Что такое кварцевый генератор: КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР • Большая российская энциклопедия

alexxlabРазное

Содержание

Что такое кварцевый генератор? Применение пассивного кварцевого генератора и активного кварцевого генератора

Что такое кварцевый генератор? Применение пассивного кварцевого генератора и активного кварцевого генератора

В: Что такое кварцевый генератор?

О: Кварцевый генератор обычно относится к резонатору из кварцевого кристалла, который представляет собой электронный компонент, который использует пьезоэлектрический эффект кристалла кварца (также называемого кристаллом) для генерации высокоточных частот колебаний.

В: Какую роль в приложении играет кварцевый генератор?

О: Это самый важный компонент в схеме часов, и он в основном обеспечивает опорную частоту для микроконтроллера. В качестве опорного тактового сигнала для различных микропроцессорных чипов, кварцевый генератор эквивалентен сердцу микропроцессора. Без кварцевого генератора, микропроцессор чип не будет работать.

В: Что такое пассивный кварцевый генератор?

О: Пассивному кварцевому генератору нужен генератор в ЦП. Пассивный кварцевый генератор имеет только два контакта. Пассивный кварцевый генератор не имеет напряжения питания. Его уровень сигнала определяется схемой генератора и может изменяться. Один и тот же пассивный кварцевый генератор может применяться к различным напряжениям и может применяться к различным Требования к напряжению процессора. В целом цена на пассивные кварцевые генераторы относительно невысока, среди продукции гражданского назначения большинство из них представляют собой пассивные кварцевые генераторы с целью снижения стоимости готовой продукции.

Пассивный кварцевый генератор

Недостатки пассивных кварцевых генераторов: качество сигнала низкое, и обычно требуется точное согласование периферийных цепей (конденсаторы, индуктивности, сопротивления для согласования сигналов и т. Д.), А также необходимо соответствующим образом настроить схемы периферийной конфигурации при замене кристаллов с разными частотами. Как правило, рекомендуется использовать кристаллы кварца высокой точности, по возможности не использовать кристаллы керамики низкой точности.

Опорная схема пассивного кварцевого генератора

В: Что такое активный кварцевый генератор?

A: Активный кварцевый генератор — это законченный генератор с кварцевым кристаллом, транзисторами и компонентами сопротивления и емкости. Корпус активного кварцевого генератора имеет 4 контакта: VCC (напряжение), GND (земля), OUT (выход тактового сигнала) и NC (пустой контакт).

Активный кристалл

Активный кварцевый генератор не требует внутреннего генератора ЦП, сигнал стабильный, качество лучше, а способ подключения относительно прост (в основном, для хорошей фильтрации мощности, обычно конденсатор и катушка индуктивности используются для формирования сети фильтров, а выходной конец фильтруется с помощью небольшого резистора сопротивления Сигнала достаточно), сложной схемы конфигурации не требуется.

цепи опорного активного кристалла

 

Интеллектуальная рекомендация

Использование и подробное объяснение интерфейсов Iterator и Iterable

Использование и подробное объяснение интерфейсов Iterator и Iterable Базовым интерфейсом класса Java-коллекции является интерфейс Collection. Интерфейс Collection должен наследовать интерфейс java.lan…

Android определяет, есть ли у текущего устройства прокси

В основном он предназначен для чтения информации о конфигурации Wi-Fi через отражение, но прокси-сервер не может быть изменен с версии 6.0, и разрешения будут проверены, и только разрешения системного…

CCF1007 Рассчитайте остаток

Примечание. Здесь следует отметить, что в C -языковом количестве плавучих точек нет остаточного оператора….

Различные системы для достижения загрузки и самообслуживания

Недавно я был барабанами все виды интрасетей, почти все клиенты обслуживания +, сервер открыт 24 часа, поэтому вам не нужно сделать статью, но клиент должен загружаться от загрузки, например, Включите…

PHP файл искаженное решение

1. Проверьте, является ли формат кодировки проекта UTF-8 2. Добавьте следующий код в начале страницы 3. Если это файл PHP со смесью HTML и PHP, вам нужно<head>Под меткой добавьте следующий код:. ..

Вам также может понравиться

Springboot генерирует токены и перехватывает токены (не перехватывается при регистрации)

1. Создать токен Когда пользователи регистрируются: 2. Перехватить токен и освободить от перехвата при регистрации Когда пользователь запрашивает, cookie несет маркер,     2.1PassportInterce…

12.9 Неделя 4

D — Problem D Time limit1000 ms Memory limit32768 kB Учитывая три стороны, оцените, можете ли вы образовать треугольник. Input Первая строка входных данных содержит число M, за ней следуют M строк, ка…

Реализация протокола маршрутизации RIP

Введение В Data.txt есть ссылка в Data.txt, общая сеть N1-N7, с 6 маршрутизаторами R1-R6. Содержание выглядит следующим образом: N1 R1 N2 N2 R2 N3 N3 R3 N4 N4 R4 N5 N5 R5 N6 N6 R6 N7 Определите класс …

(C #) Шаблон фабричного метода

1. Шаблон заводского метода Сначала интерфейс для создания объектов, пусть подкласс решает, какой класс создать. Заводской метод откладывает создание экземпляра класса для его подклассов. * Шаблон фаб…

Провинциальная специальная практика CTSC2017 Gefftte

Обратите внимание, что номер 2 Когда острый! Найдите правила (n&m)==m Перепечатано: https://www.cnblogs.com/leo-jam/p/10079257.html…

Кварцевые генераторы и сфера их применения

По мере развития электроники все большую роль в аппаратуре начинает играть цифровая техника. Никакие мало-мальски технически сложные устройства, будь то спутниковый ресивер либо схема управления электродвигателем, не обходятся без микропроцессорных узлов, и в них все большую роль играют электронные компоненты, отвечающие за генерацию тактовой частоты: ведь от этого зависит и надежность управляющей системы, и точность показаний измерительного прибора, и устойчивость работы связного передатчика.

Бурный прогресс в электронике и смежных отраслях привел к тому, что появился новый тип прибора, предназначенного для генерации сигналов с высокой стабильностью. Если рассмотреть схемы многих цифровых (и не только) устройств, то легко заметить, что достаточно распространенными являются узлы генерации частоты.

Естественно, если подобный узел достаточно часто приходится включать в устройство, то вполне логичным ходом является разработка унифицированного модуля, предназначенного как раз для генерации сигнала.

Эти готовые функционально законченные узлы представляют собой резонатор со схемой генерации, усиления и формирования выходного сигнала, помещенные в герметичный корпус. Такой электронный прибор, как правило, не требует большого количества дополнительных элементов обвязки и отличается широким диапазоном исполнений. Если рассматривать корпуса, то тут существует масса исполнений — от полноразмерного DIL-14 до сверхминиатюрных SMD толщиной 1 мм (рис.1). Есть полностью экранированные приборы с заземленным корпусом, есть приборы в керамическом корпусе, существуют и устройства в пластмассовом корпусе — для недорогой техники. Наиболее известными производителями генераторов в мире являются Epson, Ralton, Jauch и Hosonic.

Рис. 1 Корпусы кварцевых генераторов

Генераторы выпускаются во всем разнообразии возможных требований к выходному сигналу: есть генераторы, работающие со стандартной ТТЛ-логикой, с выходным сигналом с КМОП-уровнем для экономичных устройств, а есть и такие, которые выдают на выходе чистую синусоиду, как, например, некоторые генераторы компании Morion. Существует достаточно много видов кварцевых генераторов, имеющих различные функциональные возможности и области применения. В первую очередь стоит отметить отключаемые генераторы, которые имеют управляющий вывод для переключения их в третье высокоимпендансное состояние, благодаря чему появляются довольно широкие возможности для управления генератором. Например, с помощью управляющего вывода можно организовать режим stand-by в том случае, когда необходимо отключить генерацию, либо же в целях снижения энергопотребления устройства.

Типичный представитель — серия генераторов HO-26 производства корпорации Hosonic, способная выдавать КМОП-сигнал с частотой до 125 МГц.

Для кварцевых резонаторов наиболее критичным параметром является стабильность тактовой частоты. Для некоторых устройств, таких, как системы связи, навигации, точной настройки и точного времени, допуск по стабильности, которым обладают типовые резонаторы, уже не удовлетворяет как класс. Следовательно, возникла потребность вдругих приборах, обладающих совершенно другими характеристиками стабильности. Так что же это закомпоненты?

Одна из бурно развивающихся ветвей отрасли — VCXO, генераторы, управляемые напряжением. Эти приборы обладают отличительной особенностью — возможностью изменения тактовой частоты в зависимости от напряжения на управляющем входе (диапазон подстройки может составлять от200 ppm), что открывает широкие возможности для настройки и калибровки вплоть до использования в качестве PLL-генератора. Производством подобных приборов занимается компания Hosonic. Они выпускаются в различных исполнениях —от типового генератора в стандартном корпусе VC-61 досверхминиатюрного компонента для SMD-монтажа VC-S толщиной менее 2 мм.

Частота генератора может изменяться от множества внешних факторов и наиболее критичным здесь является изменение температуры. Теоретически можно взять VCXO и подключить к нему через калибровочный вход схему, которая будет отслеживать изменения через внешний датчик и выдавать некий компенсационный сигнал на выходе, но никакому разработчику не хочется себе лишней головной боли, а стабильность генерации критична… Здесь назревает еще одно техническое решение — термокомпенсированные генераторы напряжения. Они уже содержат схему компенсации температурного дрейфа частоты, при этом точность может достигать значений вплоть до 0,5 ppm. Более того, термостатированные генераторы работают в более широком диапазоне температур, нежели их нетермостатированные собратья — работоспособность сохраняется при температуре вплоть до –60 °С. Термостатированные генераторы обладают еще одним достоинством— меньшим временем выхода на режим (стабильная частота устанавливается за несколько секунд). Существуют различные разновидности генераторовтермостатов, втом числе приборы со схемой термической стабилизации и генераторы сустройствами подогрева кварцевого кристалла. Для высокоточной аппаратуры разработаны ультрапрецизионные генераторы, которые имеют выдающиеся характеристики по стабильности и не менее выдающуюся стоимость.

Еще одно из направлений в разработке кварцевых генераторов — так называемые программируемые генераторы. Суть в следующем: часто производители имеют в своей номенклатуре сотни позиций с различными значениями тактовых частот, но все равно всвязи с появлением новых разработок есть потребность в том, чтобы расширять линейку продуктов, и все это требует ресурсов и времени. А если появляется какая-либо новая разработка и необходимо срочно ее внедрять, то тут-то можно и воспользоваться программируемым осциллятором. Не менее эффективно их использовать в качестве генераторов на нестандартные частоты в малых партиях приборов. Такие компоненты выпускает, например, фирма Epson. Так, серия SG-8002CA может работать с частотами от 1 до 125 МГц при типовом значении стабильности 50 ррm (рис.2).

Рис. 2 Кварцевый генератор

Следующий виток эволюции — еще более интересное устройство VCXO со схемой умножения частоты для работы на более высоких частотах, нежели стандартный потолок для подобного рода приборов (125 МГц). Например, очень интересный генератор MLO80100 выпускает фирма M/A-COM, входящая в концерн Tyco Electronics. Этот прибор может работать на частотах 920–950МГц, перестраиваясь в этом диапазоне при температурном дрейфе всего 0,06МГц/°С. Прибор выпускается в виде гибридного экранированного модуля под бескорпусный монтаж (рис.3).

Рис. 3 Кварцевый генератор

Устройство позиционируется производителем как эффективное решение для систем связи и телеметрии. Эта же компания производит синтезаторы частоты, по сути дела являющиеся гипертрофированными VCXO (рис.4). Они содержат схему стабилизированного генератора, устройство умножения частоты с программируемым коэффициентом умножения, несколько петель обратной связи для калибровки и устройство управления генерацией. Типичный представитель таких устройств — синтезатор частоты для CDMA базовых станций MLS9203-01815 счастотным диапазоном работы 1780–1850МГц. Он имеет шаг перестройки частоты всего 50кГц (рис. 5). У фирмы M/A-COM есть целая линейка подобного рода приборов для работы в составе различных высокочастотных устройств: абонентских базовых станций, беспроводных сетей, систем навигации и т.п. Частотный диапазон работы компонентов лежит в интервале от 30 МГц до 2,5 ГГц. Более подробно схемотехнику и особенности этих элементов мы предполагаем описать вотдельной статье.

Рис. 4

Рис. 5

Итак, существует устойчивая тенденция кразвитию кварцевых резонаторов и интеграции их с другими электронными блоками. При использовании кварцевых генераторов и им подобных компонентов появляется хорошая возможность упростить схему устройства, уменьшить количество дискретных элементов, и как следствие, резко повысить надежность разрабатываемого прибора. Следуя общей тенденции интеграции электронных блоков (в особенности это касается подстраиваемых генераторов и синтезаторов частоты), подобные компоненты существенно улучшают как массо-габаритные характеристики разрабатываемых устройств, так и их технический уровень.

  1. http://www.hosonic.com/index_frequency.htm.
  2. http://www.morion.com.ru/russian/contact/.
  3. http://www.murata.com/ceralock/index.html.
  4. http://www.raltron.com/products/clocks/default.asp.
  5. http://www.macom.com/parametric/parametable.jsp?id=Synthesizers.

КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ SMD

Кварцевые генераторы это источники опорной частоты и тактового сигнала во многих электронных схемах. Следовательно, они должны быть точными и стабильными. Конечно «идеальный» генератор существует только в теории, поэтому проблема состоит в том, чтобы выбрать правильный компонент, отвечающий требованиям конструкции. Радиолюбителю необходимо найти компонент, который обеспечивает баланс между производительностью, стоимостью, стабильностью, размером, мощностью, размерами и интерфейсом для связанных схем. Для этого нужно понимать как работает кварцевый генератор и его основные характеристики.

Как работают кварцевые генераторы

В КГ используется пьезоэлектрический резонатор с высокой добротностью, который является частью резонансного контура и включен в контур обратной связи. Используемый элемент и технология его изготовления определяют электрические и механические параметры.

Кристалл кварца с пьезоэлектрическим эффектом действует как стабильный и точный резонансный элемент с высокой добротностью

Много лет генераторы создавались с использованием ламп, затем транзисторов и теперь интегральных микросхем. Схема была адаптирована к так называемому углу среза кристалла кварца и его характеристикам, а также необходимым параметрам применения. В настоящее время попытки самостоятельно сконструировать кварцевые генераторы очень редки, поскольку получение хороших результатов требует времени и точного измерительного оборудования. Вместо этого просто покупаем небольшой готовый модуль SMD, который содержит как кварцевый резонатор, так и схему генератора и выходной драйвер. Это снижает затраты и время на разработку, и гарантирует получение элемента с известными параметрами.

Кстати, радиолюбители часто используют слово «кварц», хотя на самом деле говорят обо всей схеме генератора. Обычно это не проблема, поскольку предполагаемое значение можно понять из контекста. Но иногда это может привести к путанице, поскольку можно также купить кварцевый резонатор как отдельный компонент, а затем добавить к нему отдельно схему генератора.

Параметры кварцевых генераторов

Производительность кварцевого генератора определяется набором важных параметров, таких как:

Рабочая частота – может быть от десятков кГц до сотен МГц. Генераторы для высоких частот, то есть выше основного диапазона резонатора, например в диапазоне гигагерц, обычно используют контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) в качестве умножителя для увеличения основной частоты.

Стабильность частоты – определяет отклонение выходной частоты от исходного значения из-за внешних условий, поэтому чем оно меньше, тем лучше. Есть много факторов которые влияют на стабильность генерируемой частоты, и многие производители указывают их в спецификациях, например изменение температуры по сравнению с номинальной частотой при 25?C. К другим факторам относятся долговременная стабильность к старению, а также влияние процесса пайки, колебания напряжения и изменения выходной нагрузки. Для высокоточных продуктов она обычно выражается в частях на миллион (ppm) или частях на миллиард (ppb) в зависимости от номинальной выходной частоты.

Джиттер во временной области и фазовый шум в частотной области – два равных параметра, характеризующих одни и те же недостатки

Фазовый шум и джиттер – два показателя одного класса производительности. Фазовый шум характеризует колебания в частотной области, а джиттер во временной. Фазовый шум обычно определяется как отношение шума в полосе частот 1 Гц при определенном сдвиге частоты fM к амплитуде сигнала генератора на частоте fO. Фазовый шум ухудшает точность, разрешение и отношение сигнал / шум (SNR) в синтезаторах частот, в то время как джиттер вызывает ошибки синхронизации и, таким образом, способствует увеличению частоты ошибок по битам (BER) при передаче данных.

Фазовый шум рассеивает спектр генерируемой частоты и отрицательно влияет на разрешение и отношение сигнал / шум

Джиттер (под этим словом имеется ввиду дрожание фронтов) во временной области вызывает ошибки выборки в аналого-цифровых преобразователях, также влияет на отношение сигнал / шум (SNR) и результаты последующего анализа сигналов в частотной области с использованием быстрого преобразования Фурье (FFT).

К примеру семейство генераторов MultiVolt ECS обеспечивает базовую стабильность до ± 20 ppm, а версии SMV – до ± 5 ppm. Еще лучше продукты TCXO со стабильностью ± 2,5 ppm в версии с выходами HCMOS и ± 0,5 ppm для моделей с так называемыми выходами усеченной синусоиды.

Фазовый шум и джиттер всегда являются важным критерием выбора в усовершенствованном проектировании и должны учитываться при оценке ошибок. Обратите внимание, что существует множество типов джиттера, включая абсолютный, межцикловый, фазовый, долговременный и периодический. Для фазового шума также существуют различные диапазоны и типы интеграции, включая белый и другие шумы.

Понимание специфики колебаний частоты и фазового шума в генераторе и того, как они влияют на производительность, часто может быть проблемой. Также важно иметь хорошее представление о различных определениях параметров, используемых производителями для количественной оценки характеристик генератора и оценки общей погрешности.

Тип выходного сигнала и выходной драйвер – должны быть адаптированы к нагрузке. Две популярные топологии конфигурации выходов – несимметричная и дифференциальная.

Различные конфигурации выхода генератора

Генераторы с несимметричным выходом проще в использовании, но они более чувствительны к шуму и обычно подходят только до нескольких сотен мегагерц. Среди типов выходов доступны следующие драйверы:

  • TTL с логикой от 0,4 до 2,4 В,
  • CMOS от 0,5 до 4,5 В,
  • HCMOS (быстрая CMOS) от 0,5 до 4,5 В,
  • LVCMOS (низковольтная CMOS) от 0,5 до 4,5 В.

Дифференциальные выходы труднее использовать, но они обеспечивают лучшую производительность на высоких частотах, так как шум, общий для дифференциальных трактов, нейтрализуется. Типы дифференциальных выходов:

  • PECL от 3,3 до 4,0 В,
  • CML от 0,4 до 1,2 В и от 2,6 до 3,3 В,
  • LVPECL (низковольтный PECL) от 1,7 до 2,4 В,
  • LVDS от 1,0 до 1,4 В,
  • HCSL от 0,0 до 0,75 В

Форма выходного сигнала генератора может быть классической одночастотной синусоидальной волной или синусоидальной волной с обрезанными пиками. Чистый синус наименее подвержен дрожанию и колебаниям по сравнению с версией с ограничением компаратора, поскольку он добавляет шум и дрожание и, таким образом, ухудшает качество. А подрезанная синусоида похожа на прямоугольную волну и может быть напрямую введена в цифровую логику.

Усеченная синусоида имеет форму прямоугольной волны с небольшим дрожанием или фазовым шумом

Напряжение и ток питания: потребление энергии значительно снизилось в последние годы, напряжение питания становится ниже, что соответствует потребностям современных устройств с батарейным питанием. Большинство генераторов могут работать с напряжением питания 1,8, 2,5, 3,0 и 3,3 В.

Размер корпуса: корпуса генератора также становятся меньше. Многие производители сохраняют стандартные размеры для версии с несимметричным выходом (для которой требуется только четыре контакта), в то время как версии с дифференциальным выходом имеют шесть контактов и, следовательно, более крупные корпуса с размерами: 1612 1,6 х 1,2 мм, 2016 2,0 х 1,6 мм, 2520 2,5 х 2,0 мм, 3225 3,2 х 2,5 мм, 5032 5,0 х 3,2 мм, 7050 7,0 х 5,0 мм.

Диапазон температур. Наибольшее влияние на работу генераторов оказывает температура. Даже если потребляемая мощность мала и самонагревание практически незначительно, температура окружающей среды влияет на рабочую частоту, поскольку эти изменения влияют на механические размеры и силы механического напряжения в кристалле кварца. Важно проверить работу выбранного генератора на крайних значениях ожидаемых диапазонов.

Для некоторых конструкций учитывается не только стабильность как функция температуры, но и необходимость удовлетворения других требований к надежности. Например, ECS-2016MVQ – миниатюрный SMD-генератор с выходом HCMOS с напряжением от 1,7 до 3,6 В. Керамический корпус размера 2016 (2,0 х 1,6 мм) имеет высоту всего 0,85 мм. Он разработан для требовательных промышленных устройств и сертифицирован AEC-Q200 (автомобильная промышленность) класса 1. Он доступен с частотами от 1,5 до 54 МГц с четырьмя степенями стабильности, от ± 20 до ± 100 частей на миллион в диапазоне от -40°C до + 85°С. Его фазовый джиттер очень мал, всего 1 пс в диапазоне от 12 кГц до 5 МГц.

Чипы ECS-2016MVQ и ECS-TXO-32CSMV – кварцевый генератор с обрезанной синусоидой на выходе и встроенной температурной компенсацией

Кварцы TCXO имеют более сложную конструкцию по сравнению с базовой версией, но потребляют значительно меньше энергии, чем OCXO со встроенным нагревателем, который обычно требует нескольких ватт. Кроме того, TCXO лишь немного больше, чем некомпенсированный блок, и значительно меньше, чем OCXO.

ECS-TXO-32CSMV – это пример TCXO с синусоидальным выходом в корпусе SMD из серии MultiVolt (питание от 1,7 до 3,465 В), доступный для диапазона частот от 10 до 52 МГц. Керамический корпус размером 3,2 x 2,5 x 1,2 мм идеально подходит для портативных и беспроводных устройств, где стабильность имеет решающее значение. Спецификация говорит об очень высокой температурной стабильности, с изменениями напряжения питания, различной нагрузкой и старением, а также низким потреблением тока ниже 2 мА.

Низкое энергопотребление в КГ

Мобильная электроника и область Интернета вещей (IoT) создают большой спрос на низкочастотные кварцевые генераторы, необходимые для схем с чрезвычайно низким энергопотреблением. Для таких целей подходит микросхема ECS-327MVATX в SMD-версии (корпуса с 2016 по 7050) с фиксированной частотой 32,768 кГц. Она потребляет всего 200 мкА и имеет выход CMOS. Она идеально подходит для использования с часами реального времени (RTC) и Интернетом вещей, обеспечивая стабильность частоты в диапазоне от ± 20 ppm до ± 100 ppm в диапазоне температур от -40 до + 85 C.

Чтобы свести к минимуму энергопотребление, многие генераторы допускают отключение. Например, ECS-5032MV с выходом CMOS в керамическом корпусе 5032. Дополнительный блокирующий контакт позволяет снизить ток питания с 35 мА в активном состоянии до 10 мкА в состоянии ожидания. Время запуска 5 мс.

В общем решение о выборе правильного кварцевого генератора – это больше, чем очевидное рассмотрение частоты, питания, стабильности и фазового шума. Разработчик также должен убедиться, что драйвер КГ совместим с нагрузкой. Вот несколько общих рекомендаций:

  • Для выхода LVDS требуется только один согласующий резистор в приемнике сигнала, в то время как LVPECL требует его как в передатчике, так и в приемнике.
  • LVDS, LVPECL и HCSL обеспечивают более крутые наклоны, чем CMOS, но потребляют больше энергии и лучше всего подходят для высокочастотных проектов.
  • CMOS или LVDS – лучший выбор для самого низкого энергопотребления на частотах выше 150 МГц.
  • LVPECL, LVDS, затем CMOS обеспечивают самый небольшой джиттер на низких частотах.

Справочник по кварцевым генераторам

А здесь вы можете скачать PDF справочник по современным кварцевым генераторам, включая их характеристики и подробное описание.

Форум

Кварцевые генераторы — Генераторы — Основы электроники

Генераторы

Кварцевые генераторы — это генераторы, в которых кристалл специальной огранки управляет частотой. Кристаллы представляют собой тонкие листы или пластины, вырезанные из пьезоэлектрического материала. и отшлифовать до определенной толщины, чтобы получить желаемая резонансная частота. Кристаллы обладают характеристикой, известной как пьезоэлектрический эффект . Пьезоэлектрический эффект — это свойство кристалла, благодаря которому механически силы производят электрические заряды и, наоборот, электрические заряды производят механические силы. Этот эффект представляет собой форму колебаний, аналогичную эффект маховика баковой цепи.

Кристаллы установлены в держателях, поддерживающих их физически и обеспечивают электроды, с помощью которых подается напряжение. Держатель должны обеспечивать свободу кристаллов для вибрации. Кварцевый генератор обычно используется для получения выход, который является очень стабильным и на очень точной частоте. Кристалл можно использовать с емкостной схемой или он может работать отдельно.

Пьезоэлектрический эффект можно наблюдать в ряде кристаллических веществ. Среди них кварц, сегнетовая соль и турмалин. Хотя кварц не проявляет пьезоэлектрический эффект в такой степени что сегнетова соль делает, кварц используется для управления частотой в генераторах из-за большей механической прочности. Турмалин физически силен как кварц; но поскольку он более дорогой, он не используется широко в качестве устройство определения частоты. Это обсуждение будет касаться только кварца. кристалл.

Фактор Q кристалла во много раз больше, чем у контур бака LC. Высокий Q присутствует, потому что сопротивление в кристалл маленький. Коммерчески производимые кристаллы обычно варьируются в диапазоне Q от от 10 4 до 10 6 . Высокий Q вызывает стабильность частоты быть намного больше, чем у обычной схемы бака LC. Это причина кристалл используется во многих схемах генератора синусоидального сигнала.

Величина тока, которая может безопасно пройти через кварц, составляет ограниченный. При превышении номинального тока амплитуда механического вибрация становится слишком большой, и кристалл может треснуть. Перегрузка кристалла влияет на частоту вибрации, потому что рассеиваемая мощность и кристалл повышение температуры с увеличением тока нагрузки.

Кристаллы как настроенные схемы

Частота, до которой отшлифован кристалл, называется собственная резонансная частота кристалла. Напряжение, подаваемое на кристалл производит механические колебания, которые, в свою очередь, создают выходное напряжение при собственная резонансная частота кристалла. Вибрирующий кристалл может быть представлена ​​эквивалентной электрической цепью, состоящей из емкости, индуктивность и сопротивление.

На рисунке ниже вид (А) иллюстрирует символ кристалла; вид (Б) показана эквивалентная схема для кристалла. Конденсатор C S , индуктор L С , и резистор R S на виде (Б) представляют электрические аналог кристалла кварца. C P представляет собой емкость между металлическими пластинами держатель кристалла.

Кварцевый кристалл и эквивалентная схема.

Емкость держателя C P примерно в 100 раз больше велика, как вибрационная емкость, C S , самого кристалла. Наличие как последовательных, так и параллельных резонансных частот выявляется характеристика импеданса в зависимости от частоты типичного кристалла кварца показано на рисунке ниже. Эта кривая очень острая, что указывает на высокий уровень В . На практике установлено, что соотношение L / C эквивалента контур чрезвычайно велик по сравнению с контуром обычного бака. Для большинства кристаллов разница в частоте между f P и f S очень мал по сравнению с резонансным рядом частота кристалла.

Частотная характеристика кристалла.

В зависимости от характеристик схемы кристалл может действовать как конденсатор, индуктор, последовательный резонансный контур или параллельный резонансный контур. При последовательном резонансе ( f S ) емкости C S и индуктивность L S , у кристалла минимум полное сопротивление и резонансная частота контура генератора определяется только механическими вибрационными характеристиками кристалла. Выше резонанса последовательный резонансный контур действует индуктивно , а ниже резонанса его действует емкостно .

Последовательная резонансная частота кристалла определяется как

Выше частоты последовательного резонанса ( f S ) индуктивная реактивное сопротивление индуктивности L S больше емкостного реактивное сопротивление емкости C S . Комбинация ( L S и C S ) отображается как результирующая индуктивность. Эта чистая индуктивность образует параллельный резонансный контур с емкостью C P и любая емкость цепи, появляющаяся на кристалле. Параллельный резонансный контур имеет максимум импеданс на параллельно-резонансной частоте. Ниже резонанса параллельный резонансный контур действует индуктивно , а над резонансом его действует емкостно .

Параллельная резонансная частота кристалла определяется как

Генератор Армстронга с кварцевым управлением

Генератор Армстронга с кварцевым управлением (см. рисунок ниже) использует последовательно-резонансный режим работы кристалл и работает аналогично базовый генератор Армстронга с настроенным коллектором. Повышенная стабильность частоты достигается при вставке кристалл на пути обратной связи. Однако частота в основном фиксируется кристалл. Для получения генератора с переменной частотой использовались различные кристаллы можно включить в цепь. Переменный конденсатор C 1 марка схема настраивается на выбранную частоту кристалла.

Осциллятор Армстронга, управляемый кристаллом.

Рекуперативная обратная связь от коллектора к базе осуществляется через взаимную индуктивность. между обмотками трансформатора Т 1 . Это обеспечивает необходимый фазовый сдвиг на 180 градусов для сигнала обратной связи. Резисторы R B , R 1 и R C обеспечивают напряжения смещения базы и коллектора. Конденсатор С Е обходит колебания переменного тока вокруг эмиттерного резистора R E . На частотах выше и ниже последовательно-резонансной частоты выбранного кристалла, импеданс кристалла увеличивается и уменьшается количество сигнал обратной связи. Это, в свою очередь, предотвращает колебания при частот, отличных от частоты последовательного резонанса.

Кварцевый осциллятор типа Колпитца

Этот генератор использует кварцевый блок в качестве параллельного резонансного контура. это модифицированный Осциллятор Колпитца, который был описан ранее. Они работают так же, за исключением того, что кристалл единица заменяет катушку индуктивности основного генератора Колпитца.

Кварцевый генератор типа Колпитца, конфигурация с общим эмиттером.

На рисунке выше показана конфигурация генератора Колпитца с общим эмиттером. с обратной связью от коллектора к базе. Резисторы в схеме обеспечивают надлежащие условия смещения и стабилизации. Кристаллический блок и конденсаторы C 1 и C 2 определить выходную частоту генератора. Конденсаторы С 1 и C 2 образуют делитель напряжения для этой цепи. Сигнал, полученный в точке А, не совпадает по фазе с сигналом на 180 градусов. в точке B. Следовательно, сигнал в точке B может быть возвращен на базу Q в качестве регенеративного сигнала обратной связи для поддержания колебания.

Эталон кварцевого генератора

Эталон кварцевого генератора

Кварцевый генератор (иногда сокращенно XTAL на принципиальных схемах) представляет собой электронную схему, в которой используется механический резонанс физического кристалла из пьезоэлектрического материала вместе с усилителем и обратной связью для создания электрического сигнала с очень точной частотой. Это особенно точная форма электронного генератора. Эта частота используется для отслеживания времени (как в кварцевых наручных часах), для обеспечения стабильного тактового сигнала для цифровых интегральных схем и для стабилизации частот для радиопередатчиков. Кварцевые генераторы являются обычным источником сигналов времени и частоты. Используемый в нем кристалл иногда называют «синхронизирующим кристаллом».

Кристаллы для измерения времени

Кристалл представляет собой твердое тело, в котором составляющие атомы, молекулы или ионы упакованы в правильно упорядоченном, повторяющемся образце, простирающемся во всех трех пространственных измерениях.

Почти любой объект из эластичного материала можно использовать как кристалл с соответствующими преобразователями, поскольку все объекты имеют естественные резонансные частоты вибрации. Например, сталь очень эластична и имеет высокую скорость звука. Его часто использовали в механических фильтрах до кварца. Резонансная частота зависит от размера, формы, упругости и скорости звука в материале. Высокочастотные кристаллы обычно имеют форму простой прямоугольной пластины. Низкочастотные кристаллы, используемые, например, в цифровых часах, обычно имеют форму камертона. Для приложений, не требующих очень точной синхронизации, вместо кварцевого кристалла часто используется недорогой керамический резонатор.

Когда кристалл кварца правильно вырезан и установлен, его можно заставить изгибаться в электрическом поле, прикладывая напряжение к электроду рядом с кристаллом или на нем. Это свойство известно как пьезоэлектричество. Когда поле удаляется, кварц будет генерировать электрическое поле, возвращаясь к своей прежней форме, и это может генерировать напряжение. В результате кварцевый кристалл ведет себя как цепь, состоящая из катушки индуктивности, конденсатора и резистора, с точной резонансной частотой.

Еще одним преимуществом кварца

является то, что его размер очень мало меняется в зависимости от температуры. Следовательно, резонансная частота пластины, зависящая от ее размера, также сильно не изменится. Это означает, что кварцевые часы, фильтр или осциллятор останутся точными. Для критически важных приложений кварцевый осциллятор монтируется в контейнере с регулируемой температурой, называемом кварцевой печью, а также может быть установлен на амортизаторах, чтобы предотвратить возмущение от внешних механических вибраций.

Кварцевые времязадающие резонаторы изготавливаются для частот от нескольких десятков килогерц до десятков мегагерц. Ежегодно производится более двух миллиардов (2 × 109) кристаллов. Большинство из них представляют собой небольшие устройства для наручных часов, часов и электронных схем. Однако кристаллы кварца также встречаются внутри испытательного и измерительного оборудования, такого как счетчики, генераторы сигналов и осциллографы

.

Кристаллы и частота

Схематическое обозначение и эквивалентная схема для кварцевого резонатора в генераторе

Схема кварцевого генератора поддерживает колебания, принимая сигнал напряжения от кварцевого резонатора, усиливая его и возвращая обратно в резонатор. Скорость расширения и сжатия кварца является резонансной частотой и определяется огранкой и размером кристалла.

Обычный кристалл времени содержит две электропроводящие пластины, между которыми зажат срез или камертон кристалла кварца. Во время запуска схема вокруг кристалла подает на него случайный шумовой сигнал переменного тока, и чисто случайно крошечная доля шума будет на резонансной частоте кристалла. Таким образом, кристалл начнет колебаться синхронно с этим сигналом. По мере того, как генератор усиливает сигналы, выходящие из кристалла, частота кристалла становится сильнее, в конечном итоге преобладая на выходе генератора. Естественное сопротивление в цепи и кристалл кварца отфильтровывают все нежелательные частоты.

Одной из наиболее важных особенностей кварцевых генераторов является то, что они могут демонстрировать очень низкий фазовый шум. Другими словами, сигнал, который они производят, представляет собой чистый тон. Это делает их особенно полезными в телекоммуникациях, где необходимы стабильные сигналы, и в научном оборудовании, где необходимы очень точные привязки ко времени.

Выходная частота кварцевого генератора представляет собой либо основной резонанс, либо кратное резонансу, называемое частотой обертона.

Типичная добротность кварцевого генератора находится в диапазоне от 104 до 106. Максимальную добротность кварцевого генератора с высокой стабильностью можно оценить как Q = 1,6 × 107/f, где f — резонансная частота в МГц.

Изменения окружающей среды температуры, влажности, давления и вибрации могут изменить резонансную частоту кварцевого кристалла, но есть несколько конструкций, которые уменьшают эти воздействия окружающей среды. К ним относятся TCXO, MCXO и OCXO (определение приведено ниже). Эти конструкции (особенно OCXO) часто создают устройства с превосходной кратковременной стабильностью. Ограничения кратковременной стабильности в основном связаны с шумом от электронных компонентов в цепях генератора. Долговременная стабильность ограничена старением кристалла.

Из-за старения и факторов окружающей среды, таких как температура и вибрация, даже самые лучшие кварцевые генераторы трудно поддерживать в пределах одной 10-10 номинальной частоты без постоянной регулировки. По этой причине атомные генераторы используются в приложениях, требующих большей долговременной стабильности и точности.

Хотя кристаллы могут быть изготовлены для любой желаемой резонансной частоты в технологических пределах, на практике сегодня инженеры проектируют схемы кварцевых генераторов для относительно небольшого числа стандартных частот, таких как 10 МГц, 20 МГц и 40 МГц. Используя делители частоты, умножители частоты и схемы фазовой автоподстройки частоты, можно синтезировать любую желаемую частоту из опорной частоты.

Необходимо соблюдать осторожность, чтобы использовать только один источник кварцевого генератора при проектировании схем, чтобы избежать малозаметных режимов отказа метастабильности в электронике. Если это невозможно, количество отдельных кварцевых генераторов, PLL и связанных с ними доменов тактовых импульсов должно быть строго сведено к минимуму с помощью таких методов, как использование подразделения существующих тактовых импульсов вместо нового кварцевого источника. Каждый новый отдельный источник кристаллов должен быть строго обоснован, поскольку каждый из них вносит в оборудование новые трудно отлаживаемые вероятностные режимы отказа из-за множественных взаимодействий кристаллов.

Последовательный или параллельный резонанс

Кварцевый резонатор обеспечивает как последовательный, так и параллельный резонанс. Последовательный резонанс на несколько кГц ниже параллельного. Кристаллы ниже 30 МГц обычно работают в режиме параллельного резонанса, что означает, что импеданс кристалла кажется бесконечным. Таким образом, любая дополнительная емкость цепи будет снижать частоту. Чтобы параллельный резонансный кристалл работал на заданной частоте, электронная схема должна обеспечивать общую параллельную емкость, указанную производителем кристалла.

Кристаллы с частотой выше 30 МГц (до >200 МГц) обычно работают в режиме последовательного резонанса, когда импеданс оказывается минимальным и равен последовательному сопротивлению. По этой причине указывается последовательное сопротивление (<100 Ом) вместо параллельной емкости. Для верхних частот кристаллы работают на одном из своих обертонов, представленном как основной кристалл, 3-й, 5-й или даже 7-й обертон. Электронные схемы генератора обычно содержат дополнительные LC-схемы для выбора желаемого обертона кварца.

Побочные частоты

Для кристаллов, работающих в последовательном резонансе, могут возникать значительные (и зависящие от температуры) паразитные отклики. Эти отклики обычно появляются на несколько десятков кГц выше желаемого последовательного резонанса. Даже если последовательные сопротивления на паразитных резонансах окажутся выше, чем на нужной частоте, генератор может заблокироваться на паразитной частоте (при некоторых температурах). Как правило, этого можно избежать, используя схемы генератора с низким импедансом для увеличения разности последовательных сопротивлений.

Обозначение

На электрических принципиальных схемах резонаторы обозначаются буквой класса «Y» (Y1, Y2 и т. д.) Генераторы, будь то кварцевые генераторы или другие, обозначаются буквой класса «G» (G1, G2 и т. д. ) (См. IEEE Std 315-1975 или ANSI Y32.2-1975). устарели.

Типы кварцевых генераторов и их сокращения:

MCXO — кварцевый генератор с компенсацией микрокомпьютера

OCVCXO — кварцевый генератор с печным управлением, управляемый напряжением

OCXO — кварцевый генератор с печным управлением

RbXO — Генераторы на кристалле рубидия (RbXO).

TCVCXO — кварцевый генератор с температурной компенсацией и регулируемым напряжением

TCXO — кварцевый генератор с температурной компенсацией

VCXO — кварцевый генератор, управляемый напряжением

Весь текст доступен на условиях лицензии GNU Free Documentation License.