- Kvartsikide ja sen vastaava piiri
- Kristallilähtöimpedanssi taajuutta vastaan
- Kristallireaktio taajuutta vastaan
- Q-kerroin kvartsikidälle:
- Esimerkki kvartsi-kristalloskillaattorista laskennalla
- Colpitts Crystal Oskillaattori
- Pierce Crystal -oskillaattori
- CMOS-oskillaattori
- Kellon toimittaminen mikroprosessorille kiteitä käyttämällä
Edellisissä RC-vaihesiirtooskillaattori- ja Wein Bridge -oskillaattorioppaissamme saamme oikeudenmukaisen kuvan siitä, mikä on oskillaattori. Oskillaattori on mekaaninen tai elektroninen rakenne, joka tuottaa värähtelyä muutamasta muuttujasta riippuen. Asianmukainen hyvä oskillaattori tuottaa vakaa taajuus.
RC (vastus-kondensaattori) tai RLC (vastus-induktori-kondensaattori) oskillaattoreiden tapauksessa ne eivät ole hyvä valinta, kun tarvitaan vakaa ja tarkka värähtely. Lämpötilan muutokset vaikuttavat kuormaan ja virtalähteeseen, mikä puolestaan vaikuttaa oskillaattoripiirin vakauteen. Vakautta voidaan parantaa tietylle tasolle RC- ja RLC-piirien tapauksessa, mutta parannus ei silti ole riittävä erityistapauksissa.
Tällaisessa tilanteessa käytetään kvartsikideä. Kvartsi on mineraali, joka koostuu pii- ja happiatomeista. Se reagoi, kun kvartsikiteelle syötetään jännitelähde. Se tuottaa ominaisuuden, joka tunnistetaan pietsosähköiseksi vaikutukseksi. Kun jännitelähde kohdistetaan sen yli, se muuttaa muotoaan ja tuottaa mekaanisia voimia, ja mekaaniset voimat palaavat takaisin ja tuottavat sähkövarausta.
Kun se muuntaa sähköenergian mekaaniseksi ja mekaaniseksi sähköiseksi, sitä kutsutaan muuntimiksi. Nämä muutokset tuottavat erittäin vakaan värähtelyn, ja pietsosähköinen vaikutus tuottaa vakaan värähtelyn.
Kvartsikide ja sen vastaava piiri
Tämä on Crystal Oscillator -symboli. Kvartsikide on valmistettu ohuesta kvartsikiekkopalasta, joka on asennettu tiiviisti kahden kontrolloidun metalloidun pinnan väliin. Metalloidut pinnat tehdään sähköliitäntöjä varten, ja kvartsifysikaalista kokoa ja tiheyttä sekä paksuutta hallitaan tiukasti, kun muodon ja koon muutokset vaikuttavat suoraan värähtelytaajuuteen. Kun se on muotoiltu ja ohjattu, tuotettu taajuus on kiinteä, perustaajuutta ei voida muuttaa muiksi taajuuksiksi. Tätä tietyn kiteen erityistä taajuutta kutsutaan ominaistaajuudeksi.
Yläkuvassa vasen piiri edustaa kvartsikiteen vastaavaa virtapiiriä, joka näkyy oikealla puolella. Kuten näemme, käytetään 4 passiivista komponenttia, kaksi kondensaattoria C1 ja C2 ja yksi induktori L1, vastus R1. C1, L1, R1 on kytketty sarjaan ja C2 kytketty rinnakkain.
Sarjapiiri, joka koostuu yhdestä kondensaattorista, yhdestä vastuksesta ja yhdestä induktorista, symboloi kiteen ja rinnakkaiskondensaattorin hallittua käyttäytymistä ja vakaa toimintaa, C2 edustaa piirin tai vastaavan kiteen rinnakkaista kapasitanssia.
Toimintataajuudella C1 resonoi induktanssin L1 kanssa. Tätä toimintataajuutta kutsutaan kiteiden sarjataajuudeksi (fs). Tämän sarjataajuuden ansiosta rinnakkaisresonanssilla tunnistettu toissijainen taajuuspiste. L1 ja C1 resonoivat myös rinnakkaiskondensaattorin C2 kanssa. Rinnakkainen Kondensaattori C2 usein kuvailee nimi C0 ja kutsutaan ohituskapasitanssi Quartz Crystal.
Kristallilähtöimpedanssi taajuutta vastaan
Jos käytämme reaktanssikaavaa kahdelle kondensaattorille, niin sarjakondensaattorille C1 kapasitiivinen reaktanssi on: -
X C1 = 1 / 2πfC 1
Missä, F = taajuus ja C1 = sarjan kapasitanssin arvo.
Sama kaava pätee myös rinnakkaiskondensaattoriin, rinnakkaiskondensaattorin kapasitiivinen reaktanssi on: -
X C2 = 1 / 2πfC 2
Jos näemme suhdekaavion lähtöimpedanssin ja taajuuden välillä, näemme impedanssin muutokset.
Yläkuvassa näemme kideoskillaattorin impedanssikäyrän ja myös sen, kuinka tämä kaltevuus muuttuu taajuuden muuttuessa. On kaksi pistettä, yksi on sarjaresonanssitaajuuspiste ja toinen on rinnakkainen resonanssitaajuuspiste.
Tällä sarjan resonanssitaajuuden kohta impedanssi on tullut pienin. Sarjakondensaattori C1 ja sarja-induktori L1 luovat sarjaresonanssin, joka on yhtä suuri kuin sarjavastus.
Joten tässä sarjan resonanssitaajuuspisteessä tapahtuu seuraavia asioita: -
- Impedanssi on pienin verrattuna muihin taajuuksiin.
- Impedanssi on yhtä suuri kuin sarjavastus.
- Tämän pisteen alapuolella kide toimii kapasitiivisena muotona.
Seuraavaksi taajuus muuttuu ja kaltevuus kasvaa hitaasti maksimipisteeseen rinnakkaisella resonanssitaajuudella, tällä hetkellä, ennen kuin saavutat rinnakkaisen resonanssitaajuuspisteen, kide toimii sarjainduktorina.
Saavutettuaan yhdensuuntaisen taajuuspisteen impedanssin kaltevuus saavuttaa maksimiarvon. Rinnakkaiskondensaattori C2 ja sarjainduktori luovat LC-säiliöpiirin ja siten lähtöimpedanssista tuli korkea.
Näin kide käyttäytyy induktorina tai kuin kondensaattori sarjassa ja rinnakkaisresonanssissa. Kristalli voi toimia näillä molemmilla resonanssitaajuuksilla, mutta ei samanaikaisesti. Se on viritettävä mihin tahansa tiettyyn toimintaan.
Kristallireaktio taajuutta vastaan
Piirin reaktiivisuus sarjassa voidaan mitata seuraavalla kaavalla: -
X S = R2 + (XL 1 - XC 1) 2
Missä R on vastuksen arvo
Xl1 on piirin sarjainduktanssi
Xc1 on piirin sarjakapasitanssi.
Piirin rinnakkaiskapasitiivinen reaktanssi on: -
X CP = -1 / 2πfCp
Piirin rinnakkainen reaktanssi on: -
Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp
Jos näemme kaavion, se näyttää tältä: -
Kuten ylemmästä kaaviosta voidaan nähdä, että sarjan reaktanssi sarjaresonanssipisteessä on kääntäen verrannollinen C1: ään, pisteessä fs - fp kide toimii induktiivisena, koska tässä vaiheessa kahdesta rinnakkaisesta kapasitanssista tulee merkityksetön.
Toisaalta kide on kapasitiivisessa muodossa, kun taajuus on fs- ja fp-pisteiden ulkopuolella.
Voimme laskea sarjan resonanssitaajuuden ja rinnakkaisresonanssitaajuuden käyttämällä kahta kaavaa -
Q-kerroin kvartsikidälle:
Q on lyhyt laadun muoto. Se on tärkeä osa kvartsikiteiden resonanssia. Tämä Q-kerroin määrittää Crystalin taajuuden vakauden. Yleensä kiteen Q-kerroin on alueella 20 000 - yli 100 000. Joskus myös kiteen Q-kerroin on yli 200 000 havaittavissa.
Kiteen Q-kerroin voidaan laskea seuraavalla kaavalla -
Q = X L / R = 2πfsL 1 / R
Missä, X L on induktorireaktanssi ja R on vastus.
Esimerkki kvartsi-kristalloskillaattorista laskennalla
Laskemme kvartsikiteiden sarjan resonanssitaajuuden, rinnakkaisen resonanssitaajuuden ja kiteen laatutekijän, kun seuraavat pisteet ovat käytettävissä -
R1 = 6,8R
C1 = 0,09970 pF
L1 = 3 mH
Ja C2 = 30 pF
Kiteen sarjaresonanssitaajuus on -
Crystalin rinnakkainen resonanssitaajuus, fp on -
Nyt voimme ymmärtää, että sarjan resonanssitaajuus on 9,20 MHz ja rinnakkaisresonanssitaajuus on 9,23 MHz
Q tekijä tämän kiteen aloitetaan siellä
Colpitts Crystal Oskillaattori
Kideoskillaattoripiiri, joka on rakennettu käyttämällä bipolaarista transistoria tai erityyppisiä FET: itä. Yläkuvassa näkyy colpitts-oskillaattori; kapasitiivinen jännitteenjakaja käytetään palautetta. Transistori Q1 on tavallisessa emitterikonfiguraatiossa. Ylemmässä piirissä R1 ja R2 käytetään transistorin esijännittämiseen ja C1: tä käytetään ohituskondensaattorina, joka suojaa kantaa radiotaajuuksilta.
Tässä kokoonpanossa kide toimii shuntina johtuen kerääjän ja maan välisestä yhteydestä . Se on rinnakkainen resonanssikokoonpano. Kondensaattoreita C2 ja C3 käytetään palautteena. Kide Q2 on kytketty rinnakkaisresonanssipiirinä.
Lähtövahvistus on tässä konfiguraatiossa pieni, jotta vältetään ylimääräinen tehohäviö kiteessä.
Pierce Crystal -oskillaattori
Toinen konfiguraatio, jota käytetään kvartsikiteoskillaattorissa, jossa transistori vaihdetaan JFET: ksi vahvistusta varten, jossa JFET: llä on erittäin suuret impedanssit, kun kide on kytketty Drain to Gate -laitteeseen kondensaattoria käyttämällä.
Ylempi kuva a Pierce Crystal Oscillator piiri on esitetty. C4 tarjoaa tarvittavan palautteen tässä oskillaattoripiirissä. Tämä palaute on positiivista palautetta, joka on 180 asteen vaihesiirto resonanssitaajuudella. R3 ohjaa palautetta ja kide tarjoaa tarvittavan värähtelyn.
Pierce-kideoskillaattori tarvitsee komponenttien vähimmäismäärän, ja siksi se on edullinen valinta, kun tilaa on rajoitetusti. Digitaalinen kello, ajastimet ja erilaiset kellot käyttävät lävistyskideoskillaattoripiiriä. Lähdön siniaallon amplitudihuipusta huippuarvoon rajoittaa JFET-jännitealue.
CMOS-oskillaattori
Perusoskillaattori, joka käyttää rinnakkaisresonanssikide-konfiguraatiota, voidaan valmistaa CMOS-invertterillä. CMOS-taajuusmuuttajaa voidaan käyttää vaaditun amplitudin saavuttamiseen. Se koostuu käänteisestä Schmitt-liipaisimesta, kuten 4049, 40106 tai transistori-transistorilogiikka (TTL) -piiristä 74HC19 jne.
Ylemmän kuvan 74HC19N käyttää, joka toimii Schmitt on kääntelemällä kokoonpano. Kide tarjoaa tarvittavan värähtelyn sarjaresonanssitaajuudella. R1 on CMOS: n takaisinkytkentävastus ja tarjoaa korkean Q-tekijän ja korkean vahvistuksen. Toinen 74HC19N on tehosterokotus, jotta kuormalle saadaan riittävä teho.
Taajuusmuuttaja toimii 180 asteen vaihesiirtolähdöllä ja Q1, C2, C1 tarjoavat lisää 180 asteen vaihesiirtoa. Värähtelyprosessin aikana vaihesiirto pysyy aina 360 astetta.
Tämä CMOS-kideoskillaattori tarjoaa neliöaaltolähdön. Suurin lähtötaajuus on kiinnitetty CMOS-taajuusmuuttajan kytkentäominaisuuksilla. Lähtötaajuutta voidaan muuttaa käyttämällä kondensaattoreita ja vastusarvoja. C1: n ja C2: n on oltava samat arvoissa.
Kellon toimittaminen mikroprosessorille kiteitä käyttämällä
Koska kvartsikideoskillaattorin monipuolinen käyttö sisältää digitaalikellot, ajastimet jne., Se on myös sopiva valinta vakaan värähtelykellon aikaansaamiseksi mikroprosessorin ja suorittimien yli.
Mikroprosessori ja prosessori tarvitsevat vakaan kellotulon toimiakseen. Kvartsikiteitä käytetään laajalti näihin tarkoituksiin. Kvartsikide tarjoaa suuren tarkkuuden ja vakauden verrattuna muihin RC- tai LC- tai RLC-oskillaattoreihin.
Yleensä kellotaajuutta käytetään mikro-ohjaimelle tai CPU vaihtelee välillä KHz - Mhz. Tämä kellotaajuus määrittää, kuinka nopeasti prosessori voi käsitellä tietoja.
Tämän taajuuden saavuttamiseksi sarjakidettä, jota käytetään kahden samanarvoisen kondensaattoriverkon kanssa, käytetään kyseisen MCU: n tai CPU: n oskillaattoritulon poikki.
Tässä kuvassa voimme nähdä, että kaksi kondensaattoria sisältävä kristalli muodostaa verkon ja on kytketty mikro-ohjainyksikön tai keskusyksikön yli OSC1- ja OSC2-tulotappien kautta. Yleensä kaikki mikro-ohjaimet tai prosessorit muodostavat tämän kaksi nastaa. Joissakin tapauksissa käytettävissä on kahden tyyppisiä OSC-nastoja. Yksi on ensisijainen oskillaattori kellon muodostamiseksi ja toinen toissijainen oskillaattori, jota käytetään muissa sekundaarisissa töissä, joissa tarvitaan toissijaista kellotaajuutta. Kondensaattorin arvo vaihtelee välillä 10 pF - 42 pF, kaikkea muuta kuin 15pF, 22pF, 33pF käytetään laajasti.