
  4. Какое время прогрева допустимо?
  5. Каковы экстремальные условия окружающей среды, в которых должен работать генератор?
  6. Каково требование краткосрочной стабильности (фазовый шум)?
  7. Какое ограничение по размеру?

Что касается второго вопроса, какие затраты должны быть минимизированы: первоначальная стоимость приобретения или стоимость жизненного цикла? Часто стоимость повторной калибровки намного выше, чем дополнительная стоимость генератора, который может обеспечить жизнь без калибровки. Лучший генератор также может позволить упростить конструкцию системы.

Частота генератора является еще одним важным фактором, поскольку выбор может оказать существенное влияние как на стоимость, так и на производительность. При прочих равных условиях генератор стандартной частоты, такой как 5 МГц или 10 МГц, для которого производители имеют хорошо зарекомендовавшие себя конструкции, будет стоить дешевле, чем одна из необычных частот, например 8,34289 МГц. Более того, для кристаллов со сдвигом по толщине, таких как AT-разрез и SC-разрез, чем ниже частота, тем ниже старение [17]. Поскольку на частотах значительно ниже 5 МГц кристаллы со сдвигом толщины становятся слишком большими для экономичного производства, и поскольку все генераторы с наивысшей стабильностью используют сдвиговые кристаллы толщины, частота серийно выпускаемого генератора с самой высокой стабильностью составляет 5 МГц. Такие генераторы также будут иметь самую низкую способность фазового шума близко к несущей. На рынке также есть несколько отличных генераторов на 10 МГц; однако генераторы с гораздо более высокой частотой, чем 10 МГц, имеют значительно более высокие скорости старения и уровни фазового шума вблизи несущей, чем генераторы с частотой 5 МГц. Для самого низкого фазового шума вдали от несущей, где отношение сигнал / шум определяет уровень шума, высокочастотные кристаллы (например, 100 МГц) могут обеспечивать более низкий шум, поскольку такие кристаллы могут выдерживать более высокие уровни возбуждения, тем самым обеспечивая более высокие уровни сигнала , Генераторы с гораздо более высокой частотой, чем 10 МГц, имеют значительно более высокие скорости старения и уровни фазового шума вблизи несущей, чем генераторы с частотой 5 МГц. Для самого низкого фазового шума вдали от несущей, где отношение сигнал / шум определяет уровень шума, высокочастотные кристаллы (например, 100 МГц) могут обеспечивать более низкий шум, поскольку такие кристаллы могут выдерживать более высокие уровни возбуждения, тем самым обеспечивая более высокие уровни сигнала , Генераторы с гораздо более высокой частотой, чем 10 МГц, имеют значительно более высокие скорости старения и уровни фазового шума вблизи несущей, чем генераторы с частотой 5 МГц. Для самого низкого фазового шума вдали от несущей, где отношение сигнал / шум определяет уровень шума, высокочастотные кристаллы (например, 100 МГц) могут обеспечивать более низкий шум, поскольку такие кристаллы могут выдерживать более высокие уровни возбуждения, тем самым обеспечивая более высокие уровни сигнала ,

Связанные с резонатором приборы

  • Кварцевый генератор
  • Кварцевый фильтр
  • Генератор Пирса
  • Генератор тактовых импульсов
  • Резонистор
  • Атомные часы

Статью про кварцевый резонатор я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развии теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое кварцевый резонатор и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.

Устройство кварцевых часов и принцип работы кварцевого резонатора | Часовой блог

В этой статье поговорим об устройстве кварцевых часов и кварцевом резонаторе. Возможно, это будет довольно сложная тема для понимания. Прошу заметить, что в статье рассматривается принцип работы кварцевых часов не на примере существующего механизма а на примитивной абстрактной и грубой модели, показывающей только суть работы большинсва электронных и кварцевых часов.
В этой статье хочется развеять неточности касательно устройства схемы кварцевых часов, которые я встречал на других ресурсах, но об этом чуть ниже.

Рассмотрим для примера самый простейший кварцевый механизм, он состоит из:

  1. Электронный блок с контроллером и кварцевым резонатором
  2. Элемент питания (на фото отсутствует)
  3. Шаговый электродвигатель (катушка статор и ротор с постоянным магнитом)
  4. Шестереночный привод стрелок

 

Тут кажется все просто, электронный блок подает электрический импульс на катушки статора и ротор делает оборот равный одной секунде. Но как же электронный блок «понимает», что прошло время крутить ротор.

Рассмотрим подробнее работу схему простейшего электронного блока кварцевых часов, он состоит из кварцевого резонатора (зеленый прямоугольник) и микроконтроллера (красный квадрат).

Теперь остановимся подробнее на принципе работы и устройстве кварцевого резонатора.

На фото вскрытый кварцевый резонатор, К сожалению у меня не получилось вскрыть, не повредив кварц, который чаще всего используется в наручных часах.

Работа кварцевого резонатора основана на пьезоэлектрическом эффекте.

Суть пьезоэлектрического эффекта — это генерация ЭДС пьезоэлектриком при сдавливание или растяжения (вибрации) твердого тела (пьезоэлектрика) и наоборот при подаче напряжения пьезоэлектрик будет сдавливаться или расширяться. Важно заметить, такой эффект происходит только в момент сжатия или растяжения.

Любой кварцевый резонатор состоит из монокристалла кварца вырезанным определенным образом и с закрепленными на нем металическими пластинами к которым подведены контакты. Конкретно в часах используются резонаторы с плоским кристаллом в форме камертона (в виде буквы «Y» или «U») с прикрепленными на плоскостях металическими пластинами к которым подключены выводы. Сам кварц диэлектрик — то есть электрический ток он не проводит.

А теперь переходим к сути работы этого компонента. Бытует мнение, что кварцевый резонатор сам генерирует постоянную частоту, при подаче постоянного тока. Это не так, на самом деле все несколько сложнее.

Как говорилось выше, пьезоэлектрический эффект возникает только в момент сжатия или растяжения пьезоэлектрика. К примеру если кратковременно подать электрический заряд на выводы на кварцевого резонатора то кристалл кварца сожмется (ЭДС). Но в тот момент, как кварц будет обратно разжиматься он создаст противоположный по полярности (противоЭДС) заряд на выводах, конечно гораздо меньший чем был подан изначально. Т.Е произойдет одно колебание. Колебаний может быть несколько, важно то, что именно в этом случае (если нет подпитки электрозаряда из вне) они будут гармонически затухающими. Все это происходит за очень короткий момент времени. Это примерно тоже самое, что и удар по камертону. Кристал кварца может колебаться только с одной частотой, независимо от амплитуды.

Резонанс

Что бы колебания кварца были постоянные а не затухающие, нужно обеспечить постоянную внешнюю подпитку этих колебаний, например электрическим током определенной частоты.

А теперь переходим к тому, почему резонатор называется резонатором. У самого кристалла кварца есть своя частота механических колебаний. Как я уже приводил пример выше с камертоном. У него тоже есть своя механическая частота, то есть неважно, как его ударили, он будет выдавать звучание на одной и той же ноте (частоте). С кварцем все то же самое. Если подать на выводы электрический ток какой либо частоты (в разумных пределах)  кварц будет механически колебаться (в этот раз уже постоянно в отличии от кратковременного заряда) только с определенной своей (резонансной) частотой, генерируя ЭДС и противоЭДС. Но если на выводы кварца подать ток именно той частоты на которой резонирует кварц, то потребление электричества которое превращается в работу (в колебания кварца) будет минимально в отличие от других частот. Грубо говоря кварц пропустит через себя все частоты кроме своей резонансной, при которой резко увеличится сопротивление. Все это нам напоминает работу колебательного контура, но кварц отличается гораздо лучшей добротностью.

Микроконтроллер

Одна из задач микроконтроллера поддержания частоты на выводах кварца при которой он резонирует опираясь на сопротивление при определенной частоте.

Т.Е Микроконтроллер синхронизируется с кварцем а так как частота кварца известна то и известно сколько прошло времени за определенное количество колебаний кварца. Чаще всего частота кварца используемого в часах равна 32 768 гц. При такой частоте можно обеспечить хорошие показатели в точности измерение времени.

Другая задача микроконтроллера «посчитать» колебания кварца, равное одной секунде и подать напряжение на катушку статора для движение секундной стрелки.

Функции и основные принципы работы кварцевого генератора

Теплые советы: Эта статья содержит около 5000 слов, а время чтения составляет около 20 минут.

Введение

Кварцевый генератор — это электромеханическое устройство, изготовленное из кварцевого кристалла с низкими электрическими потерями, который точно вырезан и покрыт электродами.У этого кристалла очень важная характеристика. Если он находится под напряжением, он будет производить механические колебания. Напротив, если ему приложить механическую силу, он будет генерировать электричество.

Эта характеристика называется электромеханическим эффектом. У них есть очень важная особенность, и их частота колебаний тесно связана с их формой, материалом, направлением резания и т. Д. Поскольку химические свойства кристаллов кварца очень стабильны, коэффициент теплового расширения очень мал, а частота колебаний также очень стабильна.Поскольку геометрия управления может быть очень точной, резонансная частота также очень точна.

По электромеханическому эффекту кристалла кварца мы можем эквивалентить его контуру электромагнитных колебаний, то есть резонансному контуру. Их электромеханический эффект заключается в постоянном преобразовании машины в электрическую машину в электрическую … Резонансный контур, состоящий из индуктора и конденсатора, представляет собой постоянное преобразование электрического поля в магнитное поле. Приложение в схеме фактически рассматривается как электромагнитный резонансный контур с высокой добротностью.Поскольку потери кварцевого кристалла очень малы, то есть значение Q очень высокое, при использовании в качестве генератора можно генерировать очень стабильные колебания и использовать их в качестве фильтра для получения очень стабильной и крутой полосы пропускания или полосового сопротивления. изгиб.

Каталог


Ⅰ Описание кварцевого генератора

Кварцевый генератор является наиболее важным компонентом в схеме часов. Его функция заключается в обеспечении опорной частоты для частей видеокарты, сетевой карты, материнской платы и других аксессуаров.Это похоже на линейку. Нестабильная рабочая частота вызовет нестабильную рабочую частоту соответствующего оборудования, что, естественно, чревато проблемами.

Благодаря постоянному совершенствованию производственного процесса, важные технические показатели кварцевого генератора, такие как отклонение частоты, температурная стабильность, скорость старения и воздухонепроницаемость, очень хороши, и вызвать отказ непросто, но качество кристалла еще можно заметить при выборе.Какова роль кварцевых генераторов в приложениях? Источники тактовых импульсов микроконтроллеров можно разделить на две категории: источники тактовых импульсов на основе механических резонансных устройств, таких как кварцевые генераторы, керамические резонансные резервуары и RC-генераторы (резистивные, емкостные). Один из них — это конфигурация генератора Пирса для кристаллов и керамических резервуаров.

Другой — простой дискретный RC-генератор. Генераторы на основе кристаллов и керамических резонансных емкостей обычно обеспечивают очень высокую начальную точность и низкотемпературные коэффициенты.RC-генератор может быть запущен быстро и имеет низкую стоимость, но обычно он менее точен во всем диапазоне температур и рабочего напряжения источника питания, а его диапазон изменения составляет от 5% до 50% от номинальной выходной частоты. Однако на его производительность влияют условия окружающей среды и выбор компонентов схемы. Необходимо серьезно отнестись к выбору компонентов и компоновке платы схемы генератора.

При использовании керамический резонансный бак и соответствующая емкость нагрузки должны быть оптимизированы для определенного семейства логических схем.Кристалл с высоким значением Q нечувствителен к выбору усилителя, но он подвержен дрейфу частоты (и, возможно, даже повреждению) во время перегрузки. Факторами окружающей среды, влияющими на работу генератора, являются электромагнитные помехи (EMI), механические удары и удары, влажность и температура. Эти факторы увеличивают изменение выходной частоты, увеличивают нестабильность и в некоторых случаях вызывают остановку генератора.

Большинство из вышеперечисленных проблем можно избежать, используя модуль генератора.Эти модули поставляются с генератором, обеспечивают выходной сигнал прямоугольной формы с низким импедансом и гарантированно работают при определенных условиях. Двумя наиболее распространенными типами являются кварцевые модули и встроенные RC-генераторы (кремниевые генераторы). Кристаллический модуль обеспечивает ту же точность, что и дискретный кристалл. Кремниевые генераторы более точны, чем дискретные RC-генераторы, и в большинстве случаев обеспечивают сопоставимую точность с керамическими резонансными баками.

Потребляемая мощность также необходимо учитывать при выборе генератора.Потребляемая мощность дискретного генератора в основном определяется током питания усилителя обратной связи и значением емкости внутри цепи. Потребляемая мощность КМОП-усилителя пропорциональна рабочей частоте и может быть выражена как емкость конденсатора рассеивания мощности. Например, емкость конденсатора рассеяния мощности затвора инвертора HC04 составляет 90 пФ.

При работе на частоте 4 МГц, напряжение питания 5 В эквивалентно току питания 1,8 мА.В сочетании с кристаллическим нагрузочным конденсатором 20 пФ полный ток питания составляет 2,2 мА. Керамические резонансные баки обычно имеют большую нагрузочную способность и, соответственно, требуют большего тока. Напротив, кварцевые модули обычно требуют тока питания от 10 мА до 60 мА. Ток источника питания кремниевого генератора зависит от его типа и функции и варьируется от нескольких микроампер низкочастотных (фиксированных) устройств до нескольких миллиампер программируемых устройств. Кремниевый генератор малой мощности, такой как MAX7375, требует менее 2 мА для работы на частоте 4 МГц.Оптимизация источника синхронизации для конкретного приложения требует всестороннего учета таких факторов, как точность, стоимость, энергопотребление и требования к окружающей среде.

Кварцевый генератор управляет тактовой частотой ЦП, то есть периодом, в котором генерируются высокий и низкий уровни (генерируя высокий уровень, а низкий уровень — период). Вообще говоря, более высокая частота (скорость компьютерной обработки в единицу времени) кристалла не колеблется сама по себе, но он будет резонировать с внешней схемой на фиксированной частоте.Частота колебаний внешнего контура должна соответствовать собственной частоте колебаний кристалла или, по крайней мере, очень близкой к ней, иначе контур перестанет вибрировать. Что касается теста, как правило, использование мультиметра для измерения сопротивления (относящегося к движению стрелки) повреждено (стрелка с низкой частотой колебаний также будет немного покачиваться, но сразу же вернется к нулю), стрелка не шевелится (сопротивление бесконечность), может и хорошо, может включиться.


Ⅱ Принцип работы кварцевого генератора

Кристалл может быть электрически эквивалентен конденсатору и резистору, включенным параллельно, а затем подключенным последовательно с конденсатором. В электросети есть две точки резонанса. Есть высокие и низкие частоты, а нижняя частота — это последовательный резонанс. Высокая частота — это параллельный резонанс. Из-за характеристик самого кристалла расстояние между двумя частотами довольно близко. В этом чрезвычайно узком частотном диапазоне кварцевый генератор эквивалентен катушке индуктивности, поэтому пока кварцевый генератор подключен параллельно подходящему конденсатору, он будет формировать параллельный резонансный контур.

Параллельный резонансный контур добавляется к цепи отрицательной обратной связи для формирования синусоидального колебательного контура. Поскольку кварцевый генератор эквивалентен узкому частотному диапазону катушки индуктивности, даже если параметры других компонентов сильно изменятся, частота генератора сильно не изменится.


Ⅲ Параметры кварцевого генератора

Кварцевый генератор имеет важный параметр, то есть значение емкости нагрузки.Выбор параллельной емкости, равной значению емкости нагрузки, может получить номинальную резонансную частоту кварцевого генератора.


Ⅳ Тип кварцевых генераторов

Резонансные генераторы включают кварцевые (или его кристаллические) кристаллические резонаторы, керамические резонаторы, LC-резонаторы и т. Д.

Кварцевый генератор и резонансный генератор имеют собственное пересечение активных кварцевых резонансных генераторов.

Причина, по которой кварцевые пластины могут создавать колебания контура (резонанс), основана на их пьезоэлектрическом эффекте. Из физики известно, что если между двумя пластинами пластины приложить электрическое поле, кристалл будет механически деформирован. И наоборот, если между двумя пластинами приложена механическая сила, в соответствующем направлении будет генерироваться электрическое поле. Это явление называется пьезоэлектрическим эффектом. Если между двумя пластинами приложить переменное напряжение, возникнет механическая деформационная вибрация, а механическая деформационная вибрация будет генерировать переменное электрическое поле.

Вообще говоря, амплитуда этой механической вибрации относительно мала, а частота ее колебаний очень стабильна. Но когда частота приложенного переменного напряжения равна собственной частоте пластины (которая зависит от размера пластины), амплитуда механической вибрации резко возрастет. Это явление называется пьезоэлектрическим резонансом, поэтому кристалл кварца еще называют кварцевым резонатором. Его характеристика — высокочастотная стабильность.


Ⅴ Метод проверки кварцевого генератора

Метод проверки кварцевого мультиметра

Совет: как без осциллографа измерить, начинает ли кварцевый генератор вибрировать?

Вы можете использовать мультиметр, чтобы измерить, составляет ли напряжение на двух выводах кварцевого генератора половину рабочего напряжения микросхемы. Например, если рабочее напряжение составляет 5 В, результат измерения составляет около 2,5 В. Кроме того, если вы прикоснетесь к другому выводу кристалла пинцетом, это напряжение значительно изменится, что окажется колеблющимся.

Совет: просто возьмите батарею на 1,5 В и подключите кварцевый генератор к уху на двух концах кристалла. Слушай внимательно. Когда вы слышите гудение, это означает, что он начинает вибрировать. Это хорошо!

5.1 Метод сопротивления

Поместите мультиметр в блок R × 10K и измерьте сопротивление между двумя контактами кристалла кварца, чтобы оно было бесконечным. Если измеренное значение сопротивления не бесконечно или даже близко к нулю, это указывает на то, что тестируемый кристалл протекает или выходит из строя.

Этот метод позволяет только определить, течет ли кристалл. Если внутри кристалла есть обрыв, резистивный метод ничего не может сделать. В этом случае необходимо использовать метод, описанный ниже.

5.2 Самодельный тестер

Согласно схеме, показанной на рисунке, пайка простого тестера кристалла кварца может точно проверить качество кристалла. На рисунке два тестовых гнезда XS1 и XS2 могут быть извлечены из гнезда маленького семиногого или девятиконечного трубного патрубка.Лучше выбирать высокую яркость светодиодной трубки.

При обнаружении кристалла кварца вставьте два контакта кристалла кварца в два гнезда XS1 и XS2, нажмите переключатель SB, если кристалл кварца в порядке, колебательный контур состоит из таких компонентов, как триод VT1, C1 , C2 и т. Д. Колебание, колебательный сигнал передается на обнаружение VD2 через C3, и обнаруженное напряжение сигнала постоянного тока включает VT2, поэтому светодиод, подключенный к цепи коллектора VT2, излучает свет, указывая на то, что исследуемый кристалл кварца находится в хорошо, если светодиод не яркий, значит, тестируемый кварцевый кристалл плохой.Этот тестер проверяет кристаллы кварца на широкой частоте, но оптимальная рабочая частота составляет от нескольких сотен килогерц до десятков мегагерц.

Простой тестер кристаллов кварца


Ⅵ Индекс стабильности кварцевого генератора

6.1 Общая разность частот

Максимальное отклонение частоты кварцевого генератора от заданной номинальной частоты происходит из-за комбинации указанных рабочих и нерабочих параметров в течение заданного времени.

Примечание: Общая разность частот включает максимальную разность частот, вызванную температурной стабильностью частоты, отклонение, вызванное скоростью старения частоты, частотно-вольтную характеристику и характеристику частотной нагрузки. Обычно используется только в случае кратковременной стабильности частоты, не применяется к другим индикаторам стабильности частоты. Например, радар с высокоточным наведением.


6.2 Стабильность частоты

Любой кварцевый генератор, нестабильность частоты абсолютная, степень разная.График зависимости выходной частоты кристалла от времени показан на рис. 2. На рисунке показаны три фактора нестабильности частоты: старение, дрейф и кратковременная стабильность.

Рисунок 2 Принципиальная схема зависимости выходной частоты кварцевого генератора от времени

Кривая 1 измеряется один раз за 0,1 секунды, показывая краткость кристалла; кривая 3 измеряется один раз в 100 секунд, показывая дрейф кристалла; кривая 4 измеряется один раз в сутки. Это показывает старение кристалла.


6.3 Стабильность частоты и температуры

При номинальном питании и нагрузке максимально допустимое смещение частоты, работающее в указанном диапазоне температур без подразумеваемой опорной температуры или подразумеваемой опорной температуры.

ft = ± (fmax-fmin) / (fmax + fmin)
ftref = ± MAX [| (fmax-fref) / fref | , | (fmin-fref) / fref |]

фут : Стабильность частоты (без подразумеваемой эталонной температуры)

ftref : Стабильность частоты (с предполагаемой эталонной температурой)

fmax : Самая высокая частота, измеренная в указанном диапазоне температур

fmin : Самая низкая частота, измеренная в указанном диапазоне температур

fref : Задайте частоту, измеряемую эталонной температурой

Примечание: кварцевый генератор с индексом ftref сложнее изготовить, чем кварцевый генератор с индексом ft, поэтому кварцевый генератор с индексом ftref выше.


6.4 Характеристики включения (время стабильной частоты разогрева)

Относится к скорости изменения частоты периода времени (например, 5 минут) после включения питания на другой период (например, 1 час) после включения. Указывает скорость, с которой кристалл достигает устойчивого состояния. Этот индикатор полезен для часто переключаемых инструментов, таких как частотомеры.

Примечание. В большинстве приложений кварцевые генераторы получают питание в течение длительного времени.Однако в некоторых приложениях кварцевые генераторы требуют частого включения и выключения. В это время необходимо принимать во внимание индикатор времени прогрева стабильности частоты (особенно для суровых военных станций связи, используемых в окружающей среде, когда требуется, чтобы температурная стабильность частоты составляла ≤ ± 0,3 ppm (-45 ° C ~ 85 °). C), OCXO используется в качестве гетеродина, время стабильного прогрева частоты будет не менее 5 минут, а требуется только MCXO десять секунд.


6.5 Скорость старения частоты

Отношение между частотой генератора и временем при измерении частоты генератора в постоянных условиях окружающей среды. Этот долговременный дрейф частоты вызван медленным изменением кристаллической составляющей и составляющей схемы генератора. Следовательно, скорость сдвига частоты называется скоростью старения, и может использоваться максимальная скорость изменения после указанного ограничения времени (например, ± 10 частей на миллиард / день, 72 при включении). (Через час или максимальное общее изменение частоты в пределах указанного временного интервала (например, ± 1ppm / (первый год) и ± 5ppm / (десять лет)).

Старение кристаллов вызывается такими проблемами, как давление, загрязняющие вещества, остаточный газ и структурные дефекты процесса, возникающие в процессе производства кристаллов. Давление должно стабилизироваться через некоторое время. Метод резки кристаллов, называемый «компенсация давления» (метод резки SC), обеспечивает хорошие характеристики кристалла.

Молекулы загрязняющих веществ и остаточных газов осаждаются на кристаллическом чипе или окисляют кристаллический электрод.Чем выше частота колебаний, тем тоньше будет срез кристалла и тем сильнее будет эффект. Этот эффект постепенно стабилизируется в течение длительного периода времени, и стабильность повторяется при изменении температуры или рабочего состояния, что приводит к повторной концентрации или диспергированию загрязняющих веществ на поверхности кристалла. Следовательно, скорость старения кварцевого генератора с низкой частотой лучше, чем у кварцевого генератора с коротким временем работы, а кварцевый генератор с низкой частотой лучше, чем кварцевый генератор с высокой частотой.

Примечание. Скорость частотного старения TCXO составляет: ± 0,2 ppm ~ ± 2 ppm (первый год) и ± 1 ppm ~ ± 5 ppm (десять лет) (за исключением особых случаев, TCXO редко использует индекс суточной частоты старения, потому что даже в эксперимента, в условиях камеры изменение частоты, вызванное изменением температуры, также будет значительно превышать ежедневное частотное старение кварцевого генератора с температурной компенсацией, поэтому этот показатель теряет свое практическое значение). Частота старения OCXO составляет ± 0.От 5 до ± 10 частей на миллион в день (после 72 часов включения), от ± 30 до ± 2 частей на миллион (первый год) и от ± 0,3 до ± 3 частей на миллион (десять лет).


6.6 Кратковременная стабильность

Время наблюдения 1 Ms, 10 Ms, 100 Ms, 1 sec, 10 sec.

На выходную частоту кварцевого генератора влияет внутренняя схема (значение Q кристалла, шум компонента, стабильность схемы, рабочее состояние и т. Д.), Что приводит к широкому спектру нестабильности.После измерения ряда значений частоты она рассчитывается с использованием уравнения Аллена. Фазовый шум также может отражать кратковременные стабильные условия (с помощью специальных инструментальных измерений).


6.7 Диапазон частотной характеристики, управляемой напряжением

Определение: после того, как кварцевый генератор стабилен в течение длительного времени, он будет отключен через длительный период времени. Он остановится на период времени t1 (например, 24 часа), загрузится в течение периода времени t2 (например, 4 часа), измерит частоту f1, а затем остановится на тот же период времени t1, затем питание отключится. включается на тот же период времени t2, и измеряется частота f2.Воспроизводимость = (f2-f1) / f2.


6.8 Линейность управления напряжением частоты

Минимальное пиковое значение частоты кварцевого генератора регулируется от опорного напряжения до заданного конечного напряжения и частоты кварцевого генератора.

Примечание: Опорное напряжение составляет + 2,5 В, заданное конечное напряжение составляет + 0,5 В и + 4,5 В, а частота кварцевого генератора с регулируемой частотой изменяется на -2 ppm при +0.Управляющее напряжение частоты 5 В, а частота регулируется при управляющем напряжении частоты +4,5 В. Величина изменения составляет + 2,1 частей на миллион, тогда диапазон управления напряжением частоты регулирования напряжения VCXO выражается как ≥ ± 2 частей на миллион (2,5 В ± 2 В), наклон положительный, а линейность составляет + 2,4%.


6.9 Однополосный фазовый шум £ (f)

Отношение между пиковым смещением частоты и частотой модуляции при изменении частоты модуляции. Обычно она выражается в дБ, если заданная частота модуляции ниже заданной опорной частоты модуляции.

Примечание: Частотная характеристика диапазона регулирования напряжения частоты VCXO составляет 0 ~ 10 кГц.


6.10 Линейность управления частотой и напряжением

Функция выходной частоты в зависимости от идеальной (линейной) — мера передаточной характеристики входного управляющего напряжения, которая представляет собой процент от допустимой нелинейности всего диапазона сдвигов частоты.

Примечание: Типичная линейность регулирования напряжения частоты VCXO составляет: ≤ ± 10%, ≤ ± 20%.Простой метод линейного расчета управления напряжением частоты VCXO (когда полярность управления напряжением частоты положительная):

Линейность регулирования напряжения частоты = ± ((fmax — fmin) / f0) × 100%

Fmax: Выходная частота VCXO при максимальном управляющем напряжении

Fmin: Выходная частота VCXO при минимальном управляющем напряжении

F0: частота напряжения центра управления напряжением


6.11 Однополосный фазовый шум £ (f)

Отношение плотности мощности фазомодулированной боковой полосы к мощности несущей на несущей f.


6.12 Форма выходного сигнала

Из большого класса выходную форму волны можно разделить на два типа: прямоугольная волна и синусоидальная волна.

Прямоугольная волна в основном используется в часах цифровых систем связи. Другая волна в основном имеет несколько требований к индексам, таких как уровень выходной мощности, коэффициент заполнения, время нарастания / спада и ходовые качества.

В связи с быстрым развитием науки и техники источники высококачественных сигналов необходимы в качестве носителей для все более сложной информации основной полосы частот в аналогичных системах, таких как связь, радары и высокоскоростная передача данных.Поскольку сигнал несущей с паразитной амплитудной модуляцией и фазовой модуляцией (нечистый сигнал) модулируется сигналом основной полосы частот, несущим информацию, спектральные компоненты (паразитная модуляция в несущей), которые не должны существовать в этих идеальных состояниях, будут определять качество передаваемого сигнала и частота ошибок передачи данных явно ухудшилась. Следовательно, как носитель передаваемого сигнала чистота несущего сигнала (спектральная чистота) имеет прямое влияние на качество связи.Для синусоидальных волн часто необходимо предоставить такие индикаторы, как гармоники, шум и выходная мощность.


Ⅶ Применение кварцевого генератора

Общая схема кварцевого генератора подключается к кварцевому генератору на обоих концах инвертирующего усилителя (обратите внимание, что усилитель не является инвертором), а затем к двум соответственно подключаются два конденсатора. концы кварцевого генератора, а другой конец каждого конденсатора подключен.При заземлении емкость этих двух последовательных конденсаторов должна быть равна емкости нагрузки. Обратите внимание, что выводы общей ИС имеют эквивалентную входную емкость, которую нельзя игнорировать.

Нагрузочная емкость типичного кварцевого генератора составляет 15 или 12,5 Ом. Если учесть эквивалентную входную емкость выводов компонентов, лучше иметь два 22-полюсных конденсатора для формирования кварцевого генератора. Кристаллические генераторы также подразделяются на пассивные кристаллы и активные кристаллы.Пассивный кварцевый генератор отличается от английского названия кристалла активного кварцевого генератора (резонанс). Пассивный кварцевый генератор является кварцевым, а активный кварцевый генератор называется генератором. Пассивный кварцевый генератор должен использовать тактовую схему для генерации колебательного сигнала, и он не может колебаться сам. Следовательно, термин «пассивный кварцевый генератор» не является точным; активный кварцевый генератор представляет собой законченный резонансный генератор.

На рисунке 3 показан контур инфракрасного излучения

.

На рисунке 4 изображена схема кварцевого генератора

.

В схеме J, VD1, L1, C3 ~ C5 и V1 образуют колебательный контур кристалла.Поскольку кварцевый кристалл J имеет хорошую стабильность частоты и меньше подвержен влиянию температуры, он широко используется в беспроводных телефонах и AV-модуляторах. V1 представляет собой кварцевый колебательный триод с частотой 29-36 МГц. Выход эмиттера богат гармоническими составляющими. После усиления V2 сигнал третьей частоты (т.е. 87-108 МГц) выбирается в сети, где коллектор состоит из C7 и L2 и резонирует на частоте 88-108 МГц.

Сигнал является самым сильным и затем усиливается с помощью выбора частоты V3, L3, C9 для получения идеального сигнала диапазона FM.Процесс частотной модуляции таков, что изменение звукового напряжения вызывает изменение емкости между электродами VD1. Поскольку VD1 соединен последовательно с кристаллом J, частота колебаний кристалла также немного меняется. После тройной частоты смещение частоты составляет от 29 до 36 МГц. 3-кратное смещение частоты. В практических приложениях, чтобы получить подходящую степень модуляции, можно выбрать кварцевый кристалл или керамический вибратор, имеющий большой сдвиг частоты модуляции, или можно использовать схему со слегка сложной схемой с частотой от 6 до 12.Если входной аудиосигнал слабый, можно добавить схему усиления первого каскада.

РИС. 5 — применение кварцевого генератора в колебательном контуре временной развертки 555

.


Ⅷ Два общих метода кварцевого генератора в схеме затвора

a. Преимущество такого подключения в том, что его легко запустить и адаптировать к широкому частотному диапазону. Конкретный частотный диапазон не помню.

Достоинства такого способа подключения просты, недостаток — не так просто запустить, должны подойти С1, С2.


Ⅸ FAQ

1. Каковы функции кварцевого генератора?

Кварцевый генератор — это схема электронного генератора, которая использует механический резонанс вибрирующего кристалла из пьезоэлектрического материала для создания электрического сигнала с постоянной частотой.

2. Каков принцип работы кварцевого генератора?

Кварцевые генераторы работают по принципу обратного пьезоэлектрического эффекта, при котором переменное напряжение, приложенное к поверхности кристалла, заставляет его вибрировать с собственной частотой.Именно эти колебания в конечном итоге преобразуются в колебания.

3. Каков основной принцип колебания?

Колебание определяется как метод повторяющихся изменений во времени любой суммы или меры ее равновесного значения. Также возможно описать колебание как периодическое изменение материи между двумя значениями или его центрального значения.

4. В чем разница между кварцевым резонатором и генератором?

Генератор — это любое устройство или схема, которая генерирует периодически колеблющийся электрический сигнал (обычно синусоидальную или прямоугольную волну)…. Кристалл — это кусок пьезоэлектрического материала, который генерирует колеблющийся синусоидальный электрический сигнал из-за механической вибрации его структуры.

5. Что такое кварцевый генератор на 16 МГц?

Модуль кварцевого генератора 16 МГц разработан для работы с внешними кристаллами, которые имеют частоту 4–16 МГц. Выход кварцевого генератора подается на системную ФАПЧ в качестве входного опорного сигнала. Конструкция генератора генерирует низкую частоту и фазовый джиттер, что рекомендуется для работы через USB.

6. Когда вы будете использовать кварцевый генератор?

Кварцевые генераторы, управляемые напряжением (VCXO), широко используются в качестве тактовых генераторов и генераторов тактовых сигналов в коммуникационном и цифровом оборудовании. Новая подложка MMC была использована в качестве основы для небольшого недорогого VCXO.

7. Частота излучения кристаллов?

Кристаллы также обладают способностью вызывать в организме эффект плацебо, который, как научно доказано, помогает при лечении.Эти целебные камни и кристаллы имеют особую вибрацию и частоту, которые зависят от их молекулярного состава.

8. Почему кварцевый генератор используется в Arduino?

Плата Uno оснащена очень выраженным кварцевым генератором рядом с портом USB-B. … Интересно, что этот генератор регулирует микроконтроллер ATmega16 устройства, который выполняет преобразование USB-последовательного порта при взаимодействии с компьютером, а не микроконтроллер ATmega328P.

9. Стабильны ли кварцевые генераторы?

Базовые кварцевые генераторы

могут сохранять стабильность ± 20 ppm в широком диапазоне температур (например, от -40 до + 85 ° C) или до ± 3 ppm в более узких диапазонах (например, от 0 до + 50 ° C). … TCXO имеют частотную компенсацию в зависимости от рабочей температуры, которую приложение может испытывать в течение срока службы.

10. Почему частота кварцевого генератора очень стабильна?

Резонансная частота кристалла остается очень стабильной, поскольку она в первую очередь определяется физическим размером.Его стабильность составляет порядка нескольких частей на миллион (ppm) по сравнению с гораздо более низкими показателями для RC-генератора или LC-генератора соответственно.


Вам также может понравиться:

Что такое цепь генератора?

Обзор схемы кварцевого генератора Работа с приложениями

Кварцевый генератор — это схема электронного генератора, которая используется для механического резонанса вибрирующего кристалла из пьезоэлектрического материала.Он создаст электрический сигнал заданной частоты. Эта частота обычно используется для отслеживания времени, например, наручные часы используются в цифровых интегральных схемах для обеспечения стабильного тактового сигнала, а также используются для стабилизации частот для радиопередатчиков и приемников. Кварцевый кристалл в основном используется в радиочастотных (RF) генераторах. Кварцевый кристалл является наиболее распространенным типом пьезоэлектрических резонаторов, мы используем их в схемах генераторов, поэтому они стали известны как кварцевые генераторы.Кварцевые генераторы должны быть спроектированы таким образом, чтобы обеспечивать нагрузочную емкость.

Существуют различные типы электронных схем генератора, которые используются, а именно: линейные генераторы — генератор Хартли, генератор с фазовым сдвигом, генератор Армстронга, генератор Клаппа, генератор Колпитца. Осцилляторы релаксации — осциллятор Ройера, кольцевой осциллятор, мультивибратор и осциллятор, управляемый напряжением (ГУН). Вскоре мы собираемся подробно обсудить кварцевые генераторы, такие как работа и применение кварцевого генератора.

Что такое кристалл кварца?

Кристалл кварца проявляет очень важное свойство, известное как пьезоэлектрический эффект. Когда механическое давление прикладывается к граням кристалла, на кристалле появляется напряжение, пропорциональное механическому давлению. Это напряжение вызывает искажение кристалла. Величина искажения будет пропорциональна приложенному напряжению, а также переменному напряжению, приложенному к кристаллу, который он заставляет вибрировать с собственной частотой.


Схема на кристалле кварца

На рисунке ниже представлен электронный символ пьезоэлектрического кристаллического резонатора, а также кристалл кварца в электронном генераторе, который состоит из резистора, катушки индуктивности и конденсаторов.

Схема кварцевого генератора

На приведенном выше рисунке показан новый кварцевый кварцевый генератор с частотой 20psc 16 МГц и один из видов кварцевых генераторов, который работает с частотой 16 МГц.

Кварцевый осциллятор

Обычно биполярные транзисторы или полевые транзисторы используются в схемах кварцевых генераторов.Это связано с тем, что операционные усилители могут использоваться в различных схемах низкочастотных генераторов, которые ниже 100 кГц, но операционные усилители не имеют полосы пропускания для работы. Это будет проблемой на более высоких частотах, которые соответствуют кристаллам с частотой выше 1 МГц.

Для решения этой проблемы разработан кварцевый генератор Колпитца. Он будет работать на более высоких частотах. В этом генераторе цепь LC-резервуара, обеспечивающая колебания обратной связи, заменена кварцевым кристаллом.Принципиальная схема кварцевого генератора

Работа кварцевого генератора

Схема кварцевого генератора обычно работает по принципу обратного пьезоэлектрического эффекта. Приложенное электрическое поле вызывает механическую деформацию некоторых материалов. Таким образом, он использует механический резонанс вибрирующего кристалла, который сделан из пьезоэлектрического материала для генерации электрического сигнала определенной частоты.

Обычно кварцевые генераторы очень стабильны, имеют хороший коэффициент качества (Q), они небольшие по размеру и экономичны.Следовательно, схемы кварцевого генератора лучше по сравнению с другими резонаторами, такими как LC-схемы, камертоны. Обычно в микропроцессорах и микроконтроллерах мы используем кварцевый генератор 8 МГц.

Эквивалентная электрическая схема также описывает действие кристалла в кристалле. Просто посмотрите на эквивалентную электрическую схему, показанную выше. Основные компоненты, используемые в схеме, индуктивность L представляет собой массу кристалла, емкость C2 представляет собой податливость, а C1 используется для представления емкости, которая образуется из-за механического формования кристалла, сопротивление R представляет собой трение внутренней структуры кристалла, Схема генератора на кварцевом кристалле Диаграмма состоит из двух резонансов, таких как последовательный и параллельный резонанс, т.е.е., две резонансные частоты.

Кварцевый генератор работает

Последовательный резонанс возникает, когда реактивное сопротивление, создаваемое емкостью C1, равно реактивному сопротивлению, создаваемому индуктивностью L., и противоположно ему. Значения fr и fp представляют собой последовательные и параллельные резонансные частоты соответственно, а значения «fr» и «fp» можно определить с помощью следующих уравнений, показанных на рисунке ниже.

Приведенная выше диаграмма описывает эквивалентную схему, график для резонансной частоты, формулы для резонансных частот.

Использование кварцевого генератора

В общем, мы знаем, что в конструкции микропроцессоров и микроконтроллеров кварцевые генераторы используются для обеспечения тактовых сигналов. Например, давайте рассмотрим микроконтроллер 8051, в этом конкретном контроллере схема внешнего кварцевого генератора будет работать с частотой 12 МГц, что очень важно, хотя этот микроконтроллер 8051 (в зависимости от модели) способен работать на частоте 40 МГц (макс.), Должен обеспечивать 12 МГц. в большинстве случаев, потому что для машинного цикла 8051 требуется 12 тактовых циклов, чтобы дать эффективную частоту цикла на 1 МГц (принимая тактовую частоту 12 МГц) до 3.33 МГц (при максимальной частоте 40 МГц). Этот конкретный кварцевый генератор, который имеет тактовую частоту от 1 МГц до 3,33 МГц, используется для генерации тактовых импульсов, необходимых для синхронизации всех внутренних операций.

Применение кварцевого генератора

Существуют различные применения кварцевого генератора в различных областях, и некоторые из приложений кварцевого генератора приведены ниже.

Приложение кварцевого генератора Колпитца

Генератор Колпитса используется для генерации синусоидального выходного сигнала на очень высоких частотах. .Этот генератор может использоваться в качестве датчиков различных типов, таких как датчики температуры. Благодаря устройству на ПАВ, которое мы используем в схеме Колпиттса, он воспринимает сигналы непосредственно с его поверхности.

Кристаллический осциллятор Колпитца

Применение генераторов Колпитца в основном связано с использованием широкого диапазона частот. Также используется в условиях незатухающих и непрерывных колебаний. Используя некоторые устройства в схеме Колпитца, мы можем добиться большей температурной стабильности и высокой частоты.

Colpitts используется для развития мобильной связи и радиосвязи.

Применение кварцевого осциллятора Армстронга

Эта схема была популярна до 1940-х годов. Они широко используются в регенеративных радиоприемниках. На этом входе радиочастотный сигнал от антенны магнитно вводится в контур резервуара через дополнительную обмотку, и обратная связь уменьшается, чтобы регулировать усиление в контуре обратной связи. Наконец, он производит узкополосный радиочастотный фильтр и усилитель.В этом кварцевом генераторе резонансный контур LC заменен контурами обратной связи.

Кристаллический осциллятор Армстронг
В военной и авиакосмической промышленности

Кристаллические осцилляторы используются в военной и авиакосмической промышленности для создания эффективных систем связи. Система связи предназначена для использования в целях навигации и радиоэлектронной борьбы в системах наведения.

В исследованиях и измерениях

Кварцевые генераторы используются в исследованиях и измерениях для астрономической навигации и слежения за космосом, в медицинских устройствах и в других сферах. измерительные приборы.

Промышленное применение кварцевого генератора

Существует множество промышленных применений кварцевого генератора. Они широко используются в компьютерах, контрольно-измерительных приборах, цифровых системах, в системах фазовой автоподстройки частоты, модемах, морских судах, телекоммуникациях, в датчиках, а также в дисководах.

Кристаллический осциллятор

также используется для управления двигателем, часами и бортовым компьютером, стереосистемой и в системах GPS. Это автомобильное приложение.

Кварцевые генераторы используются во многих потребительских товарах.Например, системы кабельного телевидения, видеокамеры, персональные компьютеры, игрушки и видеоигры, сотовые телефоны, радиосистемы. Это потребительское приложение Crystal Oscillator.

Это все о кристаллическом осцилляторе, его работе и приложениях. Мы считаем, что информация, представленная в этой статье, поможет вам лучше понять эту концепцию. Кроме того, с любыми вопросами относительно этой статьи или любой помощью в реализации проектов в области электротехники и электроники вы можете обратиться к нам, оставив комментарий в разделе комментариев ниже.Вот вам вопрос, какова основная функция кварцевого генератора?

Фото:

Работа и различные приложения

Электронная схема или электронное устройство, которое используется для генерации периодически колеблющегося электронного сигнала, называется электронным генератором. Электронный сигнал, создаваемый генератором, обычно представляет собой синусоидальную или прямоугольную волну. Электронный генератор преобразует сигнал постоянного тока в сигнал переменного тока.Радио- и телевизионные передатчики транслируются с помощью сигналов, генерируемых генераторами. Электронные звуковые сигналы и звуки видеоигр генерируются сигналами осциллятора. Эти генераторы генерируют сигналы, используя принцип колебаний.

Существуют различные типы электронных схем осцилляторов, такие как линейные осцилляторы — осциллятор Хартли, осциллятор с фазовым сдвигом, осциллятор Армстронга, осциллятор Клаппа, осциллятор Колпитца и т. Д., Осцилляторы релаксации — осциллятор Ройера, кольцевой осциллятор, мультивибратор и т. Д. и осциллятор, управляемый напряжением (VCO).В этой статье давайте подробно обсудим кварцевый генератор, например, что такое кварцевый генератор, схему кварцевого генератора, работу и использование кварцевого генератора в электронных схемах.

Что такое кварцевый осциллятор?

Кварцевый кварцевый генератор

Электронная схема, которая используется для генерации электрического сигнала точной частоты за счет использования механического резонанса вибрирующего кристалла, изготовленного из пьезоэлектрического материала. Существуют различные типы пьезоэлектрических резонаторов, но обычно в генераторах этих типов используется кварцевый кристалл.Следовательно, эти электронные схемы генератора называются кварцевыми генераторами. Принципиальная схема кварцевого генератора

Принципиальная схема кварцевого генератора может быть представлена ​​следующим образом:

Электронный символ пьезоэлектрического кристаллического резонатора

На приведенной выше схеме представлен электронный символ пьезоэлектрического кристаллического резонатора, который состоит из двух металлизированных электродов и кварца. кристалл.

Эквивалентная принципиальная схема кварцевого кристалла

На приведенном выше рисунке показана эквивалентная принципиальная схема кварцевого кристалла в электронном генераторе, который состоит из резистора, катушки индуктивности и конденсаторов, которые соединены, как показано на рисунке.

Кристаллический осциллятор Рабочий

Атомы, молекулы, ионы упорядочены в трех пространственных измерениях с повторяющимся узором, образуя твердое тело, которое можно назвать кристаллом. Кристалл может быть изготовлен практически из любого объекта из эластичного материала с использованием соответствующих электрических преобразователей. Поскольку каждый объект имеет естественную резонансную частоту вибрации, сталь обладает высокой скоростью звука и очень эластична.

Таким образом, сталь часто используется вместо кварца в механических фильтрах.Эта резонансная частота зависит от различных параметров, таких как размер, эластичность, скорость звука и форма кристалла. В общем, форма высокочастотных кристаллов представляет собой простую прямоугольную пластину, а форма низкочастотных кристаллов имеет форму камертона, как показано на рисунке ниже.

Высокочастотные прямоугольные пластинчатые кристаллы и низкочастотные вилочные кристаллы

Схема кварцевого генератора работает по принципу обратного пьезоэлектрического эффекта, то есть механическая деформация создается приложением электрического поля к определенным материалам.Таким образом, он использует механический резонанс колеблющегося кристалла, который сделан из пьезоэлектрического материала, для генерации электрического сигнала определенной частоты.

Эти кварцевые кварцевые генераторы обладают высокой стабильностью, имеют хорошую добротность, небольшие размеры и очень экономичны. Следовательно, схемы кварцевого генератора превосходят другие резонаторы, такие как LC-схемы, поворотные вилки и т. Д. Как правило, кварцевый генератор 8 МГц используется в микропроцессорах и микроконтроллерах.

Эквивалентная электрическая схема также представляет действие кристалла в кристалле. Основные компоненты, используемые в схеме, индуктивность L1 представляет массу кристалла, емкость C1 представляет податливость, сопротивление R1 представляет трение внутренней структуры кристалла, а C0 используется для представления емкости, которая образуется из-за механического формования кристалла.

Принципиальная схема кварцевого генератора состоит из последовательного резонанса и параллельного резонанса, т. Е., две резонансные частоты. Если реактивное сопротивление, создаваемое емкостью C1, равно и противоположно реактивному сопротивлению, создаваемому индуктивностью L1, то возникает последовательный резонанс. Последовательные и параллельные резонансные частоты представлены как fs и fp соответственно, а значения fs и fp могут быть определены с помощью следующих уравнений, показанных на рисунке ниже.

Резонансная частота серии

и частота параллельного резонанса

Таким образом, импеданс приблизительно равен сопротивлению R1 в этом состоянии.Если реактивное сопротивление последовательного резонансного плеча равно реактивному сопротивлению, вызванному емкостью C0, возникает параллельный резонанс. Таким образом, внешняя цепь в этом состоянии имеет очень высокий импеданс кристалла.

График зависимости импеданса от частоты

На приведенном выше рисунке показан график между импедансом и частотой цепи кварцевого генератора. Обычно кварцевые генераторы имеют диапазон частот от 32 кГц до 200 МГц.

Использование кварцевого генератора

В общем, мы знаем, что кварцевые генераторы используются в микропроцессорах и микроконтроллерах для обеспечения тактовых сигналов.Давайте рассмотрим микроконтроллер 8051, для которого необходима схема внешнего кварцевого генератора на 12 МГц, хотя (в зависимости от модели) микроконтроллер 8051 может работать на частоте 40 МГц (макс.). Для 8051 требуется 12 тактовых циклов для одного машинного цикла, чтобы обеспечить эффективную частоту цикла от 1 МГц (учитывая тактовую частоту 12 МГц) до 3,33 МГц (учитывая максимальную тактовую частоту 40 МГц). Этот кварцевый генератор используется для генерации тактовых импульсов, необходимых для синхронизации всех внутренних операций.

Существует множество применений кварцевого генератора в различных областях, и несколько приложений кварцевого генератора показаны ниже:

Применение кварцевого генератора в военной и авиакосмической промышленности

Использование кварцевого генератора в военной и аэрокосмической сферах предназначено для установления эффективной связи системы, для целей навигации, радиоэлектронной борьбы, в системах наведения и так далее.

Использование кварцевого генератора в исследованиях и измерениях

Кварцевый генератор используется в исследованиях и измерениях для космической навигации, космического слежения, в измерительных приборах и медицинских устройствах и т. Д.

Промышленное применение кварцевого генератора

Существует огромное количество промышленных приложений кварцевого генератора, например, в компьютерах, цифровых системах, контрольно-измерительных приборах, системах фазовой автоподстройки частоты, судостроении, модемах, датчиках, телекоммуникациях, дисководах и т. Д.

Использование кварцевого генератора в автомобильной промышленности

Кварцевый генератор используется для управления двигателем, стереосистемой, часами и бортовым компьютером, а также в системе GPS.

Потребительские приложения кварцевого генератора

Кристаллические генераторы используются во многих потребительских товарах, таких как системы кабельного телевидения, персональные компьютеры, видеокамеры, игрушки и видеоигры, радиосистемы, сотовые телефоны и т. Д.

Пожалуйста, перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше Генераторы MCQ

Знаете ли вы типы схем кварцевых генераторов? Кроме того, техническая помощь может быть предоставлена ​​на основе ваших комментариев, размещенных в комментариях ниже.

Принцип работы кварцевого генератора

Хрусталь или хрусталь, или глупо различать?

Кристалл — это аббревиатура от кристаллического резонатора (Кристалл), также известного как Пассивный кристалл . Как правило, это электронный компонент, который использует пьезоэлектрический эффект кристаллов кварца для генерации высокоточных частот колебаний. Пассивным кристаллам необходимо полагаться на сопротивление конденсатора, чтобы начать колебание.

Кварцевый генератор — это аббревиатура от кварцевого генератора (Осциллятор), также известного как Активный кристалл .Активный кварцевый генератор объединяет схему запуска, которая может нормально работать без добавления других внешних компонентов. Но для этого нужен внешний источник питания.

Кристалл на корпусе обычно бывает двух- и четырехконтактным, а кварцевый генератор обычно четырехконтактным или более. Конечно, обе ноги должны быть кристаллами. Для четырехконтактных кристаллов и кварцевых генераторов необходимо следить за тем, подключены ли периферийные цепи к другим устройствам.Если нет, то это активный кварцевый генератор. Или проверьте высоту. Как правило, толщина кристалла выше, чем у кристалла.

Обычные кристаллы показаны на следующем рисунке:

Принцип работы кварцевого генератора

Эквивалентная схема кварцевого генератора:


R — эквивалентное сопротивление серии ESR, L и C — эквивалентные индуктивность и емкость, соответственно, а Cp — паразитная емкость.

Линия спектра реактивного генератора кварцевого генератора:


Когда кварцевый генератор работает в последовательном резонансе, цепь является чисто резистивной, а индуктивность равна емкостному реактивному сопротивлению (XL = XC), а частота последовательного резонанса составляет:


Когда кварцевый генератор работает в параллельном резонансе, схема является чисто индуктивной. В этом режиме рабочая частота определяется нагрузкой кварцевого генератора. Для кристаллов, находящихся в состоянии параллельного резонанса, производитель кристалла должен указать емкость нагрузки CL.В этом режиме частота резонанса:


В режиме параллельного резонанса в диагональной области от fs до fa на линии реактивного сопротивления кварцевый генератор может генерироваться колебаниями, регулируя нагрузку кварцевого генератора.

Схема кварцевого генератора

Принципиальная схема кварцевого генератора показана на рисунке ниже. Этот состав может заставить кварцевый генератор работать в режиме параллельного резонанса. Инвертор обеспечивает сдвиг фазы на 180 °, а схема π-типа, состоящая из кварцевого генератора, R1, C1 и C2, производит еще один сдвиг фазы на 180 °.Таким образом, фазовый сдвиг всего контура составляет 360 °. Это удовлетворяет условию поддержания колебаний. Другое условие состоит в том, что коэффициент усиления замкнутого контура должен быть ≥1 для правильного запуска и поддержания колебаний.


Резистор Rf генерирует отрицательную обратную связь, которая устанавливает инвертор около средней области компенсации и заставляет инвертор работать в линейной области с высоким коэффициентом усиления. Значение сопротивления очень высокое, обычно в диапазоне от 500 кОм до 2 МОм. C1 и C2, показанные на рисунке, представляют собой емкости нагрузочной емкости CL, полученные, когда кварцевый генератор работает в параллельном резонансе.Формула расчета оптимальной емкости нагрузки CL:


Cs — паразитная емкость вывода кварцевого генератора в печатной плате с типичным значением 2-5 пФ. Обычно значения C1 и C2 равны. R1 должен управлять токоограничивающим резистором, а его основная функция — ограничивать выходную мощность инвертора, чтобы кварцевый генератор не перегружался. Группы R1 и C1 составляют схему делителя напряжения. Значения этих компонентов рассчитываются таким образом: выходной сигнал инвертора близок к значению Rail-to-Rail, а входной сигнал кварцевого генератора составляет 60% от Rail-to-Rail. значение сопротивления R1 и значение емкостного реактивного сопротивления C1 равны, то есть R1 ≈ XC1.Это позволяет кварцевому генератору получать только половину выходного сигнала инвертора. Всегда проверяйте, чтобы мощность, потребляемая кварцевым генератором, находилась в пределах диапазона, указанного в инструкциях производителя. Overdrive повредит кварцевый генератор.

Как правило, увеличение емкости нагрузки снижает частоту колебаний, а уменьшение емкости нагрузки увеличивает частоту колебаний. См. Рисунок ниже:

В некоторые микросхемы встроены эти внешние устройства (Rf, R1, C1, C2), что устраняет проблемы проектировщиков схем.В этом случае просто подключите кварцевый генератор к выводу XTAL.


номер

Xtal Operation »Примечания по электронике

Работа кристаллов кварца зависит от пьезоэлектрического эффекта, который связывает механические резонансы с электрической системой.


Кристаллы кварца, Учебное пособие Xtals Включает:
Кристаллы кварца: xtals Что такое кварц Как работает кристалл Кристаллический обертон Вытягивание частоты кристалла кварца Огранки кристаллов кварца Кварцевое старение Изготовление кристаллического резонатора Как указать кристалл кварца VCXO TCXO OCXO Кристаллический фильтр Монолитный кристаллический фильтр Керамический резонатор и фильтр Характеристики керамического фильтра


Работа кварцевых резонаторов или кристаллов зависит от пьезоэлектрического эффекта и резких механических резонансов материала.

Электрические сигналы преобразуются из своей электрической формы в механические колебания. Именно на эти колебания влияют механические резонансы кристалла кварца, а затем они соединяются обратно в электрическую систему.

Потери, связанные с кристаллами кварца, очень низкие, а это означает, что селективность или добротность чрезвычайно высока.

Условное обозначение схемы кварцевого резонатора, xtal

Пьезоэлектрический эффект

При рассмотрении того, как работает кристалл кварца, сначала необходимо понять основы пьезоэлектрического эффекта.

Это эффект, который проявляется в ряде материалов, как природных, так и синтетических.

Пьезоэлектрический эффект проявляется в кварце, а также в ряде керамических материалов, используемых в электронной промышленности, а также в ряде органических веществ. По этой причине доступны некоторые керамические резонаторы, хотя их характеристики не равны характеристикам кварца с точки зрения использования в качестве резонатора.

Пейзоэлектрический эффект используется не только в резонаторах, но и в электрических преобразователях — датчиках движения, датчиках напряжения, кристаллических микрофонах и многих других.

Когда возникает пьезоэлектрический эффект, в некоторых твердых материалах возникает электрический заряд в результате приложенного механического напряжения. Этот эффект преобразует механическое напряжение в кристалле в напряжение и наоборот, то есть напряжение может вызвать образование заряда в материале, или размещение заряда в материале вызовет возникновение напряжения.

Как работает кварцевый резонатор: основы

Для работы кристалла кварца обнаружено, что пьезоэлектрический эффект преобразует электрические импульсы в механическое напряжение, которое подвержено механическим резонансам с очень высокой добротностью кристалла, и это, в свою очередь, снова включается в электрическую цепь.

Кристалл кварца может колебаться по-разному, и это означает, что он имеет несколько резонансов — каждый на разной частоте.

К счастью, способ, которым заготовка кристалла кварца вырезан из самого оригинального кристалла, может очень значительно уменьшить это. Фактически, угол граней относительно осей исходного кристалла определяет многие из его свойств, от способа его вибрации до его активности Q и его температурного коэффициента.

Если посмотреть, как работает кварцевый резонатор, можно увидеть, что существует три основных способа, которыми кристалл может вибрировать:

  • Продольная мода: В продольной моде кристалл удлиняется и укорачивается.Это приводит к тому, что центр становится тоньше, когда кристалл расширяется, и толще, когда он укорачивается.
    Кварцевый резонатор продольной вибрации
  • Низкочастотный режим сдвига грани: Для кристаллов, которые работают в этом режиме, вся прямоугольная форма кристалла колеблется, как показано ниже.
    Кварцевый резонатор с низкочастотной сдвиговой вибрацией
  • Высокочастотный сдвиг: Высокочастотный режим сдвига используется для большинства кварцевых резонаторов, работающих в диапазоне 1 МГц и выше.
    Кварцевый резонатор с высокочастотной сдвиговой вибрацией

Способ, которым заготовка кристалла вырезана из объемного кристалла, влияет на способ его вибрации. В частности, большое влияние имеет угол, под которым он срезан относительно осей объемного кристалла кварца. Есть несколько стандартных «разрезов», которым даны имена, и они имеют известные и полезные рабочие параметры. Разрез, известный как разрез AT, используется для большинства кристаллов, используемых в традиционных радио и электронных схемах, и обычно он вибрирует с использованием высокочастотного режима сдвига.

Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Для анализа электрического отклика кварцевого резонатора очень часто бывает полезно изобразить его как эквивалентные электрические компоненты, которые потребуются для его замены. Эту эквивалентную схему затем можно использовать для анализа ее отклика и прогнозирования ее характеристик, как показано на диаграмме ниже:

Приведенная ниже эквивалентная схема часто называется 4-параметрической моделью кристалла, и ее достаточно для многих расчетов и для иллюстрации работы кристалла.

Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Эти теоретические составляющие компоненты можно приравнять к реальным физическим характеристикам кристалла:

  • L: Индуктивность возникает из-за массы материала.
  • C1: Эта емкость возникает из-за податливости кристалла.
  • R: Этот элемент возникает из-за потерь в системе. Самый большой из них возникает из-за потерь на трение при механической вибрации кристалла.
  • Co: Эта емкость в теоретической эквивалентной схеме кристалла кварца возникает из емкости между электродами кристаллического элемента. Это часто называют шунтирующей емкостью.

Кристаллы кварца находят применение не только в генераторах, но и в фильтрах. Здесь они предлагают уровни производительности, которые не могут быть достигнуты другими формами фильтров. Часто в одном фильтре можно использовать несколько кристаллов для получения правильной формы.

Кристаллический параллельный и последовательный резонанс

Существует два режима работы кварцевого генератора, которые можно увидеть на эквивалентной схеме.

Кварцевые резонаторы могут работать в любом режиме, и на самом деле разница между параллельными и последовательными резонансными частотами довольно мала. Обычно они различаются примерно на 1%.

Характеристика импеданса кварцевого резонатора

Из двух режимов чаще используется параллельный режим, но может использоваться и любой другой.Цепи генераторов для использования различных режимов, естественно, различны, поскольку один колеблется, когда кристалл достигает своего максимального импеданса, а другой работает, когда кристалл достигает своего минимального импеданса.

Crystal Q, добротность

Добротность или добротность — важный аспект резонанса кристалла кварца. Кристаллы предлагают очень высокий уровень Q, иногда превышающий 100 000.

Соответственно, необходимо иметь возможность вычислить уровень Q, чтобы иметь возможность определять другие ограничения и конструктивные соображения для схемы, в которой она должна работать.

Существует простое уравнение, позволяющее вычислить значение Q для данного кристалла.

Из этого можно видеть, что последовательная емкость имеет большое влияние на добротность. Уменьшение последовательной емкости увеличивает добротность прямо пропорционально данной частоте.

Резонаторы из кварцевого кристалла представляют собой сложную связь между электрическими и механическими доменами. Хотя теоретически кажется, что работа теории кажется довольно простой, на практике многие эффекты работают вместе, и они могут связываться неожиданным образом.Известно, что резонаторы из кварцевого кристалла возбуждаются другой модой в конкретной цепи и, следовательно, работают на неправильной частоте. Понимание того, как работают кварцевые резонаторы, может помочь выявить эти проблемы в том маловероятном случае, когда они могут возникнуть. Часто в этом случае достаточно добавить к генератору широкий резонансный контур, чтобы гарантировать, что он может работать только в требуемом режиме.

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .

Разработка схемы осциллятора — ECS Inc. International

Написано Дэвидом Мини, вице-президентом по глобальным техническим продажам и маркетингу, и Дином Кларком, европейским директором по операциям в ECS Inc. International

Что такое осциллятор?

Генератор — это электронная схема, генерирующая повторяющийся сигнал. Этот сигнал может быть во многих формах в зависимости от приложения. Некоторым приложениям требуются базовые часы для поддержания рабочих интервалов для процессов.Другим приложениям требуются часы с очень чистой формой сигнала и высокой стабильностью для обеспечения высококачественной связи и передачи данных.

В аналоговых приложениях, таких как радиопередатчики RF, которые используют супергетеродин для приема и передачи цепочек сигналов, обычно обнаруживают синусоидальные формы выходных сигналов. Синусоидальная волна — это непрерывная волна, представляющая плавные периодические колебания. При радиочастотной связи выходной сигнал синусоидального генератора обеспечивает приемопередатчику точную опорную частоту с низким уровнем шума.

В цифровой электронике мы видим прямоугольные выходы. Прямоугольные волны — это форма волны, амплитуда которой меняется от минимальной до максимальной с постоянной частотой. Идеальная прямоугольная волна должна иметь минимальный и максимальный периоды при одинаковой продолжительности, и это будет иметь рабочий цикл 50/50%. На практике рабочий цикл может немного отличаться, поэтому более типичными могут быть 45/55% или 60/40%. Прямоугольный выходной сигнал имеет много применений, но широко используется для измерения времени выполнения инструкций в схеме или микропроцессоре.

Генераторы Осцилляторы

могут иметь несколько различных типов резонаторов, связанных с ними. Самый плодовитый и самый эффективный из них — кварц. Вы также можете найти генераторы, которые используют керамические резонаторы, резонаторы на основе ПАВ [1] или МЭМС [2] в качестве отправной точки для рабочей частоты. Они используют механическую вибрацию или настроенные резонаторы для генерации тактового сигнала. В случае генератора на основе кварца состав кварцевого материала и углы среза кристалла делают этот тип генератора очень точным и стабильным в широком диапазоне температур.Процесс изготовления заготовок кристаллов для генераторов занимает много времени и включает множество этапов для обеспечения неизменно высокого качества продукта, но они обеспечивают значительно лучшую стабильность по сравнению с RC-генераторами.

Принцип работы осциллятора

Принцип, лежащий в основе схемы генератора, — это стабильный установившийся выходной сигнал. Один из способов добиться этого — использовать цикл положительной обратной связи. Здесь часть выходного напряжения является обратной связью со входом без общего фазового сдвига, таким образом усиливая выходной сигнал.Затем сигнал усиливается и снова зацикливается, вызывая рост выходного сигнала. Коэффициент усиления в контуре обратной связи необходимо контролировать до единичного усиления, иначе сигнал будет обрезаться и искажаться.

Рисунок 1 — Цепь обратной связи осциллятора, показывающая условия колебаний

На рисунке 1 мы видим упрощенный контур генератора обратной связи, показывающий, что базовый контур генератора состоит из каскада усиления и цепи обратной связи, которая действует как фильтр, который определяет, каким должен быть коэффициент усиления контура обратной связи.

Рисунок 2 — Конструкция генератора Пирса с использованием процессора с инвертором и резистором обратной связи.

На рис. 2 показана конструкция осциллятора Пирса, обычно используемая в конструкциях цифровых процессоров. В этом типе конструкции кварцевого генератора фильтр состоит из эквивалентной модели кварцевого резонатора и внешних нагрузочных конденсаторов. Точная частота, на которой будет работать генератор, зависит от сдвига фазового угла контура в контуре генератора. Изменения фазового угла приведут к изменению выходной частоты.

Время запуска

Время запуска — это период первого включения осциллятора. В этот период будут нестабильности, пока колебания не стабилизируются. Время запуска обычно измеряется в микросекундах (мкСм), но оно зависит от частоты и контролируется контуром обратной связи. Величина усиления замкнутого контура имеет большое влияние на время запуска. Факторы, которые отрицательно влияют на усиление замкнутого контура, включают низкий уровень возбуждения, более высокие значения емкостной нагрузки кристалла (CL) и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR).Низкое усиление может вызвать чрезмерно долгое время запуска, а слишком высокое усиление может привести к полному сбою запуска или перегрузке кристаллической структуры. Идеальное усиление зависит от отрицательного сопротивления схемы генератора, где привод должен преодолеть отрицательное сопротивление для запуска и создать выходной сигнал генератора. Из-за этого частота генератора напрямую влияет на время запуска, поэтому время, необходимое для прохождения цикла, значительно больше для генератора с частотой кГц, чем для генератора с частотой МГц.Низкий запас по усилению — обычная проблема для генераторов с частотой кГц, поскольку уровни возбуждения на порядок ниже, а ESR кристалла на порядок выше. Чтобы преодолеть эти проблемы, требуется тщательный дизайн, чтобы уровни возбуждения соответствовали подходящим значениям CL и ESR.

Реактивное сопротивление

Импеданс кристалла кварца изменяется настолько резко с изменением приложенной частоты, что все остальные компоненты схемы можно рассматривать как имеющие по существу постоянное реактивное сопротивление.Следовательно, когда кварцевый блок используется в контуре обратной связи генератора, частота кварцевого блока будет регулироваться сама так, чтобы оно представляло реактивное сопротивление, которое удовлетворяет коэффициенту усиления фазы контура. Представление реактивного сопротивления в зависимости от частоты кварцевого кристалла показано на рисунке 3.

Рисунок 3 — Кривая зависимости реактивного сопротивления от частоты

Кварцевый блок можно заставить колебаться в любой точке на линии между последовательными и параллельными резонансными точками путем включения реактивных компонентов (см. Рисунок 3, линия, обозначенная емкостной нагрузкой), таких как конденсаторы в контуре обратной связи генератора. схема.Частота, полученная в результате добавления емкости, выше, чем последовательная резонансная частота; ее обычно называют параллельной частотой, однако она меньше фактической параллельной частоты. Поскольку с кварцевым кристаллом связаны две частоты нулевых фаз, существует два типа схем генератора. Эти схемы определяются типом используемого кристалла. Они бывают либо последовательными, либо параллельными резонансными.

Цепь серии

В сбалансированной LC-цепи резонансная частота — это частота, на которой реактивное сопротивление индуктивности и реактивное сопротивление емкости компенсируют друг друга, оставляя только значение сопротивления.На рисунке 4 показан последовательный резонансный контур.

Рисунок 4 — Последовательная резонансная цепь

Параллельный Контур

В схеме параллельного резонансного генератора используется кристалл, который предназначен для работы с определенным значением емкости нагрузки. Это создаст результат, в котором частота кристалла с выше, чем последовательная резонансная частота, но ниже, чем истинная параллельная резонансная частота.Эти схемы не предлагают других маршрутов, кроме как через блок Crystal для завершения цикла обратной связи. В случае отказа блока Crystal, цепь больше не будет продолжать колебаться. Ниже приводится простое описание параллельного резонансного контура.

Рисунок 5 — Параллельный резонансный контур

Регулировка частоты «вытягивания»

Кристалл можно «вытащить» из его последовательной частоты, добавив реактивное сопротивление (емкость) последовательно с кристаллом.При работе в сочетании с внешней емкостью нагрузки (CL) кристалл колеблется в диапазоне частот, немного превышающем его последовательную резонансную частоту. Это параллельная (резонансная) частота. При заказе параллельного кристалла всегда указывайте номинальную параллельную резонансную частоту и указывайте емкость нагрузки схемы в пикофарадах (пФ).

Приблизительное уравнение для пределов вытягивания кристалла:

Пределы ∆f зависят от добротности кристалла и паразитной емкости цепи.Если шунтирующая емкость, подвижная емкость и емкость нагрузки известны, среднее значение тяги на пФ можно найти с помощью:

Емкость может быть изменена с помощью варакторного диода, при этом подтягивание может осуществляться электрически для изменения значения емкости. Это используется в VCO, VCXO и VCTCXO для изменения частоты.

Емкость нагрузки

Емкость нагрузки — это емкость внешней цепи, включенной параллельно самому кристаллу.В этом примере мы видим, что режим параллельного резонанса кристаллов всегда выше частоты последовательного резонанса и характеризуется индуктивным реактивным сопротивлением. В режиме параллельных резонансных колебаний индуктивность кристалла (подвижная индуктивность) параллельна емкости нагрузки генератора, тем самым образуя контур LC-резервуара. Этот ЖК определяет частоту генератора.

При указании последовательного резонансного кристалла емкостью нагрузки можно пренебречь, поскольку подвижная индуктивность и подвижная емкость кристалла являются единственными LC-компонентами, которые определяют частоту колебаний.

CL можно определить по формуле:

Например, где CL1 и CL2 — конденсаторы нагрузки, а C S — паразитная емкость цепи, обычно
3 пФ ~ 5 пФ. Следует отметить, что изменение значения емкости нагрузки приведет к изменению выходной частоты генератора.

Если требуется точное регулирование частоты, необходимо точное определение емкости нагрузки. Для демонстрации предположим, что кварцевый блок предназначен для работы на частоте 20 МГц с емкостью 20 пФ.Предположим, что кварцевый блок затем включен в схему, которая дает оценку 30 пФ.

Тогда частота кварцевого блока будет ниже указанного значения. Напротив, если рассматриваемая схема дает оценку 10 пФ, частота будет выше указанного значения. Связь между частотой и емкостью нагрузки показана на рисунке 6.

Рисунок 6 — Частота в зависимости от емкости нагрузки

Уровень драйва

Уровень возбуждения — это мощность, рассеиваемая кварцевым блоком во время работы.Мощность является функцией подаваемого тока и обычно выражается в милливаттах (мВт) или микроваттах (мкВт). Кристаллические блоки определены как имеющие определенные максимальные значения уровня возбуждения, которые преобразуются в зависимости от частоты и режима работы. Превышение максимального уровня возбуждения для данного кристалла может привести к нестабильной работе, в том числе к ускоренному старению, а в некоторых случаях — к полному отказу кристалла. Уровень движения можно рассчитать по следующему уравнению:

МОЩНОСТЬ = (I rms 2 * R)

Отрицательное сопротивление

Для оптимальной производительности схема генератора должна быть спроектирована таким образом, чтобы увеличивать отрицательное сопротивление, которое иногда называют допуском колебаний.Определение величины отрицательного сопротивления достигается последовательным включением переменного резистора.

Оценка величины отрицательного сопротивления в каждой цепи выполняется путем временной установки переменного резистора последовательно с кварцевым блоком. Изначально резистор следует установить на минимальное значение, желательно близкое к нулю. Затем запускается генератор, и выходной сигнал отслеживается с помощью осциллографа. Затем переменный резистор регулируется таким образом, чтобы сопротивление увеличивалось при постоянном контроле выхода.При некотором значении сопротивления колебания прекратятся. В этот момент измеряется переменный резистор, чтобы определить значение омического сопротивления, при котором колебания прекращаются. К этому значению необходимо добавить максимальное сопротивление кристаллического блока, указанное продавцом. Общее омическое сопротивление считается отрицательным сопротивлением или допуском колебаний.

Для хорошей и надежной работы схемы рекомендуется, чтобы отрицательное сопротивление как минимум в пять раз превышало указанное максимальное эквивалентное значение последовательного сопротивления кварцевого блока.Значения отрицательного сопротивления, превышающие в пять раз максимальное сопротивление кристаллического блока, даже лучше. Поскольку отрицательное сопротивление имеет тенденцию к снижению при повышенной температуре, рекомендуется проводить испытание при наивысшей температуре рабочего диапазона.

Крутизна осциллятора

Другой способ определить, будет ли генератор запускаться стабильно, — это рассмотреть крутизну. Чтобы гарантировать начало колебаний и достижение стабильной фазы, генератор должен обеспечивать достаточный коэффициент усиления, чтобы компенсировать потери в колебательном контуре и обеспечивать энергию для нарастания колебаний.Как обсуждалось в разделе «Запуск», соотношение между усилением генератора и критическим коэффициентом усиления колебательного контура не может просто превышать 1, так как это приведет к слишком длительному времени запуска генератора или даже к полной остановке запуска. Разработчикам следует постараться обеспечить запас по усилению более 5. Эти параметры определяются по формуле: запас по усилению = gm / g mcrit ≥ 5 gm — крутизна генератора, указанная в таблице данных IC.

Для генераторов МГц крутизна находится в диапазоне от нескольких десятков мА / В, а для генератора с частотой кГц крутизна колеблется от нескольких до нескольких десятков мкА / В, в зависимости от продукта.

g mcrit определяется как минимальная крутизна генератора, необходимая для поддержания стабильного колебания.

Предполагая, что в конструкции используются равные значения CL1 и CL2, и что нагрузка кристалла такая же, как и у кристалла CL, g mcrit выражается следующим образом:

При рассмотрении вопроса о запуске генератора важен выбор параметров кристалла; понижение ESR, частоты, C0 и CL уменьшит g mcrit и, таким образом, максимизирует запас усиления.

Частота и обертонный режим

Частота кварцевого кристалла ограничена физическими размерами вибрирующего кварцевого элемента. В некоторых случаях ограничивающими размерами являются длина и ширина. Самый популярный кристалл — это ограненный кристалл AT. Предельный размер — это толщина вибрирующего кварцевого элемента. По мере уменьшения толщины частота увеличивается. В какой-то момент, обычно около 50 МГц, толщина кварцевой пластины становится слишком хрупкой для использования в полевых условиях.

Если вам нужно разработать генератор на более высоких частотах, который все еще будет достаточно надежным для работы в полевых условиях, мы можем рассмотреть возможность использования одной из других резонансных частот. Это более низкие частоты, которые генерируются как гармоники. Все эти гармоники будут иметь нечетные целые числа основной частоты. Следовательно, если кварцевый блок имеет основную частоту 10 МГц, его также можно заставить колебаться в 3, 5, 7 и т.д. раз больше основной частоты. То есть устройство будет колебаться на частоте 30, 50, 70 и т. Д.Эти кратные основной частоты называются обертонами и идентифицируются целым числом умножения, как в третьем обертоне, пятом обертоне, седьмом обертоне и т.д. работайте на желаемой частоте и на желаемом обертоне. Никогда не следует пытаться заказывать кварцевый блок основной моды, а затем эксплуатировать его на частоте обертона. Это связано с тем, что процесс изготовления кристаллов отличается для основных и обертонных кристаллов.

Во многих случаях характеристики интегральной схемы, используемой в конструкции генератора, требуют подавления основной частоты кристалла, чтобы гарантировать работу на желаемой частоте, а не на более мощной основной частоте. Необходимо доработать схему генератора. Одним из способов модификации является добавление цепи резервуара, состоящей из катушки индуктивности и конденсатора. Эти модификации показаны на рисунках 7 и 8 для последовательных и параллельных резонансных контуров.

Рисунок 7 — Модификация последовательного резонансного контура Рисунок 8 — Модификация параллельного резонансного контура

В обоих случаях контур резервуара настроен на резонанс на некоторой частоте между основной и желаемой частотой. Это изолирует желаемую частоту и шунтирует остальные на землю, оставляя только желаемую частоту на выходе генератора.

Соображения по конструкции

При разработке схемы генератора или компоновке платы для генератора и генератора следует учитывать определенные конструктивные особенности. Всегда рекомендуется избегать параллельных трасс, чтобы уменьшить емкость лотка. Все следы должны быть как можно короче, а компоненты должны быть изолированы во избежание сцепления. Плоскости заземления следует использовать для изоляции сигналов.

Есть много других терминов, с которыми вам нужно будет ознакомиться в процессе проектирования.ECS. Inc предлагает широкий выбор устройств для регулирования частоты и магнитных полей. Существует также обширная библиотека с техническими руководствами, видео-обучениями и справочными проектами, которые вы можете просмотреть.

ECS. Веб-сайт Inc

Воспользуйтесь следующими ссылками на нашу библиотеку технических ресурсов:

Технические руководства

Видеообучение

Референсные образцы

[1] SAW, — Резонатор на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Резонатор на ПАВ с 1 портом имеет один IDT (Inter Digital Transducer), который изготовлен на кварцевой подложке, он генерирует и принимает ПАВ.Конструкция имеет два решетчатых отражателя, которые отражают ПАВ и создают стоячую волну между двумя отражателями. Затем он преобразуется обратно в электрический сигнал.

[2] MEMS — Микро-электромеханическая система. Резонатор MEMS — это кремниевое устройство, в котором для создания вибрирующей структуры используется резонансная структура нанометрового диапазона.

ECS Inc. стремится поставлять высококачественные электронные компоненты, чтобы помочь вам создать мир Интернета вещей, подключенный к Интернету вещей. Для получения дополнительной информации о продуктах ECS Inc щелкните здесь.

Обзор кварцевого генератора

Генератор — это устройство преобразования энергии, которое преобразует мощность постоянного тока в мощность переменного тока с определенной частотой, и сформированная им цепь называется колебательной цепью. Некоторым электронным устройствам требуется сигнал переменного тока с очень стабильной частотой, но генератор LC имеет плохую стабильность, и частота легко дрейфует. В генераторе используется специальный компонент — кварцевый кристалл, который может генерировать очень стабильный сигнал. Такой генератор, использующий кристалл кварца, называется кварцевым генератором.

Каталог

Ⅰ Характеристики

1 кристалл кварца

(1) Форма, структура и графические символы

Отрежьте тонкий срез кристалла кварца в определенном направлении, отполируйте оба концы среза и покрыть его проводящим слоем серебра, а затем соединить два электрода из слоя серебра и упаковать их. Этот компонент называется кварцевым резонатором, или сокращенно кварцевым кристаллом.Форма, структура и графические обозначения кристалла кварца показаны на рисунке.

Рисунок 1. Кристалл кварца

(2) Характеристики

Кристаллы кварца имеют две резонансные частоты, fs и fp, fp немного больше fs. Когда частота сигнала, подаваемого на два конца кристалла кварца, различается, он будет показывать разные характеристики, как показано на рисунке, а конкретное описание выглядит следующим образом.

Рисунок 2.Характеристики кристалла кварца

① Когда f = fs, кристалл кварца является резистивным, что эквивалентно небольшому сопротивлению.

② Когда fs

③ Когда f≥fp, кристалл кварца является емкостным, что эквивалентно емкости.

2 Обозначение схемы

Кварцевый генератор — один из наиболее часто используемых электронных компонентов в электронных схемах.Обычно обозначается буквами «X», «G» или «Z», а единицей измерения является Гц. Графический символ кварцевого генератора показан на рисунке.

Рис. 3. Графический символ кварцевого генератора

3 Состав

Кварцевый генератор в основном состоит из кварцевого и периферийных компонентов. На рисунке показан внешний вид и внутренняя структура кварцевого генератора, а также графические символы схемы и эквивалентная схема.

Рисунок 4. Внешний вид и внутренняя структура кварцевого генератора, а также графические символы схемы и эквивалентная схема

Ⅱ Принцип работы

Кварцевый генератор имеет пьезоэлектрический эффект, то есть кристалл будет деформируются при приложении напряжения к двум полюсам пластины. И наоборот, если внешняя сила деформирует пластину, металлические листы на двух полюсах будут генерировать напряжение. Если к микросхеме приложено соответствующее переменное напряжение, микросхема будет резонировать (резонансная частота связана с углом наклона крутизны кварца, а частота постоянна).В кварцевом генераторе используется кристалл, который может преобразовывать электрическую и механическую энергию друг в друга. Он может обеспечить стабильные и точные одночастотные колебания при работе в резонансном состоянии. В нормальных условиях работы абсолютная точность частоты обычного кристалла может достигать 50 частей на миллион. Используя эту особенность, кварцевый генератор может обеспечивать более стабильный импульс, который широко используется в тактовой схеме микрочипа. Пластины в основном изготовлены из кварцевых полупроводниковых материалов, а оболочка залита металлом.

Кварцевый генератор часто используется в сочетании с материнской платой, южным мостом, звуковой картой и другими схемами. Кварцевый генератор можно сравнить с генератором «сердцебиения» каждой платы. Если есть проблема с «тактом» основной карты, это обязательно вызовет неисправность других цепей.

Ⅲ Классификация

1. Параллельный кварцевый генератор

Параллельный кварцевый генератор показан на рисунке. Транзистор VT и R1, R2, R3, R4 образуют усилительную цепь; C3 — шунтирующий конденсатор переменного тока, что эквивалентно короткому замыканию для сигналов переменного тока; X1 представляет собой кристалл кварца, что эквивалентно индуктивности в цепи.Из эквивалентной схемы переменного тока видно, что схема представляет собой емкостной трехточечный генератор, C1, C2 и X1 составляют схему выбора частоты. Частота выбора частоты в основном определяется X1, а частота близка к fp.

Рисунок 5. Параллельный кварцевый генератор

Процесс генерации в цепи: после включения питания транзистор VT включается, и через VT протекает изменяющийся ток Ic, который содержит слабые сигналы различных частот от 0 до ∞.Эти сигналы добавляются в схему выбора частоты, образованную C1, C2 и X1, и схема выбора частоты выбирает из нее сигнал f0. Напряжение сигнала f0 присутствует на обоих концах X1, C1 и C2, а напряжение сигнала f0 на обоих концах C2 подается обратно и усиливается между базой и эмиттером VT. После усиления выходной сигнал добавляется в схему выбора частоты. Напряжение сигнала на обоих концах C1 и C2 увеличивается, и напряжение на обоих концах C2 снова отправляется на базу-эмиттер ТН.Неоднократно, чем больше выходной сигнал VT. Чем больше значение, тем постепенно уменьшается увеличение схемы усиления VT. Когда увеличение схемы усиления равно коэффициенту ослабления цепи обратной связи, амплитуда выходного сигнала остается стабильной и не увеличивается, и сигнал отправляется в другие схемы.

2. Последовательный кварцевый генератор

Последовательный кварцевый генератор показан на рисунке. В генераторе используется двухкаскадная схема усиления.Помимо формирования цепи обратной связи кварцевый кристалл X1 также имеет функцию выбора частоты. Частота выбора частоты f0 = fs, и потенциометр RP1 используется для регулировки амплитуды сигнала обратной связи.

Рисунок 6. Последовательный кварцевый генератор

3. Классификация кварцевых генераторов

Кварцевые кварцевые генераторы делятся на кварцевые генераторы без температурной компенсации, кварцевые генераторы с температурной компенсацией (TCXO), управляемые напряжением кварцевые генераторы (VCXO), кварцевые генераторы с духовым управлением (OCXO) и кварцевые генераторы с цифровой / & mu; p-компенсацией (DCXO / MCXO) и т. д.Среди них кварцевый генератор без температурной компенсации является самым простым, который в японских промышленных стандартах (JIS) называется стандартным кварцевым генератором (SPXO).

① Кварцевый генератор, управляемый печью. Кварцевый генератор, управляемый печью (OCXO), представляет собой кварцевый генератор, который использует ванну с постоянной температурой для поддержания постоянной температуры кварцевого генератора или кварцевого генератора и снижает до минимума изменение выходной частоты генератора, вызванное изменением температуры окружающей среды. , как показано на рисунке.В OCXO некоторые помещают кварцевый генератор только в ванну с постоянной температурой, некоторые помещают кварцевый генератор и связанные с ним важные компоненты в ванну с постоянной температурой, а некоторые помещают кварцевый генератор во внутреннюю ванну с постоянной температурой. Колебательный контур помещен во внешнюю ванну с постоянной температурой для температурной компенсации, и реализован метод двойного контроля ванны с постоянной температурой. Использование ванны с пропорционально регулируемой постоянной температурой может повысить температурную стабильность кристалла более чем в 5000 раз и сохранить стабильность частоты генератора не менее 1 & times; 10-9.OCXO в основном используется в оборудовании и инструментах, таких как базовые станции мобильной связи, национальная оборона, навигация, частотомеры, анализаторы спектра и сети. OCXO состоит из схемы управления термостатической ванной и схемы генератора. Обычно люди используют дифференциальный последовательный усилитель, состоящий из термисторного «моста», для регулирования температуры. Колебательный контур Клаппа с автоматической регулировкой усиления (АРУ) — идеальное техническое решение для получения высокой стабильности частоты колебаний.За последние годы технический уровень OCXO значительно улучшился.

Рис. 7. Внешний вид кварцевого генератора с термокомпенсацией

② Кварцевый генератор с температурной компенсацией. Кварцевый генератор с температурной компенсацией (TCXO) — это кварцевый генератор, который снижает величину изменения частоты колебаний, вызванного изменением окружающей температуры, с помощью дополнительной схемы температурной компенсации, как показано на рисунке.В TCXO в основном используются два типа методов компенсации дрейфа частоты и температуры кварцевого генератора: прямая компенсация и косвенная компенсация:

Рисунок 8. Кварцевый генератор с регулируемой температурой

a. Тип прямой компенсации. Тип прямой компенсации TCXO представляет собой схему температурной компенсации, состоящую из термистора и резистивно-емкостного элемента, который последовательно соединен с кварцевым кварцевым генератором в генераторе.При изменении температуры сопротивление термистора и емкость эквивалентной последовательной емкости кристалла соответственно изменяются, тем самым смещая или уменьшая температурный дрейф частоты колебаний. Схема компенсации проста, дешевая, экономит размер и место на печатной плате (PCB) и подходит для небольших, низковольтных и слаботочных устройств. Но когда требуется, чтобы точность кварцевого генератора была меньше & plusmn; 1 & times; 10-6, метод прямой компенсации не подходит.

б. Тип косвенной компенсации. Существует два типа косвенной компенсации: аналоговая и цифровая. Аналоговая косвенная температурная компенсация использует элементы, чувствительные к температуре, такие как термисторы, для формирования схемы преобразования температуры в напряжение, и подает напряжение на варакторный диод, подключенный последовательно с кварцевым генератором, и изменяет емкость последовательно через кварцевый генератор для компенсации нелинейности. дрейф частоты кварцевого генератора. Этот метод компенсации позволяет достичь высокой точности & plusmn; 0.5 & ​​times; 10-6, но оно ограничено в условиях низкого напряжения ниже 3 В. Цифровая косвенная температурная компенсация заключается в добавлении аналого-цифрового (A / D) преобразователя после схемы преобразования температуры-напряжения в аналоговую схему косвенной температурной компенсации для преобразования аналоговой величины в цифровую величину. Этот метод позволяет реализовать автоматическую температурную компенсацию, так что стабильность частоты кварцевого генератора очень высока, но конкретная схема компенсации более сложна, а стоимость также высока.Он подходит только для базовых станций и вещательных станций, требующих высокой точности.

③ Простой кварцевый генератор в корпусе. Простой кварцевый генератор в корпусе. (SPXO) — простой кварцевый генератор, обычно называемый тактовым генератором. Это кварцевый генератор, работа которого полностью осуществляется бескристаллическими колебаниями. Этот тип кристалла в основном используется в тех случаях, когда стабильность не требуется. На рисунке показан обычный кварцевый генератор.

④ Кварцевый генератор, управляемый напряжением. Кварцевый генератор, управляемый напряжением (VCXO), представляет собой кварцевый генератор, частота колебаний которого может быть изменена или модулирована путем подачи внешнего управляющего напряжения. В типичном VCXO частота кварцевого генератора обычно «вытягивается» путем изменения емкости варакторного диода путем настройки напряжения. VCXO позволяет регулировать частоту в широком диапазоне, а фактический диапазон тяги составляет около & plusmn; 200 & times; 10-6 или даже больше.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *