Как работает кварцевый генератор. Кварцевый генератор и резонатор: принцип работы, устройство и применение

Что такое кварцевый генератор и резонатор. Как устроены эти электронные компоненты. Каков принцип их работы. Где применяются кварцевые генераторы и резонаторы. Каковы их основные характеристики и преимущества.

Что такое кварцевый резонатор и генератор

Кварцевый резонатор — это электронный компонент, основой которого является пластинка, вырезанная из кристалла кварца. Благодаря пьезоэлектрическому эффекту, открытому братьями Кюри в 19 веке, такая пластинка способна совершать механические колебания с очень стабильной частотой при подаче на нее электрического напряжения.

Кварцевый генератор — это электронное устройство, использующее кварцевый резонатор для генерации высокостабильных электрических колебаний. Генератор включает в себя кварцевый резонатор и дополнительные электронные компоненты для поддержания колебаний и формирования выходного сигнала.

Устройство кварцевого резонатора

Основные элементы кварцевого резонатора:

• Пластинка из кристалла кварца специальной формы и огранки
• Металлические электроды, нанесенные на поверхность кварцевой пластинки
• Держатель, фиксирующий кварцевую пластинку
• Герметичный корпус (металлический или стеклянный)

Размеры, форма и ориентация среза кварцевой пластинки определяют частоту колебаний резонатора. Чем тоньше пластинка, тем выше частота. Для получения разных частот применяются различные типы срезов кристалла кварца.

Принцип работы кварцевого резонатора

Принцип работы кварцевого резонатора основан на пьезоэлектрическом эффекте кварца:

1. При подаче переменного напряжения на электроды кварцевая пластинка начинает деформироваться, совершая механические колебания.
2. Частота этих колебаний определяется собственной резонансной частотой кварцевой пластинки.
3. Механические колебания пластинки в свою очередь вызывают появление переменного электрического напряжения на электродах.
4. Возникает положительная обратная связь, поддерживающая стабильные колебания.

Благодаря высокой добротности кварца (104-106) частота колебаний оказывается очень стабильной.

Устройство кварцевого генератора

Типичный кварцевый генератор содержит следующие основные элементы:

• Кварцевый резонатор
• Усилитель для поддержания колебаний
• Цепь положительной обратной связи
• Выходной буферный каскад
• Элементы подстройки частоты (опционально)
• Схема термостабилизации (в прецизионных генераторах)

Кварцевый резонатор является частотозадающим элементом. Остальная схема обеспечивает поддержание колебаний и формирование выходного сигнала нужной формы и мощности.

Основные характеристики кварцевых генераторов

Ключевые параметры кварцевых генераторов:

• Частота выходного сигнала — от единиц кГц до сотен МГц
• Стабильность частоты — до 10^-12 у лучших образцов
• Температурная стабильность — до 10^-10 на 1°C
• Долговременная стабильность — до 10^-10 в сутки
• Фазовые шумы — до -180 дБн/Гц
• Выходная мощность — обычно единицы-десятки мВт

Эти характеристики делают кварцевые генераторы незаменимыми во многих областях применения.

Преимущества кварцевых генераторов

Основные достоинства кварцевых генераторов по сравнению с другими типами:

• Очень высокая стабильность частоты
• Низкий уровень фазовых шумов
• Малые габариты и энергопотребление
• Простота конструкции
• Низкая стоимость (для массовых применений)
• Широкий диапазон рабочих частот
• Возможность прецизионной подстройки

Эти преимущества обеспечивают кварцевым генераторам лидирующие позиции в качестве источников опорных частот.

Области применения кварцевых генераторов

Кварцевые генераторы широко используются в следующих областях:

• Телекоммуникационное оборудование
• Системы спутниковой навигации
• Измерительные приборы
• Радиолокационные системы
• Вычислительная техника
• Цифровые устройства
• Системы синхронизации
• Электронные часы

Практически ни одно современное электронное устройство не обходится без кварцевого генератора в качестве источника тактовых импульсов или опорной частоты.

Типы кварцевых генераторов

Существует несколько основных разновидностей кварцевых генераторов:

• Простые генераторы (XO) — без температурной компенсации
• Термокомпенсированные генераторы (TCXO) — с электронной коррекцией температурной нестабильности
• Термостатированные генераторы (OCXO) — с термостабилизацией кварцевого резонатора
• Генераторы с цифровой подстройкой частоты (DCXO)
• Генераторы, управляемые напряжением (VCXO)

Выбор типа генератора определяется требованиями к стабильности частоты и условиями эксплуатации.

Как выбрать кварцевый генератор

При выборе кварцевого генератора следует учитывать следующие факторы:

1. Требуемая частота выходного сигнала
2. Необходимая стабильность частоты
3. Допустимый уровень фазовых шумов
4. Диапазон рабочих температур
5. Требования к долговременной стабильности
6. Необходимость подстройки частоты
7. Форма выходного сигнала (синусоидальный или прямоугольный)
8. Требуемая выходная мощность
9. Габариты и тип корпуса
10. Напряжение питания

Правильный выбор генератора обеспечит оптимальное соотношение характеристик и стоимости для конкретного применения.

Перспективы развития кварцевых генераторов

Несмотря на появление новых типов высокостабильных генераторов, кварцевые генераторы продолжают совершенствоваться. Основные направления развития:

• Повышение рабочих частот до единиц ГГц
• Улучшение температурной и долговременной стабильности
• Снижение уровня фазовых шумов
• Миниатюризация конструкции
• Снижение энергопотребления
• Расширение функциональных возможностей

Это позволяет кварцевым генераторам оставаться востребованными во многих областях современной электроники.

Кварцевый резонатор принцип работы

Что такое кварц

На самом деле, кварц  – это один из самых распространенных минералов  в земной коре.

Если полупроводниковые радиокомпоненты в основном делают из кремния, то кварц также состоит из кремния, но в связке с кислородом.

Его формула SiO2.

Выглядит он примерно вот так:

Кварцевый резонатор

Резонатор – (от лат. resono –  звучу в ответ, откликаюсь) – это система, которая способна совершать колебания с максимальной амплитудой, то есть резонировать, при воздействии внешней силы определенной частоты и формы. 

Кварцевые резонаторы выглядят в основном вот так:

 

Что такое обертоны

Обертоны, или как еще их называют, моды или гармоники – это кратные частоты, выше основной частоты кварца.

С помощью фильтров гасят основную частоту кварца и выделяют обертон.

В кварцевом резонаторе в режиме обертонов используют нечетные обертоны.

Если основная частота кварца F – это первый обертон, то его рабочие обертоны будут как 3F, 5F, 7F, 9F.  Стоит также отметить, что амплитуда обертона убывает с ростом его частоты, поэтому далее 9 обертона смысла брать уже нет, так как выделять амплитуду маленького сигнала очень трудно.

Обозначение кварца на схеме

Кварц является диэлектриком. А что будет если тонкий диэлектрик разместить между двумя металлическими пластинами? Получится конденсатор! Конденсатор получается очень маленькой емкости, так что замерить его емкость вряд ли получится. Зато не стали мудрить со схемотехническим обозначением кварца, и на схемах его показывают как прямоугольный кусочек кристалла, заключенный между двумя пластинками конденсатора:

Принцип работы кварца

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

С – это собственно емкость между обкладками конденсатора. То есть если убрать кристалл кварца, то останутся две пластины и их выводы. Именно они и обладают этой емкостью.

С1 – это динамическая емкость самого кристалла. Динамическая – это значит проявляется при работе кварца. Ее значение несколько фемтоФарад. Фемто – это 10-15 !

L1 – это динамическая индуктивность кристалла. Она может достигать несколько тысяч Генри!

R1 – динамическое сопротивление, при работе кварца может достигать от нескольких Ом и до нескольких КилоОм

Можно заметить, что С1, L1 и R1 образуют последовательный колебательный контур, который обладает своей резонансной частотой.

Принцип работы кварцевого резонатора такой: если к обкладкам кварцевого резонатора подвести переменное напряжение, то  его пластинка начнет колебаться с частотой подведенного напряжения.

Если подведенная частота  будет совпадать с собственной резонансной частотой колебания кварца, то наступит резонанс.

Напряжение на обкладка кварца резко возрастает. В этом случае кварцевый резонатор ведет себя, как настроенный на определенную частоту колебательный контур с очень высокой добротностью.

Каждый кварц имеет разные частоты последовательного и параллельного резонанса.

Если мы видим на кварце вот такую надпись

это говорит нам о том, что на частоте последовательного резонанса мы можем возбудить этот кварц на частоте 8 Мегагерц.

В основном кварц работает на частоте последовательного резонанса.

Здесь также есть еще одно правило: если частота маркируется в целых числах в Килогерцах – это работа на основной гармонике, а если в Мегагерцах через запятую – это обертонная гармоника.

Например: РГ-05-18000кГц – резонатор для работы на основной частоте, а РГ-05-27,465МГц – для работы на 3-ем обертоне.

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Кварцевые генераторы

Кварцевые генераторы   Относительная нестабильность частоты автогенераторов, выполняемых на резонаторах в виде LC-контуров, обычно не ниже 10-3. ..10-4. Стабильность частоты генератора существенно зависит от добротности и стабильности колебательной системы. Добротность LC-контура обычно не выше 200…300. К современным радиопередатчикам и приемникам предъявляются более высокие требования по стабильности частоты. Обычно требуется долговременная относительная нестабильность частоты не хуже чем 10 -6…10-8, что можно обеспечить, применяя кварцевые резонаторы. Добротность кварцевых резонаторов во много раз превышает добротность резонаторов на LC-контурах и составляет 104…106.   Существует много схем кварцевых автогенераторов. Поэтому возникла необходимость рассмотреть наиболее часто применяемые на практике схемы. Общепринятая эквивалентная схема кварцевого резонатора изображена на рис.1. Динамическая индуктивность Ls, динамическая емкость Cs и сопротивление потерь Rs обусловлены наличием прямого и обратного пьезоэффекта и резонансными свойствами пьезоэлемента. Параллельная емкость Ср обусловлена межэлектродной емкостью пьезоэлектрика, емкостью корпуса и монтажа. Резонансная частота динамической ветви называется частотой последовательного резонанса кварцевого резонатора Fs. Добротность кварцевого резонатора Q определяется динамической ветвью в соответствии с формулой для последовательного колебательного контура Q =(2pFsLs)/Rs   Частота параллельного резонанса Fp несколько выше Fs, что обусловлено параллельным резонансом Ср, Cs и Ls. Важным параметром кварцевого резонатора является отношение его параллельной емкости к динамической, обозначаемое г и называемое емкостным коэффициентом r=Cc/Cs   По разным литературным источникам, емкостной коэффициент для АТ-среза кварца равен 220…250. Учитывая, что Cs/Cp<0,1, можно пользоваться приближенным выражением для частоты параллельного резонанса Fp=Fs(1+(Cs/2Cp)). Для емкостного коэффициента г>25 резонансный интервал, определяемый как разность между частотами параллельного и последовательного резонансов кварцевого резонатора, можно записать в виде dF=Fs/2r. На механических гармониках кварцевого резонатора резонансный интервал уменьшается и определяется выражением dFn=Fs/(2rn2), где n — номер гармоники.   Емкостной коэффициент определяет величину резонансного промежутка резонатора, следовательно, девиацию частоты управляемого кварцевого генератора, стабильность частоты при изменении параметров схемы, условия возникновения и поддержания колебаний в схеме кварцевого автогенератора. Для оценки способности кварцевого резонатора возбуждаться, в некоторых схемах кварцевых генераторов используют параметр, называемый фактором качества. Он определяется как отношение добротности резонатора к его емкостному коэффициенту м=Q/r.   Для кварцевых резонаторов значения М лежат в пределах от 1 до 10000. При М<2 реактивное сопротивление резонатора оказывается положительным (емкостным) и не имеет области индуктивной реакции. Следовательно, возбуждение такого резонатора в схемах кварцевых генераторов, требующих индуктивной реакции, становится невозможным. При М>2 резонатор имеет область индуктивной реакции, и чем больше значение М, тем эта область шире. На практике шире всего распространены два вида кварцевых генераторов: а) генераторы, в которых кварцевый резонатор является частью колебательного контура и эквивалентен индуктивности; б) генераторы, в которых кварцевый резонатор включен в цепь обратной связи, используется как узкополосный фильтр и эквивалентен активному сопротивлению.   Кварцевые генераторы, в которых кварцевый резонатор используется в качестве элемента контура с индуктивной реакций, называют осцилляторными, а генераторы, в которых кварцевый резонатор включен в цепь обратной связи, называют генераторами последовательного резонанса.   Осцилляторная схема кварцевого генератора с кварцем между коллектором и базой, выполненная по схеме с заземленным эмиттером (емкостная трехточка) приведена на рис.2.   В настоящее время емкостная трехточка находит широкое применение в диапазоне частот до 22 МГц при работе резонатора на основной частоте, и до 66 МГц при возбуждении на третьей механической гармонике (рис.3). Автогенератор с кварцевым резонатором между коллектором и базой в схеме с заземленным по высокой частоте эмиттером, не склонен к паразитным колебаниям на ангармонических обертонах, имеет превосходную стабильность частоты при изменении питающего напряжения и температуры окружающей среды.   Влияние изменений реактивных параметров транзистора, зависящих от напряжения питания и времени,ослабляется с ростом емкостей С1, СЗ (рис.2), т.е. с приближением рабочей частоты автогенератора к Fg. Однако чрезмерное увеличение емкостей приводит к ухудшению условий самовозбуждения. С другой стороны, с увеличением емкостей растет рассеиваемая на резонаторе мощность, что ведет к увеличению нестабильности генерируемой частоты. По техническим условиям рассеиваемая мощность на кварце ограничена 1…2 мВт. Однако в диапазоне частот 1…22 МГц при такой рассеиваемой мощности частота последовательного резонанса зависит от рассеиваемой мощности, а коэффициент пропорциональности составляет (0,5…2) •10-9 Гц/мкВт, поэтому для высокостабильных генераторов рассеиваемую мощность на резонаторе следует ограничить величиной 0,1…0,2 мВт.   На практике рекомендуется выбирать емкости С1, СЗ так, чтобы частота генерации отстояла от Fs не более чем на четверть резонансного интервала. При возбуждении кварцевого резонатора на нечетных механических гармониках кварца, вместо резистора R3 включают катушку индуктивности Lк (рис.3). На частоте генерации контур Lк-С4 должен иметь емкостное сопротивление, т.е. его резонансная частота должна быть ниже частоты генерации. Параметры контура следует выбирать так, чтобы его собственная частота составляла 0,7…0,8 от частоты генерации. В результате контур имеет емкостную проводимость на частоте необходимой гармоники, что исключает возможность генерации на низших гармониках и основной частоте.   В осцилляторных генераторах, работающих на частоте выше 22 МГц, резонатор обычно возбуждают на 3-й или 5-й гармонике, но не на более высоких, так как сильно сказывается влияние параллельной емкости. Чаще чем приведенная на рис.2, применяется емкостная трехточечная схема кварцевого генератора с кварцевым резонатором между коллектором и базой в схеме включения транзистора с заземленным коллектором (рис.4). Эта схема особенно удобна для генераторов с электронной перестройкой частоты (при включении последовательно с кварцем варикапа), и имеет меньшее количество блокировочных элементов, чем схема с заземленным эмиттером. Многие специалисты в области кварцевых генераторов считают емкостную трехточку наилучшей из всех схем кварцевых генераторов, работающих на основной или 3-й механической гармонике резонатора. Следует отметить, что существует схема емкостной трехточки, не содержащая индуктивности, которая возбуждается на 3-й и 5-й гармониках.    Puc.4Puc.5   Автогенератор с кварцем в контуре. Если в схеме на рис.4 последовательно с кварцем включить катушку индуктивности L1, это приведет к появлению новых свойств, т.е. в генераторе (рис.5) возможны автоколебания, не стабилизированные кварцевым резонатором. На высоких частотах, где реактивное сопротивление параллельной емкости резонатора меньше реактивного сопротивления динамической ветви кварцевого резонатора, возможно самовозбуждение через параллельную емкость Ср. Наличие индуктивности L1 означает возможность выполнения баланса фаз на   частоте последовательного резонанса, а также в некоторой области расстроек ниже частоты последовательного резонанса. Индуктивность L1 обеспечивает выполнение баланса фаз в условиях, когда М<2, и эквивалентное реактивное сопротивление кварца не может иметь индуктивный характер. Это значит, что генератор с кварцем в контуре может работать на более высоких частотах и более высоких номерах механических гармоник кварцевого резонатора. Для исключения паразитного самовозбуждения через параллельную емкость Ср, которое наиболее вероятно на высоких частотах и на высших механических гармониках, параллельно резонатору включают резистор R1, который вносит потери в контур паразитного самовозбуждения.   Снизить требования к активности кварцевого резонатора на механических гармониках можно при использовании схем генераторов последовательного резонанса. Так как при повышении частоты и номера гармоники активность кварцевого резонатора уменьшается из-за увеличения его эквивалентного сопротивления и повышения шунтирующего влияния статической (параллельной) емкости Ср, необходимо ее нейтрализовать или компенсировать. Нейтрализацию можно осуществить в мостовой схеме, где кварц помещают в одно из плеч сбалансированного моста.   Мостовой автогенератор последовательного резонанса. В схеме, приведенной на рис.6, при точном балансе моста (Ср=С2, ХL1-2=ХL2-3) обратная связь осуществляется только через динамическую ветвь резонатора. На механической гармонике кварцевого резонатора резко возрастает проводимость последовательной ветви резонатора, мост разбалансируется, и при соответствующем выборе элементов схемы генератор возбуждается. Контур L1-C3 должен быть настроен на частоту требуемой гармоники. Puc.6   В этой схеме удается возбудить кварцевые резонаторы на 5-й или 7-й гармониках. Схемы с нейтрализацией статической емкости резонатора весьма критичны к режиму работы и сложны в регулировке, хотя их можно применять на частотах до 100 МГц. Верхний предел частот генератора с нейтрализацией обусловлен трудностью получения большого эквивалентного сопротивления контура с ростом частоты, так как начальную емкость контура нельзя сделать малой из-за паразитных емкостей.   Схема Батлера (рис.7) характеризуется наибольшей устойчивостью к дестабилизирующим факторам в диапазоне до 100 МГц. Верхний предел генерируемых частот обусловлен ухудшением свойств эмиттерного повторителя. В схеме Батлера кварцевый резонатор включен в цепь обратной связи между эмиттерами транзисторов. Транзистор VT1 включен по схеме с общим коллектором, а транзистор VT2 — с общей базой. Недостатком этой схемы является склонность к паразитному самовозбуждению из-за связи выхода со входом через параллельную емкость кварца Ср. Для устранения этого явления параллельно кварцу подключают катушку индуктивности, образующую совместно с параллельной емкостью кварца резонансный контур, настраиваемый на частоту паразитного колебания. Puc.7   Автогенератор по схеме Батлера на одном транзисторе с компенсацией Ср. На частотах до 300 МГц целесообразно применять однокаскадные схемы фильтров, например, схему фильтра с общей базой (рис.8). По существу, такой автогенератор представляет собой однокаскадный усилитель, в котором контур соединен с эмиттером биполярного транзистора через кварцевый резонатор, выполняющий роль узкополосного фильтра. Контур, образованный параллельной емкостью кварца Ср и катушкой L2, настраивают на частоту используемой гармоники. С увеличением рабочей частоты возрастают эквивалентные проводимости транзистора, т.е. выполнение условий самовозбуждения ухудшается. Однако, несмотря на это, условия самовозбуждения этого автогенератора на высоких частотах выполняются легче, чем автогенераторов с кварцем между коллектором и базой и кварцем в контуре, что определяет его преимущество. Puc.8   В заключение необходимо отметить, что рассмотренные схемы кварцевых генераторов не исчерпывают всего многообразия схем генераторов, стабилизированных кварцевым резонатором, и на выбор схемы решающее влияние оказывают наличие кварцевых резонаторов с необходимыми эквивалентными параметрами, требования к выходной мощности, к мощности, рассеиваемой на резонаторе, долговременной стабильности частоты и др.   Немного о резонаторах. При выборе резонатора для генератора особое внимание следует обращать на добротность резонатора — чем она выше, тем стабильнее частота. Наибольшей добротностью обладают вакуумированные резонаторы. Но чем добротнее резонатор, тем он дороже. Часто встречаются резонаторы с большим уровнем побочных резонансов.   В СССР, кроме резонаторов из кварца, выпускались резонаторы из ниобата лития (с маркировкой РН или РМ), танталата лития (с маркировкой РТ) и из других пьезоэлектриков. Так как эквивалентные параметры таких резонаторов отличаются от параметров кварцевых резонаторов, они могут не возбуждаться в схемах, в которых отлично работают кварцы, хотя частота, маркированная на корпусе, может быть одинаковой. У них могут быть хуже стабильность частоты и точность настройки. Предприятия СССР, как правило, выпускали кварцевые резонаторы с основной частотой до 20…22 МГц, а выше — на механических гармониках. Это связано с устаревшей технологией обработки кварцевых пластин. Зарубежные предприятия выпускают кварцы с основной частотой 35 МГц. Ведущие зарубежные фирмы выпускают резонаторы в виде так называемой обратной мезаструктуры, работающие на объемных колебаниях сдвига по толщине, у которых частота первой гармоники достигает 250 МГц! Используя такие кварцевые резонаторы в схемах генераторов, в которых в качестве колебательных систем применяются системы с распределенными параметрами индуктивности и емкости, можно получить высокостабильные колебания вплоть до частоты 750 МГц без умножения частоты! О.БЕЛОУСОВ г. Ватутино, Черкасской обл. РЛ №6,7/2000 Источник: shems.h2.ru

Кварцевый генератор и резонатор: особенности и отличия

Братья Пьер и Жак Кюри еще в девятнадцатом веке открыли интересную особенность некоторых твердых кристаллов, например кварца. Она заключается в их способности вырабатывать электродвижущую силу при сжатии или напряжении, и наоборот, изменять свои размеры под действием электрического тока. Эта особенность известна под термином «пьезоэффект» и применяется во многих областях науки и техники. На ее основе построены и многие электронные компоненты современных цифровых и радиоприборов.

Немного об устройстве кварцевых генераторов и резонаторов

Эти элементы имеют широкое применение в системах:

• передачи информации;
• навигации;
• радиолокации;
• связи;
• телеметрии;
• вычислительной техники.

В них они служат источниками импульсов с высокой степенью стабильности, обеспечиваемой использованием в качестве резонатора кристалла кварца, от чего и получили свое название. Частота колебаний зависит от его размеров, формы, упругости, а также величины «пьезоэлектрической постоянной».

Электронный компонент состоит из кристалла, помещенного между двумя металлическими пластинами. Частота излучения импульсов имеет прямую зависимость от толщины кварцевой прослойки: чем она больше, тем ниже показатель.

На основе такого резонатора строится работа еще одного электронного устройства – генератора. Он, в свою очередь, способен производить различного вида колебания определенной частоты. При этом для подстройки кварцевого генератора в схему добавляется несколько элементов в виде пары конденсаторов, инвертора и резистора. Для получения различной частоты их параметры можно изменять, благодаря чему рабочие колебания способны находиться в диапазоне от 10 килогерц до 1 МГц. Таким образом, кварцевый резонатор является основным элементом одноименного генератора.

Последний способен выдавать два вида сигнала: синусоидальный и прямоугольный, причем чаще всего используется последний. А его стабильная частота требуется для работы многих более сложных радиотехнических и электронных устройств. Именно ее использование обеспечивает различным микропроцессорным узлам надежность и устойчивость работы.

Кварцевый генератор Википедия

Кварцевый генератор внутри микросборки формата DIP-микросхемы. Внутри находится печатная плата, тонкий круглый кварцевый резонатор с металлизированными обкладками сверху и снизу (находится слева на фотографии), микросхема и обвязка.

Ква́рцевый генера́тор — автогенератор электромагнитных колебаний с колебательной системой, в состав которой входит кварцевый резонатор. Предназначен для получения колебаний постоянной частоты с высокой температурной и временно́й устойчивостью, низким уровнем фазовых шумов.

Характеристики

Частота

Частота собственных колебаний кварцевого генератора может находиться в диапазоне от нескольких кГц до сотен МГц. Она определяется физическими размерами резонатора, упругостью и пьезоэлектрической постоянной кварца, а также тем, как вырезан резонатор из кристалла. Так как кварцевый резонатор является законченным электронным компонентом, его частоту можно изменять внешними элементами и схемой включения в очень узком диапазоне выбором резонансной частоты (параллельный или последовательный) или понизить параллельно включённым конденсатором. Существуют, однако, кустарные методики подстройки резонатора. Это целесообразно в случаях, когда желательно иметь несколько резонаторов с очень близкими параметрами. Для уменьшения частоты на кристалл кратковременно воздействуют парами иода (это увеличивает массу серебряных обкладок), для увеличения частоты обкладки резонатора шлифуют.

В 1997 году компания Epson Toyocom выпустила в свет серию генераторов SG8002, в конструктиве которых присутствуют блок подстроечных конденсаторов и два делителя частоты. Это позволяет получить практически любую частоту в диапазоне от 1 до 125 МГц. Однако данное достоинство неизбежно влечёт за собой недостаток — повышенный джиттер (фазовый шум). Цитата: Генератор с внутренними цепями фазовой автоподстройки частоты необходимо с предельной осторожностью применять в схемах, содержащих внешние цепи ФАПЧ.^[1]

Стабильность частоты

Колебания кварцевого генератора характеризуются высокой стабильностью частоты (10⁻⁵ ÷ 10⁻¹²), что обусловлено высокой добротностью кварцевого резонатора (10⁴ ÷ 10⁵).

Уровень фазовых шумов

У лучших генераторов спектральная плотность мощности фазовых шумов может быть менее −100 дБн/Гц на отстройке 1 Гц и менее −150 дБн/Гц на отстройке 1 кГц при выходной частоте 10 МГц.

Мощность

Мощность кварцевого генератора не превышает нескольких десятков милливатт^{[источник не указан 2440 дней]}. При более высокой мощности кристалл кварцевого резонатора может разрушиться из-за возникающих в нём сильных механических напряжений. На практике, при необходимости получения большей мощности от стабилизированного кварцевым резонатором генератора применяется усилитель.

Тип выходного сигнала

Генераторы могут изготавливаться как в модификации с синусоидальным выходным сигналом, так и с сигналом прямоугольной формы, совместимым по логическим уровням с одним из стандартов (TTL, CMOS, LVCMOS, LVDS и т. д.).

Наличие и тип термостабилизации

• термокомпенсированные (TCXO)
• термостатированные (OCXO, DOCXO)

Возможность перестройки частоты

• постоянной частоты
• частота управляется напряжением (VCXO)
• частота управляется цифровым кодом (NCXO)

Принцип работы

Внешнее напряжение на кварцевой пластинке вызывает её деформацию. А она, в свою очередь, приводит к появлению электрического заряда на поверхности кварца (пьезоэлектрический эффект). В результате этого механические колебания кварцевой пластины сопровождаются синхронными с ними колебаниями заряда на её поверхности, и наоборот.

Для обеспечения связи резонатора с остальными элементами схемы непосредственно на кварц наносятся электроды, либо кварцевая пластинка помещается между обкладками конденсатора.

Для получения высокой добротности и стабильности резонатор помещают в вакуум и поддерживают постоянной его температуру.

Примеры схемотехнической реализации

Использование

Кварцевый генератор на 14.3 МГц (слева) и генератор тактовых импульсов ICS 952018AF (справа)

Кварцевые генераторы используют для измерения времени (кварцевые часы, электронные часы), в качестве стандартов частоты. Кварцевые генераторы широко применяются в цифровой технике в качестве генераторов тактовых импульсов.

См. также

Примечания

Литература

• Смагин А. Г., Ярославский М. И. Пьезоэлектричество кварца и кварцевые резонаторы. — М.: «Энергия», 1970. — 488 с. — 6000 экз.

• Шитиков Г. Т., Цыганков П. Я., Орлов О. М. Высокостабильные кварцевые автогенераторы / Под ред. Г. Т. Шитикова. — М.: «Советское радио», 1974. — 376 с. — 11 300 экз.

• Альтшуллер Г. Б. Управление частотой кварцевых автогенераторов. — Изд. 2-е, перераб. и доп.. — М.: «Связь», 1975. — 304 с. — 7000 экз.

• Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. Н., Шакулин В. Г. Кварцевые генераторы: Справочное пособие. — М.: Радио и связь, 1984. — 232 с. — 27 000 экз.

Максимально эффективное использование вашего кристаллического осциллятора | Блоги

Марк Харрис

| & nbsp 6 января 2021 г.

По моему опыту, несколько расплывчатая информация, которую вы можете найти в типичном техническом описании кристалла, не позволяет инженеру быть полностью уверенным в том, что его проектные ожидания могут быть выполнены.С другой стороны, «слепое» принятие того, что говорится в техническом описании кристалла, обычно приводит к адекватной стабильности частоты. Если вы хотите проникнуть внутрь и выяснить, что происходит, вам нужно начать думать о кристалле как о фазосдвигающей сети. В конце концов, генератор требует, чтобы фазовый сдвиг вокруг контура составлял 360 °, и чтобы этот общий фазовый сдвиг был точной и стабильной частотой колебаний.

Каждый, кто разрабатывает кварцевый генератор, обычно имеет «стабильность частоты», близкую к вершине своего списка требований.Следовательно, все компоненты, используемые в схеме (не только кристалл), должны быть рассмотрены с учетом воздействия, которое они могут оказать.

В этой статье мы надеемся дать представление о том, как работает типичный кварцевый генератор, а затем показать некоторые конструктивные компромиссы, необходимые при выборе оптимальных значений нагрузочного конденсатора и сопротивления привода. Мы рассмотрим здесь генератор Пирса, потому что он почти исключительно используется микропроцессорами. Генератор Пирса полагается на кристалл (и связанные с ним компоненты) для создания фазового сдвига на 180 °, который добавляется к номинальному фазовому сдвигу на 180 °, создаваемому инвертирующим затвором.

Однако мы увидим, что инвертирующий затвор имеет значительную задержку распространения, что потребует от кристалла (вместе с его нагрузочными конденсаторами) работать с фазовым сдвигом, который несколько меньше 180 °, чтобы поддерживать колебания. Это может привести к чрезмерному рассеянию мощности кристалла, что особенно проблематично в генераторах с очень малой мощностью.

Были упомянуты нагрузочные конденсаторы

, и, судя по моему опыту, эта предметная область может вызвать путаницу у многих инженеров.Мы знаем, что нам нужны нагрузочные конденсаторы, потому что об этом говорится в таблице данных, и мы стараемся делать то, что указано в таблице. Но действительно ли большинство из нас понимает, почему они присутствуют и что они приносят на вечеринку? В технических паспортах кристаллов также есть привычка говорить о последовательном и параллельном резонансах, но где здесь резонанс и какое отношение он имеет к нагрузочной емкости? Итак, начнем с теоретического рассмотрения эквивалентной схемы кристалла.

Кристаллическая эквивалентная схема

Для этой статьи я исследовал несколько различных таблиц данных кристаллов и создал приблизительную «среднюю» эквивалентную схему.Значения схемы были изменены и в конечном итоге были выбраны так, чтобы последовательный резонанс был установлен точно на 10 МГц, что привело к следующим значениям:

Рисунок 1. Эквивалентная схема кристалла

Последовательный резонанс возникает, когда компоненты Ls и Cs имеют одинаковую величину импеданса, но, поскольку они также имеют противоположную полярность импеданса, их влияние нивелируется. Это означает, что левая ветвь оранжевого пунктирного прямоугольника при последовательном резонансе имеет полное сопротивление 20 Ом (Rs).Таким образом, при идеальном последовательном резонансе кристалл вышеуказанной схемы имеет импеданс 20 Ом параллельно с 5 пФ (Cp). Cp также является компонентом кристалла и обычно указывается в технических данных.

Позже мы покажем, что последовательный резонанс точно на 10 МГц приведет к фактической частоте колебаний, которая будет на несколько кГц выше. Это связано с тем, что генераторы Пирса не могут работать в своем истинном последовательном резонансе (но и не могут работать в своем параллельном резонансе).Они работают где-то между двумя значениями, но почти всегда ближе к последовательному, чем к параллельному резонансу.

Кристаллический резонанс

Если мы использовали хорошо известную формулу для резонансной частоты ( 1 / 2πr LsCs ), последовательная резонансная частота для эквивалентных компонентов, используемых в приведенной выше схеме, оказалась равной 10 000 000,1403 Гц (в пределах 1 Гц от 10 МГц). . Это выбранный «ориентир». Позже будет показано, что истинная частота колебаний немного выше и подвержена изменениям, вызванным емкостью нагрузки и задержками затвора.Однако на данный момент мы просто рассматриваем базовый кристалл и то, какое сопротивление он производит.

Итак, кристалл (на основе его эквивалентной схемы) при последовательном резонансе дает импеданс 20 Ом параллельно с 5 пФ. Если копнуть глубже, мы увидим, что конденсатор 5 пФ (Cp) на частоте 10 МГц имеет реактивное сопротивление 3183,1 Ом. Если пересчитать числа, это эквивалентно 19,999 Ом при фазовом угле импеданса менее 1 °, то есть все еще довольно близко к сопротивлению 20 Ом. Другими словами, эффект параллельного конденсатора (Cp) можно в значительной степени игнорировать в этой части анализа.

Однако это не та частота, на которой будет колебаться кристалл, когда он находится в типичной схеме генератора Пирса. Мы еще не достигли этой точки в пути. Помните, что из приведенного выше обсуждения нам нужно, чтобы кристалл и его нагрузочная емкость производили фазовый сдвиг на 180 °, а при чистом последовательном резонансе мы получаем только фазовый сдвиг около 1 °. Итак, что произойдет, если эквивалентную схему кристалла «протестировать» в небольшом диапазоне частот? Ниже приведены графики зависимости величины импеданса (синий) и фазового угла импеданса (красный) от частоты:

Рисунок 2.Графики величины импеданса (синий) и фазового угла импеданса (красный) в зависимости от частоты

Выбран частотный диапазон от 9,99 МГц до 10,01 МГц, и, если вы посмотрите на верхний синий график, вы увидите, что полное сопротивление составляет 20 Ом при точно 10 МГц (последовательный резонанс). Это явно совпадает со значением Rs, эквивалентного последовательного сопротивления.

Ниже 10 МГц фазовый угол (красный) довольно постоянен и составляет -90 °. Кристалл проецирует емкостное сопротивление. Сразу после 10 МГц фазовый угол переключился на + 90 °, и это явно индуктивное реактивное сопротивление.В диапазоне от 10 МГц до чуть ниже 10,004 МГц сопротивление неуклонно возрастает до пика, при этом сопротивление остается индуктивным при + 90 °.

На пике импеданса (506 кОм) мы имеем параллельный резонанс. Чтобы понять, что происходит, мы должны учитывать Cp в нашем мышлении; чистое индуктивное сопротивление, образованное Ls и Cs, параллельно резонирует с Cp. Выше 10,004 МГц сдвиг фазы возвращается до -90 °. Это емкостное сопротивление.

Есть две интересные области на приведенном выше графике импеданса при рассмотрении создания жизнеспособного генератора; это (а), когда реактивное сопротивление быстро изменяется с емкостного на индуктивное, и (б) при немного более высокой частоте, когда реактивное сопротивление снова изменяется с индуктивного на емкостное.Обе эти точки демонстрируют «сильное» изменение фазы при небольшом изменении частоты, и обе могут быть подходящими областями для использования при создании стабильного генератора.

Однако эти две точки примерно центрированы под углом импеданса 0 °, а не 180 °. Но вы должны быть в состоянии увидеть, что если кристалл может демонстрировать быстрое изменение фазового угла при крошечном сдвиге частоты, это начинает указывать на то, как его можно использовать в качестве стабильного компонента генератора. У вас может возникнуть соблазн подумать, что «конечно все знают, что кристаллы создают стабильные осцилляторы», однако один из пунктов этой статьи — разобрать то, что заставляет осциллятор Пирса «работать».Иногда это означает оправдание того, что может показаться очевидным.

Теперь нам нужно отойти от анализа импеданса кристалла и посмотреть, как мы можем заставить его работать как компонент внутри генератора Пирса. Мы можем видеть, что пункты (a) и (b) выше делают его жизнеспособным, но нам все еще нужно организовать его, чтобы он производил быстрое изменение фазы (правильного типа) в одной конкретной части частотного спектра. Нам также нужно сдвинуть фазовый сдвиг примерно на 180 °.

Частичная загрузка кристалла

Теперь мы начинаем понимать, что генератор Пирса требует, чтобы кристалл (и связанные с ним компоненты нагрузки) производили быстрое изменение фазы в небольшом диапазоне частот.Итак, следующим шагом будет построение простой схемы вокруг кристалла и последующий анализ полученной передаточной функции:

Рис. 3. Простая схема вокруг кристалла с последующим анализом полученной передаточной функции.

Кристалл питается от V1 (R1 установлен на 0 Ом) и нагружен одним конденсатором 20 пФ (CL). Нас интересует анализ Vout, но нас также интересует, как на фазу влияет CL:

. Рис. 4. Как фаза зависит от нагрузки кристалла (CL)

CL изменяется от 5 пФ до 80 пФ.Как вы можете видеть, это дает немного разные частоты (выше последовательного резонанса), где фаза изменяется быстро. Это демонстрирует, как емкость нагрузки может повлиять на заявленную рабочую частоту в таблице данных.

Ниже 10 МГц и чуть выше 10,004 МГц фазовая характеристика составляет 0 °, и это не самая полезная область для генератора Пирса. На частотах чуть выше 10 МГц фазовый угол быстро падает почти до 180 °, но, опять же, этого недостаточно для генератора Пирса. Из того, что мы видим на графике выше, наиболее приемлемый фазовый угол составляет около -90 °, потому что фазовый отклик является самым крутым и наименее неоднозначным в отношении рабочей частоты.Хотя -90 ° не очень полезный фазовый угол для генератора, это значительное улучшение по сравнению с «голым» кристаллом, поскольку его наиболее приемлемый фазовый угол составлял всего 0 °.

Если мы хотим создать успешный генератор Пирса, нам нужно, чтобы фазовый угол быстро перешел на 180 ° на одной определенной частоте. По этой причине нам необходимо использовать два нагрузочных конденсатора, расположенных по обе стороны от кристалла. Два конденсатора добавят увеличенный фазовый сдвиг к вышеуказанным характеристикам и произведут быстрые изменения фазы, которые будут проходить на 180 °.

Но для этого R1 не может иметь нулевое сопротивление. Другими словами, источник напряжения, который будет управлять дополнительным нагрузочным конденсатором, должен иметь ненулевое сопротивление, чтобы компенсировать фазовый сдвиг на дополнительные 30 ° или более. Это подводит нас к теме полной загрузки кристалла.

Полная загрузка кристалла

В этой схеме у нас есть как CL1, так и CL2, нагружающие кристалл с обеих сторон, и теперь сопротивление R1 составляет 500 Ом. Позже мы изменим R1, а пока изменим CL1 и CL2 и посмотрим, как формируется передаточная функция.

Рис. 5. CL1 и CL2, загружающие кристалл с обеих сторон.

CL1 и CL2 совместно изменяются от 5 пФ до 30 пФ с шагом 5 пФ. Обратите внимание на вариации частоты устойчивых колебаний, которые мы получили бы (фаза = 180 °), когда изменяются CL1 и CL2:

Рис. 6. Слегка разные частоты (выше последовательного резонанса), где фаза быстро меняется.

Несмотря на эти вариации, схема сейчас находится на стадии жизнеспособной схемы генератора Пирса.Мы добавили CL1 и CL2, чтобы «загрузить» кристалл, и мы поняли, что для получения фазового сдвига на 180 ° источник возбуждения должен быть включен последовательно с резистором (R1). Это начало финальной игры.

Возможно, следует также отметить, что хотя эквивалентная схема кристалла была разработана для последовательного резонанса точно на 10 МГц (в пределах 1 Гц), результирующая (и жизнеспособная) частота генератора может быть где-то между 10,001 МГц и 10,003 МГц.

Это не тот тип статической погрешности частоты, который вы получите от реального кристалла, который вы можете купить; реальный кристалл 10 МГц, подходящий для генератора Пирса, спроектирован так, чтобы его последовательный резонанс был на 1–3 кГц ниже номинального значения 10 МГц.После загрузки с емкостью, указанной в таблице данных, он будет работать очень близко к указанным 10,000 МГц.

Стоит еще раз изучить влияние нагрузочных конденсаторов на графиках выше. Емкость нагрузки варьируется от 2 x 5 пФ до 2 x 30 пФ, и, хотя все фазовые характеристики проходят через 180 °, когда CL имеет значение 2 x 5 пФ, изменение фазового угла менее отчетливо, чем при использовании КЛ 2 х 30 пФ. Другими словами, наклон меньше для 2 x 5 пФ, а точная частота, на которой происходит сдвиг фазы на 180 °, более неоднозначна.Эффект можно увидеть численно, сравнив сначала отклик 5 пФ с откликом 10 пФ.

При 5 пФ частота колебаний будет 10,00285 МГц, а при 10 пФ частота колебаний будет 10,00208 МГц. Фактически, изменение нагрузочной емкости на 5 пФ приводит к изменению частоты на 77 Гц. Сравните это с изменением частоты при изменении нагрузки с 25 пФ до 30 пФ; изменение частоты колебаний теперь составляет всего 15 Гц при той же величине изменения емкости.Следовательно, увеличение емкости нагрузки приводит к более стабильной рабочей частоте.

Итак, чтобы получить лучшую стабильность частоты, следует использовать нагрузочные конденсаторы большей емкости. Однако, и нет смысла спорить об этом, производитель кристалла указывает правильную нагрузочную емкость, и ее следует всегда использовать. Тем не менее, у вас может возникнуть соблазн задать следующий вопрос:

Вопрос: Почему бы не использовать конденсаторы нагрузки еще более высокого номинала и не добиться большей стабильности?

Ответ: Все дело в допустимой рассеиваемой мощности кристалла.Другими словами, это компромисс.

Производители обычно указывают емкость полезной нагрузки. Если указано 10 пФ, используйте конденсаторы 2 x 20 пФ, потому что последовательная комбинация будет иметь требуемое чистое значение 10 пФ. Причина, по которой указана полезная емкость нагрузки, связана с ситуациями, когда вы можете использовать один конденсатор 30 пФ и другой конденсатор 15 пФ. Вместе компоненты 30 пФ и 15 пФ по-прежнему создают полезную нагрузочную емкость 10 пФ, но есть некоторые схемы (обычно генераторы BJT), которые требуют разных значений для правильного инициирования колебаний.При 30 пФ на ведомом конце и всего 15 пФ на выходе кристалла наблюдается чистое улучшение коэффициента передачи. Обычные осцилляторы Пирса не исчерпывают усиления; следовательно, 2 x 20 пФ вполне подойдут, если в таблице данных указана полезная емкость нагрузки 10 пФ.

Обзор нагрузочных конденсаторов

Кристалл сам по себе может иметь последовательный резонанс точно на 10 МГц, но для жизнеспособной схемы генератора нас интересует точка сдвига фазы на 180 ° передаточной функции. В схеме генератора Пирса (с использованием инвертирующего затвора в качестве усилителя) схема нагруженного кристалла «обеспечивает» дополнительные 180 °, чтобы получить общий фазовый сдвиг на 360 °.Только это условие частично удовлетворяет критерию устойчивости Баркгаузена.

Следует также упомянуть параллельную резонансную точку и почему ее нельзя использовать в схеме генератора Пирса. Что касается приведенного выше графика передаточной функции, хотя параллельный резонанс очень однозначен, то есть он имеет очень сильное изменение фазы при небольшом изменении частоты; к сожалению, в этой точке амплитуда передаточной функции очень сильно затухает. Генераторы, использующие параллельный резонанс, более специализированы и не подходят для топологии схемы Пирса.

Сопротивление движению и заряженный кристалл

Ранее мы установили сопротивление привода на уровне 500 Ом и рассмотрели влияние изменения нагрузочных конденсаторов (CL). На этот раз мы сохраним нагрузочную емкость на уровне 20 пФ и изменим резистор привода (R1) ступенчато с 250 Ом на 1500 Ом:

Рис. 7. Сопротивление возбуждения и загруженный кристалл

Все отклики пересекаются на 180 ° с близкой к одной и той же частотой, поэтому влияние на частоту колебаний незначительно по сравнению с влиянием изменений емкости нагрузки.Однако крутизна графиков в точке, где они пересекают линию фазового сдвига 180 °, значительно варьируется. При более высоком сопротивлении управляющего резистора (R1) частота, вызывающая сдвиг фазы на 180 °, гораздо менее неоднозначна. Это означает, что более высокое значение R1 обеспечивает более стабильную частоту колебаний.

Многие схемы с кристаллами (обычно работающие с кристаллами 32,768 кГц) имеют сопротивление возбуждения в несколько десятков кОм. Это улучшает стабильность частоты и снижает требования к питанию на более низком уровне (идеально для оборудования с батарейным питанием).

Энергопотребление кристалла нагрузки

Производители кристаллов обычно указывают максимально допустимую мощность, которую можно использовать с их устройствами. Эта максимальная мощность взаимосвязана с указанной нагрузочной емкостью. Рассмотрим ток, протекающий в последовательном элементе Rs на частоте колебаний. Мы можем смоделировать это и построить график рассеиваемой мощности в рупиях (обозначенных pd (Rs)):

Показатели мощности, показанные выше, соответствуют их частотам колебаний (что определяется фазовым углом 180 °).Используемый уровень возбуждения составляет 2 В от пика к пику, питание через 500 Ом (R1).

В результате увеличивается емкость нагрузки, рассеиваемая кристаллом мощность становится выше. Более высокая температура означает большую вероятность того, что точность кристалла будет нарушена. Более высокий уровень привода означает больше тепла. Таким образом, с одной стороны, вы можете улучшить стабильность частоты колебаний, увеличив нагрузочную емкость. Однако недостатком является то, что вы значительно «увеличиваете» рассеиваемую мощность, что может ухудшить стабильность частоты.Компромиссы!

Задержка распространения затвора

Независимо от того, насколько хорош кристалл или насколько тщательно вы выбрали значения компонентов вокруг него, если вентиль инвертора имеет низкую производительность, вы получите ошибки частоты колебаний и, возможно, чрезмерный дрейф частоты. Рассмотрим инвертор 74AC04 (как пример):

Рисунок 8. Электрические характеристики переменного тока для переменного тока и ACT

Приведенные значения задержки для нарастающих и спадающих фронтов обычно составляют около 5 нс, но могут достигать 10 нс.Если мы возьмем максимальные значения, это будет означать, что общее время задержки на выходе составит 10 нс, и, поскольку мы можем проектировать генератор на 10 МГц, дополнительные 10 нс эквивалентны добавлению 36 ° сдвига фазы. Однако это смягчается типом используемой схемы. Например, если мы работаем с затвором полулинейным образом и, следовательно, с глубоким насыщением выходных полевых МОП-транзисторов, этого не произойдет. Тем не менее, мы можем ожидать увидеть задержку, эквивалентную сдвигу фазы на 20 ° в этой схеме.

Рисунок 9.Нагруженный кварцевый контур, создающий жизнеспособные колебания

В таблице ниже суммированы все эти эффекты. В левом столбце показан диапазон значений нагрузочной емкости. Синие данные, взятые из графиков, предполагают, что драйвер затвора не вносит значительного времени задержки; следовательно, задержка затвора эквивалентна 0 °. Напротив, красные данные предполагают, что драйвер затвора аналогичен 74AC04 и дает эквивалентную задержку 20 °.

Емкость нагрузки	Задержка затвора ≡ 0 °		Задержка затвора ≡ 20 °
	Требуемый сдвиг кристалла: 180 °		Требуемый сдвиг кристалла: 160 °
	Частота	Мощность	Частота	Мощность
2 x 5 пФ	10.00285 МГц	5,35 мкВт	10,00231 МГц	35,51 мкВт
2 x 10 пФ	10,00208 МГц	12,12 мкВт	10.00172 МГц	38,89 мкВт
2 х 20 пФ	10.00137 МГц	28,73 мкВт	10,00118 МГц	56,55 мкВт
2 х 40 пФ	10.00082 МГц	73,88 мкВт	10.00074 МГц	104,41 мкВт

Мы можем видеть, что рассеиваемая мощность кристалла значительно выше, если учесть задержку распространения затвора и то, как она больше всего влияет на схемы «маломощных» генераторов.Итак, внимательно выбирайте свои ворота, если вам нужна максимальная стабильность и низкое энергопотребление.

Устройство, специально разработанное для использования с кварцевыми генераторами, — это SN74LVC1404 (драйвер генератора для кварцевого генератора или керамического резонатора). Он имеет задержку распространения (между Xin и Xout) не более 1,8 нс при питании 5 В и не более 2,4 нс при питании 3,3 В. Он также имеет встроенный шлюз для буферизации Xout, например:

Рис. 10. SN74LVC1404

Также обратите внимание на использование резистора RF — он необходим для всех схем генератора Пирса описанных типов.Этот резистор действует как резистор обратной связи в операционном усилителе; он превращает затвор в почти линейный усилитель, используя высокоомную отрицательную обратную связь для смещения входа на «правильный» уровень постоянного тока.

Я не ожидал, что это устройство будет производить задержку, которая вызывает что-либо большее, чем эквивалентный сдвиг фазы на 4 ° на частоте 10 МГц. Этот тип микросхемы является хорошим эталоном для использования при сравнении других потенциальных вентилей драйвера генератора Пирса.

Заключение

Надеюсь, вы нашли эту статью полезной.Обсуждаемые темы касались использования генератора Пирса с кристаллом. Попутно исследовали импеданс кристалла. Поэтапно мы показали, что для эффективного использования кристалла он должен быть частью схемы, которая использует два нагрузочных конденсатора и управляется через резистор. Это гарантирует, что схема производит быстрый фазовый сдвиг на требуемой частоте колебаний. Мы также видели, как эффект задержки затвора может ухудшить рассеиваемую мощность кристалла и, возможно, вывести ее за пределы, указанные в паспорте.Эти задержки, если они зависят от температуры, могут также ухудшить стабильность частоты схемы.

Никакие реальные схемы не пострадали при создании этой статьи. Тем не менее, инструменты моделирования были широко использованы, и я бы посоветовал всем, кто интересуется этим предметом, моделировать эти очень простые схемы. Это поможет вам лучше понять, что происходит внутри осциллятора Пирса.

Кварцевый кварцевый осциллятор

В наших предыдущих уроках RC Phase Shift Oscillator и Wein Bridge Oscillator мы получили четкое представление о , что такое осциллятор .Осциллятор — это механическая или электронная конструкция, которая производит колебания в зависимости от нескольких переменных. Правильный и хороший генератор дает стабильную частоту .

В случае генераторов RC (резистор-конденсатор) или RLC (резистор-индуктор-конденсатор) они не подходят там, где необходимы стабильные и точные колебания. Изменения температуры влияют на нагрузку и линию питания, что, в свою очередь, влияет на стабильность схемы генератора. Стабильность может быть улучшена до определенного уровня в случае схемы RC и RLC, но все же улучшения недостаточно в конкретных случаях.

В такой ситуации используется кварцевый кристалл Quartz Crystal . Кварц — минерал, состоящий из атомов кремния и кислорода. Он реагирует, когда источник напряжения подается на кристалл кварца. Он создает характеристику, определяемую как Пьезоэлектрический эффект . Когда к нему приложен источник напряжения, он изменит форму и создаст механические силы, а механические силы вернутся обратно и произведут электрический заряд.

Как он преобразует электрическую энергию в механическую и механическую в электрическую. именуется преобразователями . Эти изменения производят очень стабильную вибрацию, а Пьезоэлектрический эффект создает стабильные колебания.

Кварцевый кристалл и его эквивалентная схема

Это символ кристаллического осциллятора . Кристалл кварца сделан из тонкого куска кварцевой пластины, плотно прилегающей и контролируемой между двумя параллельными металлизированными поверхностями. Металлизированные поверхности предназначены для электрических соединений, а физический размер и плотность кварца, а также толщина строго контролируются, поскольку изменения формы и размера напрямую влияют на частоту колебаний.После того, как он сформирован и управляется, произведенная частота становится фиксированной, основная частота не может быть изменена на другие частоты. Эта конкретная частота для конкретного кристалла называется характеристической частотой .

На верхнем изображении левая схема представляет собой эквивалентную схему кварцевого кристалла, показанную справа. Как мы видим, используются 4 пассивных компонента, два конденсатора C1 и C2 и один индуктор L1, резистор R1. C1, L1, R1 подключены последовательно, а C2 подключены параллельно.

Последовательная цепь, состоящая из одного конденсатора, одного резистора и одной катушки индуктивности, символизирует управляемое поведение и стабильную работу кристалла и параллельного конденсатора, C2 представляет параллельную емкость цепи или эквивалентного кристалла.

На рабочей частоте C1 резонирует с индуктивностью L1. Эта рабочая частота называется последовательной частотой кристаллов (fs). Из-за этой последовательной частоты точка вторичной частоты распознается с параллельным резонансом.L1 и C1 также резонируют с параллельным конденсатором C2. Параллельный конденсатор C2 часто называют именем C0 и называют Shunt Capacitance кварцевого кристалла.

Выходное сопротивление кристалла в зависимости от частоты

Если мы применим формулу реактивного сопротивления к двум конденсаторам, тогда, для последовательного конденсатора C1, емкостное реактивное сопротивление будет: —

  X  C1  = 1 / 2πfC  1  
 

Где,

F = частота и C1 = значение последовательной емкости.

Та же формула применима и для параллельного конденсатора, емкостное сопротивление параллельного конденсатора будет: —

  X  C2  = 1 / 2πfC  2   

Где,

F = частота и C2 = значение параллельной емкости.

В случае расчета последовательного импеданса и параллельного импеданса формулы будут: —

Если мы увидим график зависимости выходного импеданса от частоты , мы увидим изменения импеданса.

На верхнем изображении мы видим кривую импеданса кварцевого генератора, а также видим, как этот наклон изменяется при изменении частоты. Есть две точки: одна — это точка резонансной частоты серии , а другая — точка параллельной резонансной частоты .

В точке резонансной частоты серии импеданс стал минимум . Последовательный конденсатор C1 и последовательный индуктор L1 создают последовательный резонанс, равный последовательному резистору.

Итак, в точке резонансной частоты этой серии произойдет следующее: —

1. Импеданс минимален по сравнению с другими временами частоты.
2. Импеданс равен сопротивлению последовательного резистора.
3. Ниже этой точки кристалл действует как емкостная форма.

Затем частота изменяется, и крутизна медленно увеличивается до максимальной точки на параллельной резонансной частоте, в это время, до достижения точки параллельной резонансной частоты, кристалл действует как последовательный индуктор.

После достижения точки параллельной частоты наклон импеданса достигает максимального значения. Параллельный конденсатор C2 и последовательный индуктор образуют цепь LC-резервуара, и, таким образом, выходное сопротивление становится высоким.

Вот как кристалл ведет себя как индуктор или как конденсатор в последовательном и параллельном резонансах. Кристалл может работать на этих обеих резонансных частотах, но не одновременно. Для работы нужно настроиться на какой-то конкретный.

Реактивность кристалла в зависимости от частоты

Серия Реактивное сопротивление цепи можно измерить по следующей формуле: —

  X  S  = R2 + (XL  1  - XC  1 )  2  
 

Где, R — значение сопротивления

Xl1 — последовательная индуктивность цепи

Xc1 — последовательная емкость цепи.

Параллельное емкостное реактивное сопротивление цепи будет: —

  X  CP  = -1 / 2πfCp  

Параллельное реактивное сопротивление цепи будет: —

  Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp  

Если мы увидим график, он будет выглядеть так: —

Как мы видим на верхнем графике, последовательное реактивное сопротивление в точке последовательного резонанса обратно пропорционально C1, в точке от fs до fp кристалл действует как индуктивный, потому что в этой точке две параллельные емкости стать незначительным .

С другой стороны, кристалл будет иметь емкостную форму, когда частота находится за пределами точек fs и fp.

Мы можем рассчитать частоту последовательного резонанса и частоту параллельного резонанса, используя эти две формулы —

Коэффициент добротности кристалла кварца:

Q — это краткая форма качества . Это важный аспект резонанса кристаллов кварца. Эта добротность определяет стабильность частоты кристалла.Обычно коэффициент добротности кристалла находится в диапазоне от 20000 до более 100000 . Иногда также наблюдается добротность кристалла более 200000.

Добротность кристалла можно рассчитать по следующей формуле —

  Q = X  L  / R = 2πfsL  1  / R 
 

Где X _L — это реактивное сопротивление индуктора, а R — сопротивление .

Пример кварцевого генератора с расчетом

Мы рассчитаем последовательную резонансную частоту кварцевых кристаллов, параллельную резонансную частоту и добротность кристалла при наличии следующих значений:

R1 = 6.8R

C1 = 0,09970 пФ

L1 = 3 мГн

и C2 = 30пФ

Серия резонансная частота кристалла —

Параллельная резонансная частота кристалла , fp —

Теперь мы можем понять, что последовательная резонансная частота составляет 9,20 МГц , а параллельная резонансная частота равна 9.23 МГц

Q-фактор этого кристалла будет равен —

Кристаллический осциллятор Колпитца

Схема кварцевого генератора, построенная с использованием биполярного транзистора или различных типов полевых транзисторов . На верхнем изображении показан осциллятор Колпитца; емкостный делитель напряжения используется для обратной связи . Транзистор Q1 имеет конфигурацию с общим эмиттером.В верхней цепи R1 и R2 используются для смещения транзистора, а C1 используется в качестве байпасного конденсатора, который защищает базу от радиочастотных помех.

В этой конфигурации кристалл будет действовать как шунт из-за соединения коллектора с землей . Он находится в параллельной резонансной конфигурации. Конденсаторы C2 и C3 используются для обратной связи. Кристалл Q2 включен как параллельный резонансный контур.

Выходное усиление в этой конфигурации низкое, чтобы избежать избыточного рассеивания мощности в кристалле.

Кристаллический осциллятор Пирса

Другая конфигурация, используемая в кварцевом генераторе, где транзистор заменен на JFET для усиления, где JFET имеет очень высокое входное сопротивление , когда кристалл подключен к Drain to Gate с использованием конденсатора .

На верхнем изображении показана схема кварцевого генератора Пирса .C4 обеспечивает необходимую обратную связь в этой цепи генератора. Эта обратная связь является положительной обратной связью, которая представляет собой сдвиг фазы на 180 градусов на резонансной частоте. R3 управляет обратной связью, а кристалл обеспечивает необходимые колебания.

Для кварцевого генератора

Пирса требуется минимальное количество компонентов, поэтому он является предпочтительным выбором при ограниченном пространстве. Цифровые часы, таймеры и различные типы часов используют схему кварцевого генератора . Пиковое значение амплитуды выходной синусоидальной волны ограничено диапазоном напряжения JFET.

КМОП-осциллятор

Базовый генератор, использующий конфигурацию кристаллов с параллельным резонансом, может быть изготовлен с использованием инвертора CMOS. Инвертор CMOS можно использовать для достижения необходимой амплитуды. Он состоит из инвертирующего триггера Шмитта, такого как 4049, 40106 или микросхемы транзисторно-транзисторной логики (TTL) 74HC19 и т. Д.

На верхнем изображении используется 74HC19N , который действует как триггер Шмитта в инвертирующей конфигурации.Кристалл будет обеспечивать необходимые колебания последовательной резонансной частоты. R1 — резистор обратной связи для КМОП-матрицы, обеспечивающий высокую добротность и высокий коэффициент усиления. Второй 74HC19N — это усилитель, обеспечивающий достаточную мощность для нагрузки.

Инвертор работает с выходным фазовым сдвигом на 180 градусов, а Q1, C2, C1 обеспечивают дополнительный фазовый сдвиг на 180 градусов. В процессе колебаний фазовый сдвиг всегда остается на 360 градусов.

КМОП-кварцевый генератор обеспечивает выходной сигнал прямоугольной формы .Максимальная выходная частота фиксируется характеристикой переключения КМОП-инвертора. Выходную частоту можно изменить, используя значение конденсаторов и сопротивление резистора. C1 и C2 должны быть одинаковыми по значениям.

Обеспечение тактовой частоты микропроцессора с использованием кристаллов

Поскольку кварцевый кварцевый генератор используется в различных областях, включая цифровые часы, таймеры и т. Д., Он также является подходящим выбором для обеспечения стабильной тактовой частоты колебаний микропроцессора и процессоров.

Микропроцессор и ЦП нуждаются в стабильном тактовом входе для работы. Для этих целей широко используется кристалл кварца. Кварцевый кристалл обеспечивает высокую точность и стабильность по сравнению с другими генераторами RC, LC или RLC.

Обычно тактовая частота микроконтроллера или процессора находится в диапазоне от кГц до МГц. Эта тактовая частота определяет, насколько быстро процессор может обрабатывать данные.

Для достижения этой частоты на входе генератора соответствующего микроконтроллера или процессора используется последовательный кристалл с двумя конденсаторами одинаковой емкости.

На этом изображении мы можем видеть, что кристалл с двумя конденсаторами образует сеть и подключен через микроконтроллер или центральный процессор через входные выводы OSC1 и OSC2. Обычно весь микроконтроллер или процессор состоят из этих двух выводов. В некоторых случаях доступны два типа контактов OSC. Один предназначен для первичного генератора для генерации часов, а другой — для вторичного генератора, который используется для других вторичных работ, где требуется вторичная тактовая частота.Диапазон значений конденсатора от 10 пФ до 42 пФ, все что угодно, кроме 15 пФ, 22 пФ, 33 пФ, широко используется.

TCXO Кристаллический осциллятор с температурной компенсацией »Электроника

Кварцевые генераторы с температурной компенсацией, TCXO используются, когда требуется более высокий уровень точности и стабильности, чем это возможно со стандартным кварцевым генератором.

---

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

---

Как видно из названия, кварцевый генератор с температурной компенсацией обеспечивает средства противодействия изменению частоты, вызванному изменением температуры в кварцевом генераторе.

Буквы TCXO обозначают Xtal осциллятор с температурной компенсацией — Xtal — это короткое от кристалла и подразумевает кварцевый резонатор. Модуль TCXO может обеспечить значительно улучшенные характеристики по сравнению со стандартным кварцевым генератором, особенно с точки зрения стабильности частоты в диапазоне температур.

Путем измерения температуры и приложения корректирующего напряжения к VCXO стабильность частоты в диапазоне температур значительно улучшается, сохраняя при этом низкие затраты — при использовании кварцевого генератора с духовым управлением OCXO будет значительно дороже и намного больше по размеру.

Часто широкий спектр TCXO различной частоты, напряжения питания и пакетов доступен от многих дистрибьюторов, что позволяет использовать эти электронные компоненты или модули во многих общих электронных конструкциях, схемах RF и т. Д.

Температурные характеристики кварцевого генератора

Кварцевые генераторы

способны обеспечить гораздо лучший уровень производительности, чем у контуров LC-резонаторов. Тем не менее, кварцевые генераторы по-прежнему подвержены влиянию температуры.

Угол среза и другие аспекты кристалла кварца имеют большое влияние на характеристики.

Типичная технология поверхностного монтажа TCXO

В результате определяются специальные насечки, и одна из них, известная как AT, является наиболее широко используемой для этих и многих других радиочастотных приложений на кварцевых кристаллах. Это дает хороший уровень производительности для ВЧ-цепей с точки зрения подавления нежелательных форм вибрации, а также доступный частотный диапазон, а также температурную стабильность.

Несмотря на это, кристаллы огранки AT сами по себе не могут соответствовать требованиям для многих применений, и требуется температурная компенсация, если они должны работать удовлетворительно в требуемом диапазоне — часто требуется 1 — 70 ° C при эластичности.

Температурно-частотная характеристика кварцевого резонатора (АТ-срезанный кристалл)

Влияние температуры в значительной степени воспроизводимо и поддается определению. Поэтому можно использовать электронную конструкцию для компенсации этого. Добавляя дополнительные электронные компоненты к базовому генератору, можно значительно уменьшить эффекты, вызванные температурными изменениями: кварцевый генератор с температурной компенсацией, TCXO.

Типичное сравнение типичных или ожидаемых уровней производительности приведено в таблице ниже:

Обзор производительности TCXO
Диапазон температур	Базовый кварцевый генератор	TCXO
от 0C до 70C	± 25 частей на миллион	± 1,5 частей на миллион
от -20 ° C до 70 ° C	± 30 частей на миллион	± 2.5 страниц в минуту
от -40 ° C до 85 ° C	± 40 частей на миллион	± 3 частей на миллион
На рисунке показаны типичные значения, которые можно ожидать для TCXO и стандартного кварцевого генератора.

Примечание: Эти показатели производительности являются очень обобщенными и могут использоваться только в качестве ориентировочного ориентира. Точные цифры будут зависеть от используемого изделия, и цифры для них должны быть получены из таблиц данных производителя.

Раствор TCXO

TCXO регулирует частоту генератора, чтобы компенсировать изменения, которые произойдут в результате изменений температуры. Для этого основным элементом TCXO является кварцевый генератор с регулируемым напряжением VCXO. Он подключен к цепи, которая измеряет температуру и подает небольшое корректирующее напряжение на генератор, как показано ниже.

Блок-схема TCXO

Общий генератор с регулируемой температурой состоит из ряда различных элементов:

• Компенсационная сеть: Компенсационная сеть является ключом к работе всей системы.Примерная кривая температурной частотной характеристики генератора показана выше. Фактическая кривая может быть приблизительно выражена в виде полиномиального выражения 3-го порядка, хотя более точное представление учитывает некоторые нелинейности и оказывается близким к полиному 5-го порядка. Компенсационная сеть должна определять температуру и вырабатывать напряжение, обратное этому.

  В ранних электронных конструкциях TCXO использовалась аналоговая схема и часто напрямую использовалась сеть электронных компонентов, включая конденсаторы, резисторы и термисторы, для непосредственного управления частотой колебаний.Этот тип схемы включал в себя оба блока на схеме компенсационной цепи и блок регулирования частоты кристалла. Даже сегодня доступны некоторые из этих более простых аналоговых TCXO.

  Компенсационное напряжение, используемое в TCXO

  В настоящее время технологии обычно используют косвенный подход, при котором температура измеряется в компенсационной сети, и генерируется напряжение, которое обеспечивает изменение частоты, обратное температурной кривой. Это может быть достигнуто с помощью относительно простой цифровой обработки, обеспечивающей лучшую линеаризацию с использованием PROM или другой памяти с температурной кривой, обратной кривой кристалла.Это позволяет правильно линеаризовать все участки кривой.

  В целом кривые кристалла относительно схожи от одного устройства к другому, хотя есть некоторые вариации, так что это может быть небольшим компромиссом. Используя подход PROM, можно создать кривую для каждого отдельного кристалла, хотя это значительно увеличит стоимость.

  Во многих случаях схема обработки включается в специальную ASIC, чтобы ее можно было адаптировать к приложению с одновременной оптимизацией производительности с точки зрения потребления тока.

• Схема включения генератора: После того, как напряжение было сгенерировано, оно подается на схему, которая может изменять частоту кварцевого генератора. Обычно конструкция ВЧ-цепи включает в себя варакторный диод и некоторую фильтрацию нижних частот.

  Часто можно подтянуть генератор до ± 50 ppm, так как это должно дать достаточный диапазон, чтобы приспособиться к колебаниям частоты в диапазоне температур. Также большинство TCXO имеют возможность регулировать частоту в соответствии со старением.Это также необходимо учесть в пределах рабочего диапазона кварцевого генератора.

• Кварцевый генератор: Схема генератора обычно представляет собой стандартную конструкцию ВЧ-схемы, но она предназначена для обеспечения рабочих условий работы кристалла с идеальными уровнями возбуждения и т. Д.

  Типовая схема VCXO

  Кварцевый генератор разработан для оптимальной работы. Уровень обратной связи оптимизирован для обеспечения наилучших характеристик с точки зрения стабильности, фазового шума и отсутствия паразитных сигналов — кристаллы могут возбуждаться в различных режимах, поэтому необходимо оптимизировать схему, чтобы гарантировать низкий уровень паразитных сигналов. генерируется.Одним из ключевых элементов этого является относительно низкий уровень обратной связи, но достаточный для обеспечения надежной работы схемы. Избыточный уровень обратной связи имеет тенденцию возбуждать нежелательные моды в кристалле кварца.

  Диапазон для генератора может быть балансом между надежной работой, производительностью и диапазоном, в котором можно регулировать генератор. Диапазон регулировки ограничен возможным снижением производительности. Поскольку кристаллы представляют собой элементы с очень высокой добротностью, можно только уменьшить частоту колебаний на определенную величину, прежде чем производительность упадет.

• Регулятор напряжения: Чтобы внешние изменения напряжения не приводили к нежелательным сдвигам частоты, весь TCXO должен включать в себя регулятор напряжения, который сам по себе не должен вызывать нежелательных температурных эффектов.

  Вдобавок к этому выход регулятора напряжения должен иметь очень низкий уровень шума. Это связано с тем, что любой шум, выбросы и т. Д. Будут проявляться на выходе как фазовый шум. Часто эти генераторы используются в приложениях, где требуются разумные или низкие уровни фазового шума.Соответственно, производительность регулятора напряжения очень важна.

• Буферный усилитель: Буферный усилитель требуется в конструкции электронной схемы для увеличения мощности на выходе. Несмотря на добавление нескольких дополнительных электронных компонентов, он обеспечит изоляцию самого кварцевого генератора от любых видимых изменений внешней нагрузки. Это значительно улучшит стабильность, не позволяя фактической нагрузке каким-либо образом влиять на частоту.

Дополнительно TCXO обычно имеют внешнюю регулировку, позволяющую периодически сбрасывать частоту. Это позволяет устранить эффекты старения кристалла. Период между настройками калибровки будет зависеть от требуемой точности, но обычно может составлять шесть месяцев или год. Если требуется очень высокий уровень точности, можно использовать более короткие периоды.

TCXO производительность

При рассмотрении TCXO для электронной конструкции необходимо учитывать основные технические характеристики и параметры устройства.

Типовая технология поверхностного монтажа TCXO

Ниже приведены некоторые из основных показателей производительности:

• Показатели стабильности TCXO: Температурные характеристики TCXO лучше, чем у обычного кварцевого генератора. Цифры обычно приводятся в частях на миллион, PPM в заданном диапазоне температур. Обычно часто можно увидеть цифры улучшения от 10 до 40 раз.

  В приведенной выше таблице приведены типичные значения для различных температурных диапазонов.Трудно достичь значений выше ± 1,5 ppm в диапазоне температур от 0 до 70 ° C, поскольку они попадают в категорию высокой точности, где значительно возрастают затраты.

• Рассеиваемая мощность: Рассеиваемая мощность TCXO будет больше, чем у обычного генератора, ввиду требуемых дополнительных схем. К тому же стоимость больше. Следует также помнить, что для стабилизации генератора потребуется некоторое время после запуска.Это может быть порядка 100 мс или, возможно, дольше, в зависимости от конструкции.
• Упаковка TCXO: TCXO могут поставляться в различных упаковках в зависимости от способа их разработки и требований конечного пользователя. Наиболее распространенная форма конструкции — это создание схемы на небольшой печатной плате, которая может быть помещена в металлический корпус. Затем его можно установить на главную печатную плату всего оборудования.Поскольку сам кристалл герметичен, это означает, что герметизация всего пакета TCXO не критична и даже не требуется для большинства приложений.

  Размеры упаковки, такие как 5×3,2×1,5 мм или 5×3,5×1 мм, широко используются для TCXO, и при необходимости доступны упаковки меньшего размера.

• Формат и уровень вывода: Важно убедиться, что вывод TCXO подходит для конкретного электронного проекта.

  Формат вывода для TCXO важен.Поскольку многие TCXO используются для управления цифровыми схемами, большинство небольших корпусов генераторов создают так называемую ограниченную синусоидальную волну. Это подходит для управления логической схемой, хотя во многих случаях разумно пропустить ее через логический буфер, чтобы убедиться, что она достаточно квадратная. Часто выход представляет собой схему с открытым коллектором. Если требуется выход синусоидальной волны, то его следует выбрать с самого начала, и это ограничит доступный выбор. Также для других радиочастотных приложений может потребоваться синусоида.

  Уровень также важен, так как его должно хватить для управления следующей ступенью в конструкции электронной схемы.

• Требования к питанию: Фактические требования к питанию будут зависеть от конкретного устройства. Многие работают от источников питания 3 В и могут потреблять всего 2 мА, хотя это будет зависеть от общего типа, производителя и конкретного выбранного устройства. Очевидно, необходимо убедиться, что схема может удовлетворить требования к мощности.

  В схемах, которые требуют особо чистого выхода с точки зрения фазового шума и т. Д., Стоит проверить подавление шума источника питания на выходе генератора.

Типы TCXO

Хотя кварцевые генераторы с температурной компенсацией обычно упоминаются таким образом, иногда используются более подробные описания. Это привело к появлению множества методов, которые можно использовать для обеспечения температурной компенсации.

• ADTCXO: Это аналоговый цифровой TCXO.Эта форма TCXO широко используется в сотовых телефонах. В нем используется аналоговая технология для обеспечения температурной коррекции генератора. Его преимущество заключается в том, что изменения происходят медленно, и не происходит скачков фазы, как у некоторых полностью цифровых типов.
• DCXO: DCXO — это форма генератора, в которой любая поправка рассчитывается главным процессором в оборудовании. Таким образом, TCXO не является отдельным объектом, но обработка включена в процесс всего оборудования.В некоторых случаях это может помочь сократить расходы.
• DTCXO: Как можно догадаться, это цифровой TCXO. Он использует датчик температуры, а затем логические и математические функции используют цифровую схему вместе со справочной таблицей. Результирующая цифра цифровой коррекции преобразуется в аналоговый сигнал с помощью цифроаналогового преобразователя DAC.
• MCXO: MCXO использует микропроцессор для обеспечения обработки, позволяющей более точную компенсацию при различных обстоятельствах.Хотя производительность немного выше, затраты выше, чем у других форм TCXO.

TCXO заполняют пробел между некомпенсированными кварцевыми генераторами, генераторами xtal и кварцевыми генераторами, полностью управляемыми печью, OCXO. Часто производительность TCXO будет более чем достаточной для многих приложений и за небольшую часть стоимости, меньшего размера и более низкого энергопотребления, чем у OCXO. Поскольку TCXO обычно покупаются в виде модуля у производителя TCXO, их можно рассматривать как единый электронный компонент в производственном процессе, что упрощает производственный процесс.Таким образом, TCXO представляет собой очень привлекательное предложение для очень многих электронных схем и систем.

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

Основные сведения об осцилляторах

Введение

Эти модули генераторов в Learnabout Electronics описывают, сколько обычно используемых генераторов работает с использованием дискретных компонентов и в виде интегральной схемы. Также узнайте, как самостоятельно создавать и тестировать схемы генераторов.

Что такое осциллятор

Генератор обеспечивает источник повторяющегося сигнала переменного тока на своих выходных клеммах без необходимости ввода какого-либо входа (кроме D.C. питания). Сигнал, генерируемый генератором, обычно имеет постоянную амплитуду.

Форма и амплитуда волны определяются конструкцией схемы генератора и выбором значений компонентов.

Частота выходной волны может быть постоянной или переменной, в зависимости от конструкции генератора.

Типы осцилляторов

Рис. 1.0.1 Генератор
(источник переменного тока)
Обозначение цепи

Осцилляторы можно классифицировать по типу генерируемого ими сигнала.

• ОСЦИЛЛЯТОРЫ СИНУСОВОЙ ВОЛНЫ выдают синусоидальный сигнал на выходе.
• РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ОСЦИЛЛЯТОРЫ и НАСТОЛЬНЫЕ МУЛЬТИВИБРАТОРЫ производят прямоугольные волны и прямоугольные импульсы.
• ПОВОРОТНЫЕ ОСЦИЛЛЯТОРЫ производят пилообразные волны.

Генераторы синусоидальной волны также можно классифицировать по частоте или типу управления частотой, которое они используют. Генераторы RF (радиочастоты), работающие на частотах выше 30–50 кГц, используют LC (индукторы и конденсаторы) или кристаллы для управления своей частотой.Их также можно классифицировать как генераторы HF, VHF и UHF, в зависимости от их частоты.

Генераторы

LF (низкочастотные) обычно используются для генерации частот ниже 30 кГц и обычно представляют собой RC-генераторы, поскольку они используют резисторы и конденсаторы для управления их частотой.

Генераторы прямоугольной формы, такие как релаксационные и нестабильные генераторы, могут использоваться на любой частоте от менее 1 Гц до нескольких ГГц и очень часто реализуются в виде интегральных схем.

Генераторы синусоидальной волны.

Рис. 1.0.2 Сети управления частотой

Эти схемы идеально производят чистый синусоидальный сигнал на выходе с постоянной амплитудой и стабильной частотой. Тип используемой цепи зависит от ряда факторов, включая требуемую частоту. Конструкции, основанные на LC-резонансных контурах или кристаллических резонаторах, используются для ультразвуковых и радиочастотных приложений, но на звуковых и очень низких частотах физический размер резонирующих компонентов L и C был бы слишком большим, чтобы быть практичным.

По этой причине комбинация R и C используется для управления частотой. Условные обозначения схем, используемых для этих сетей управления частотой, показаны на рис. 1.0.2

.

Генераторы LC

Катушки индуктивности и конденсаторы объединены в резонансный контур, который создает очень хорошую форму синусоидальной волны и имеет довольно хорошую стабильность частоты. То есть частота не сильно меняется при изменении напряжения питания постоянного тока или температуры окружающей среды, но относительно просто, используя переменные индуктивности или конденсаторы, создать генератор с переменной частотой (настраиваемый).Генераторы LC широко используются для генерации и приема радиочастотных сигналов, когда требуется переменная частота.

Генераторы RC (или CR)

На низких частотах, таких как аудио, значения L и C, необходимые для создания резонирующего контура, были бы слишком большими и громоздкими, чтобы их можно было использовать на практике. Поэтому резисторы и конденсаторы используются в комбинациях типа RC-фильтров для генерации синусоидальных волн на этих частотах, однако сложнее получить чистую форму синусоидальной волны, используя R и C.Эти низкочастотные генераторы синусоидальной волны используются во многих звуковых приложениях, и используются различные конструкции с фиксированной или переменной частотой.

Кварцевые генераторы

На радиочастотах и ​​выше, когда требуется фиксированная частота с очень высокой степенью стабильности частоты, компонент, определяющий частоту колебаний, обычно представляет собой кварцевый кристалл, который при воздействии переменного напряжения колеблется с очень точной частотой. Частота зависит от физических размеров кристалла, поэтому после того, как кристалл изготовлен с определенными размерами, частота колебаний становится чрезвычайно точной.Конструкции кварцевых генераторов могут генерировать как синусоидальные, так и прямоугольные сигналы, и не только используются для генерации очень точных несущих частот в радиопередатчиках, они также составляют основу очень точных элементов синхронизации в часах, часах и компьютерных системах.

Релаксационные генераторы

Эти генераторы работают по другому принципу, чем генераторы синусоидальной волны. Они производят прямоугольный или импульсный выходной сигнал и обычно используют два усилителя и схему управления частотой, которая просто создает временную задержку между двумя действиями.Два усилителя работают в режиме переключения, попеременно включаясь или полностью выключаясь, и поскольку время, в течение которого фактически переключаются транзисторы, длится лишь очень небольшую часть каждого цикла волны, остальную часть цикла они » расслабиться «, в то время как временная сеть производит остаток волны. Альтернативное название этого типа осцилляторов — «нестабильный мультивибратор», это название происходит от того факта, что они содержат более одного колебательного элемента. В основном есть два осциллятора, т.е.е. «вибраторы», каждый из которых передает часть своего сигнала обратно на другой, и выходной сигнал постоянно меняется с высокого на низкий и обратно, то есть он не имеет стабильного состояния, следовательно, он нестабилен. Осцилляторы релаксации могут быть построены с использованием нескольких различных конструкций и могут работать на разных частотах. Astables обычно можно выбрать для таких задач, как создание высокочастотных цифровых сигналов. Они также используются для выработки относительно низкочастотных сигналов включения-выключения для мигающих огней.

Генераторы развертки

Форма волны развертки — это другое название пилообразной волны.Это имеет линейно изменяющееся (например, возрастающее) напряжение в течение почти всего одного цикла с последующим быстрым возвратом к исходному значению волны. Эта форма волны полезна для изменения (качания) частоты генератора, управляемого напряжением, который является генератором, частота которого может изменяться в заданном диапазоне за счет подачи на его управляющий вход переменного напряжения «развертки». Генераторы развертки часто состоят из пилообразного генератора, который в основном представляет собой конденсатор, заряжаемый постоянным значением тока.Поддержание постоянного зарядного тока при увеличении зарядного напряжения заставляет конденсатор заряжаться линейно, а не по нормальной экспоненциальной кривой. В заданный момент конденсатор быстро разряжается, чтобы вернуть напряжение сигнала к исходному значению. Эти две части пилообразного волнового цикла называются разверткой и обратным ходом.

Лучшая микросхема кварцевого генератора — отличные предложения на микросхему кварцевого генератора от глобальных продавцов микросхем кварцевого генератора

Отличные новости !!! Вы находитесь в нужном месте для кварцевого генератора ic.К настоящему времени вы уже знаете, что что бы вы ни искали, вы обязательно найдете это на AliExpress. У нас буквально тысячи отличных продуктов во всех товарных категориях. Ищете ли вы товары высокого класса или дешевые и недорогие оптовые закупки, мы гарантируем, что он есть на AliExpress.

Вы найдете официальные магазины торговых марок наряду с небольшими независимыми продавцами со скидками, каждый из которых предлагает быструю доставку и надежные, а также удобные и безопасные способы оплаты, независимо от того, сколько вы решите потратить.

AliExpress никогда не уступит по выбору, качеству и цене. Каждый день вы будете находить новые онлайн-предложения, скидки в магазинах и возможность сэкономить еще больше, собирая купоны. Но вам, возможно, придется действовать быстро, поскольку этот топовый кварцевый генератор в кратчайшие сроки станет одним из самых востребованных бестселлеров. Подумайте, как вам будут завидовать друзья, когда вы скажете им, что приобрели микросхему кварцевого генератора на AliExpress.Благодаря самым низким ценам в Интернете, дешевым тарифам на доставку и возможности получения на месте вы можете еще больше сэкономить.

Если вы все еще не уверены в микросхеме кварцевого генератора и думаете о выборе аналогичного продукта, AliExpress — отличное место для сравнения цен и продавцов. Мы поможем вам разобраться, стоит ли доплачивать за высококачественную версию или вы получаете столь же выгодную сделку, приобретая более дешевую вещь.А если вы просто хотите побаловать себя и потратиться на самую дорогую версию, AliExpress всегда позаботится о том, чтобы вы могли получить лучшую цену за свои деньги, даже сообщая вам, когда вам будет лучше дождаться начала рекламной акции. и ожидаемая экономия.AliExpress гордится тем, что у вас всегда есть осознанный выбор при покупке в одном из сотен магазинов и продавцов на нашей платформе. Реальные покупатели оценивают качество обслуживания, цену и качество каждого магазина и продавца.Кроме того, вы можете узнать рейтинги магазина или отдельных продавцов, а также сравнить цены, доставку и скидки на один и тот же продукт, прочитав комментарии и отзывы, оставленные пользователями. Каждая покупка имеет звездный рейтинг и часто имеет комментарии, оставленные предыдущими клиентами, описывающими их опыт транзакций, поэтому вы можете покупать с уверенностью каждый раз. Короче говоря, вам не нужно верить нам на слово — просто слушайте миллионы наших довольных клиентов.

А если вы новичок на AliExpress, мы откроем вам секрет.Непосредственно перед тем, как вы нажмете «купить сейчас» в процессе транзакции, найдите время, чтобы проверить купоны — и вы сэкономите еще больше. Вы можете найти купоны магазина, купоны AliExpress или собирать купоны каждый день, играя в игры в приложении AliExpress. Вместе с бесплатной доставкой, которую предлагают большинство продавцов на нашем сайте, мы думаем, вы сможете приобрести ic кварцевый генератор по самой выгодной цене.

У нас всегда есть новейшие технологии, новейшие тенденции и самые обсуждаемые лейблы.На AliExpress отличное качество, цена и сервис всегда в стандартной комплектации. Начните самый лучший шоппинг прямо здесь.

Crystal Oscillators

Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу страницу, посвященную осцилляторам

Вниманию поставщиков VCXO … эта страница — возможность для вас продемонстрировать свои товары. Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Нам сообщили, что у Wenzel Associates есть отличная веб-страница, посвященная кварцевым генераторам, в том числе несколько отличных загрузок. Ознакомьтесь с ними, нажав здесь, чтобы увидеть библиотеку Венцеля!

Вот потрясающий 40-минутный видеоролик о производстве смертельно точных пьезоэлектрических пластин для радиосвязи из сырых кристаллов во время Второй мировой войны. Спасибо Керри за то, что поделился этим! Если вы думаете, что выравнивание направления кристаллов, пиление и полировка пластин были разработаны в эпоху «современного» кремния, вы ошибаетесь.Посмотрите это видео, и если вы ничего не узнаете, обратитесь к Неизвестному редактору, и он вернет вам оставшуюся плату за подписку на Microwaves101.

Проверьте это, никто в видео не такой крупный, как большинство, если бы вы сегодня снимали фабрику в США (особенно если вы снимали фильм на фабрике чизкейков …)

Кристаллы идут на войну

Вот несколько комментариев по безопасности от Стива, который просматривал видео:

Помимо средней массы рабочих, другое, что меня интересует в видео, — это почти полное отсутствие каких-либо забот о промышленной безопасности.Например, хромовая кислота, использованная в 28:00 в видео, вещество в открытой ванне на плите (гарантирующее выделение газа и т. Д.) Является канцерогенным. Не только немного канцерогенный, но и настолько канцерогенный, что сегодня практически не используется ни в каком промышленном производстве. Речь идет о костюме-кролике с вентилятором с положительным давлением, токсичным / канцерогенным. Изображенная на фото девушка просто работала над чаном с материалом без какой-либо защиты. Угу!

Не хочу даже представить, куда ушли их сточные воды…

Да, согласны. И все на этой фабрике должны быть в защитных очках, без исключения.

Мы начнем эту страницу с некоторых определений:

Кварцевый генератор (XO)
Кварцевый генератор без каких-либо наворотов может обеспечить стабильность частоты до 100 ppm в умеренном температурном диапазоне. Проблема в том, что кварцевые генераторы по своей природе чувствительны к температуре.

кварцевый генератор в печи (OXO)
Использование специализированных нагревательных элементов, контроллеров и температурных камер, стабильность кварцевого генератора может быть улучшена до 10 ^-10 (0.0001 PPM).

Кварцевый генератор, управляемый напряжением (VCXO)
Это кварцевый генератор, который позволяет настраивать его частоту с помощью внешнего регулятора напряжения. Это сердце многих схем фазовой автоподстройки частоты, автоматической регулировки частоты и схем частотной модуляции. Элемент, который выполняет настройку, — это варактор (конденсатор переменного напряжения).

Кварцевый генератор с температурной компенсацией (TCXO)
Аналогичен VXCO в том, что варактор используется для изменения частоты колебаний.Внутренняя сеть температурной компенсации, использующая термисторы или другие датчики температуры, используется для подачи на устройство сформированного сигнала управления напряжением при превышении температуры, так что обеспечивается стабильная частотная работа.