Кварцевый генератор принцип работы. Кварцевые генераторы: принцип работы, преимущества и применение

В данной схеме:

• X — кварцевый резонатор
• VT — транзистор
• R1, R2 — резисторы смещения
• C1, C2 — конденсаторы обратной связи

Кварцевый резонатор включен между базой и эмиттером транзистора. Конденсаторы C1 и C2 образуют цепь положительной обратной связи. Резисторы R1 и R2 задают рабочую точку транзистора.

Как возникают колебания в кварцевом генераторе?

Процесс возникновения и поддержания колебаний в кварцевом генераторе можно описать следующим образом:

1. При включении питания в цепи возникают случайные шумы.
2. Кварцевый резонатор выделяет из шума колебания на своей резонансной частоте.
3. Эти колебания усиливаются транзистором.
4. Часть усиленного сигнала через цепь обратной связи поступает на вход.
5. Если фазовые условия выполнены, колебания на резонансной частоте кварца нарастают.
6. Ограничитель стабилизирует амплитуду на определенном уровне.

В результате на выходе генератора формируются стабильные синусоидальные колебания с частотой, близкой к резонансной частоте кварцевого резонатора.

Преимущества кварцевых генераторов

Кварцевые генераторы обладают рядом важных преимуществ по сравнению с LC-генераторами:

• Высокая стабильность частоты (до 10^-8 — 10^-10)
• Малые температурный и временной дрейфы частоты
• Низкий уровень фазовых шумов
• Высокая добротность (10^4 — 10^6)
• Малые габариты
• Простота конструкции

Эти преимущества обусловлены уникальными свойствами кварцевых резонаторов — высокой добротностью, стабильностью параметров и малой зависимостью от внешних факторов.

Основные характеристики кварцевых генераторов

К основным характеристикам кварцевых генераторов относятся:

• Номинальная частота
• Температурная стабильность частоты
• Долговременная стабильность частоты
• Уровень фазовых шумов
• Выходная мощность
• Потребляемая мощность
• Диапазон рабочих температур
• Время установления частоты

Типичные значения некоторых характеристик:

• Температурная стабильность: 10^-6 — 10^-8
• Долговременная стабильность: 10^-7 — 10^-9 в год
• Уровень фазовых шумов: -130…-160 дБн/Гц при отстройке 1 кГц

Типы кварцевых генераторов

Существует несколько основных типов кварцевых генераторов:

1. Простые кварцевые генераторы (XO)
2. Термокомпенсированные кварцевые генераторы (TCXO)
3. Термостатированные кварцевые генераторы (OCXO)
4. Кварцевые генераторы с цифровой подстройкой частоты (DCXO)
5. Кварцевые генераторы с управлением напряжением (VCXO)

Выбор типа генератора зависит от требований к стабильности частоты и условий эксплуатации.

Применение кварцевых генераторов

Благодаря своим преимуществам, кварцевые генераторы широко применяются в различных областях:

• Телекоммуникационное оборудование
• Компьютерная техника
• Измерительные приборы
• Радио- и телевизионная аппаратура
• Системы навигации и позиционирования
• Космическая и военная техника
• Медицинское оборудование

Они используются в качестве источников опорных частот, тактовых генераторов, в системах синхронизации и везде, где требуется высокостабильный сигнал.

Ограничения кварцевых генераторов

Несмотря на множество достоинств, кварцевые генераторы имеют и некоторые ограничения:

• Фиксированная частота (сложно перестраивать в широком диапазоне)
• Ограниченный частотный диапазон (обычно до 200-300 МГц)
• Чувствительность к механическим воздействиям
• Относительно высокая стоимость прецизионных генераторов
• Ограниченная выходная мощность

Эти ограничения необходимо учитывать при выборе генератора для конкретного применения.

Перспективы развития кварцевых генераторов

Основные направления совершенствования кварцевых генераторов включают:

• Повышение стабильности частоты
• Расширение частотного диапазона
• Уменьшение фазовых шумов
• Миниатюризация
• Снижение энергопотребления
• Улучшение устойчивости к внешним воздействиям

Развитие технологий позволяет создавать все более совершенные кварцевые генераторы, отвечающие растущим требованиям современной электроники.

Заключение

Кварцевые генераторы остаются незаменимым элементом во многих областях электроники благодаря уникальному сочетанию высокой стабильности, низких шумов и относительной простоты. Понимание принципов их работы и особенностей применения необходимо для грамотного выбора и использования этих устройств.

КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР • Большая российская энциклопедия

Авторы: В. В. Дмитриев

КВА́РЦЕВЫЙ ГЕНЕРА́ТОР, ма­ло­мощ­ный ге­не­ра­тор элек­трич. ко­ле­ба­ний с са­мо­воз­бу­ж­де­ни­ем, в со­став ко­ле­ба­тель­ной сис­те­мы ко­то­ро­го вхо­дит квар­це­вый пье­зо­элек­три­че­ский ре­зо­на­тор. Ха­рак­те­ри­зу­ет­ся вы­со­кой ста­биль­но­стью час­то­ты ге­не­ри­руе­мых ко­ле­ба­ний, что обу­слов­ле­но вы­со­кой доб­рот­но­стью квар­це­во­го ре­зо­на­то­ра (10⁵–10⁷).

Схема кварцевого генератора – последовательного резонанса с кварцевым резонатором (КР) в колебательном контуре: C1,2,3 – конденсаторы; R1,2,3,4 – резисторы; L – катушка индукти…

Элек­трич. схе­мы К. г. прин­ци­пи­аль­но не от­ли­ча­ют­ся от схем ге­не­ра­то­ров элек­три­че­ских ко­ле­ба­ний с обыч­ны­ми ко­ле­ба­тель­ны­ми кон­ту­ра­ми. Па­ра­мет­ры ко­ле­ба­тель­ной сис­те­мы К. г. вы­би­ра­ют­ся так, что­бы бóль­шая часть энер­гии бы­ла со­сре­до­то­че­на в квар­це­вом ре­зо­на­то­ре; в этом слу­чае ге­не­ри­руе­мая час­то­та оп­реде­ля­ет­ся гл. обр. соб­ст­вен­ной час­то­той ре­зо­на­то­ра. Квар­це­вый ре­зо­на­тор об­ла­да­ет вы­со­ки­ми ме­ха­нич. проч­но­стью и хи­мич. стой­ко­стью, не­чув­ст­ви­те­лен к влаж­но­сти; его соб­ст­вен­ная час­то­та сла­бо за­ви­сит от темп-ры. Раз­ли­ча­ют схе­мы К. г. по­сле­до­ва­тель­но­го ре­зо­нан­са, в ко­то­рых квар­це­вый ре­зо­на­тор эк­ви­ва­лен­тен ак­тив­но­му со­про­тив­ле­нию (рис.), и ос­цил­ля­тор­ные – квар­це­вый ре­зо­на­тор эк­ви­ва­лен­тен ин­дук­тив­но­сти. В за­ви­си­мо­сти от ве­ли­чи­ны не­ста­биль­но­сти час­то­ты и/или воз­мож­но­сти из­ме­не­ния час­то­ты ко­ле­ба­ний К. г. под­раз­де­ля­ют на про­стые, не со­дер­жа­щие до­пол­нит. эле­мен­тов для улуч­ше­ния па­ра­мет­ров; управ­ляе­мые, час­то­ту ко­то­рых мож­но из­ме­нять по­сред­ст­вом внеш­не­го воз­дей­ст­вия; тер­мо­ком­пен­си­ро­ван­ные, у ко­то­рых от­кло­не­ние (уход) час­то­ты $\Delta f$ от её но­ми­наль­но­го зна­че­ния $f$ в за­дан­ном ин­тер­ва­ле темп-р умень­ша­ют с по­мо­щью до­пол­нит. элек­трич. уст­ройств; тер­мо­ста­ти­ро­ван­ные, у ко­то­рых все или не­ко­то­рые эле­мен­ты по­ме­ще­ны в тер­мо­стат. Су­ще­ст­ву­ют так­же К. г. сме­шан­но­го ти­па (напр., управ­ляе­мый тер­мо­ком­пен­си­ро­ван­ный К. г.).

Час­то­та ге­не­ри­руе­мых ко­ле­ба­ний в за­ви­си­мо­сти от ти­па К. г. со­став­ля­ет от не­сколь­ких кГц до 100 МГц и бо­лее. Ста­биль­ность час­то­ты, ха­рак­те­ри­зуе­мая от­но­ше­ни­ем $\Delta f/f$, дос­ти­га­ет у про­стых К. г. ± 5·10^–6 в диа­па­зо­не темп-р от –60 до 100 °C, у тер­мо­ком­пен­си­ро­ван­ных 5·10^–7 (от –60 до 85 °C), у тер­мо­ста­ти­ро­ван­ных 10^–10 (10–40 °C). Мощ­ность К. г. ог­ра­ни­че­на проч­но­стью квар­це­вой пла­сти­ны, её раз­ме­ра­ми и, как пра­ви­ло, не пре­вы­ша­ет не­сколь­ких де­сят­ков Вт. К. г. ши­ро­ко при­ме­ня­ют­ся в разл. ра­дио­пе­ре­даю­щих уст­рой­ст­вах (в ка­че­ст­ве за­даю­щих ге­не­ра­то­ров), в квар­це­вых ча­сах, мо­гут слу­жить эта­ло­на­ми вре­ме­ни и стан­дар­тов час­то­ты.

Военно-техническая подготовка

1.

Генератор сигналов — это устройство, позволяющее получать сигнал определённой природы (электрический, акустический и т.д.), имеющий заданные характеристики (форму, энергетические или статистические характеристики и т. д.). Генераторы широко используются для преобразования сигналов, для измерений и в других областях. Состоит из источника (устройства с самовозбуждением, например усилителя охваченного цепью положительной обратной связи) и формирователя (например, электрического фильтра)

1.10.1. LC генераторы.

Генератор (производитель) гармонических колебаний представляет собой усилитель с положительной обратной связью. Усилитель с отрицательной обратной связью является дискриминатором (подавителем, активным фильтром). Усилитель генератора может быть как однокаскадным, так и многокаскадным.

Цепи положительной обратной связи выполняют две функции: сдвиг сигнала по фазе для получения петлевого сдвига близкого к n*2π и фильтра, пропускающего нужную частоту. Функции сдвига фазы и фильтра могут быть распределены на две составные части генератора — на усилитель и на цепи положительной обратной связи или целиком возложены на цепи положительной обратной связи. В цепи положительной обратной связи могут стоять усилители.

Необходимыми условиями для возникновения гармонических незатухающих колебаний являются:

1. петлевой сдвиг фазы равный n*360°±90°,

2. петлевое усиление >1,

3. рабочая точка усилительного каскада в середине диапазона входных значений.

Рис 1. Типовой график зависимости амплитуды выходного сигнала генератора от частоты

Рис 2. LC-генератор с перекрёстными связями на кольце из двух инверторов

1.10.2. Кварцевые генераторы.

Кварцевый генератор — автогенератор электромагнитных колебаний с колебательной системой, в состав которой входит кварцевый резонатор. Предназначен для получения колебаний фиксированной частоты с высокой температурной и временной стабильностью, 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.

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 ватт]. При более высокой мощности кварцевый резонатор может разрушиться из-за возникающих в нём сильных механических напряжений. На практике, при необходимости получения большей мощности 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

• фиксированной 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.

Что такое кварцевый осциллятор?, Применение, Схема

Тестовая серия

Автор: Мохит Униял|Обновлено: 5 августа 2022 г. Значения сопротивления, емкости и индуктивности в RC- и LC-генераторах чувствительны к температуре и частоте. Этот вопрос может быть решен при использовании пьезоэлектрических кристаллов в генераторах. Такие генераторы называются кварцевыми генераторами.

Пьезоэлектрический эффект является фундаментальным принципом кварцевых генераторов. Пьезоэлектрические кристаллы, такие как кварц, сегнетовая соль и т. д., обладают свойствами электромеханического резонанса, поэтому эти кристаллы используются в кварцевых генераторах. В этой статье вы получите обзор и работу кварцевого генератора, пьезоэлектрический эффект и его преимущества.

Содержание

• 1. Что такое кварцевый осциллятор?
• 2. Основной принцип кварцевого генератора
• 3. Пьезоэлектрический эффект
• 4. Эквивалентная схема пьезоэлектрических кристаллов
• 5. Схема кварцевого генератора (Кварцевый генератор Пирса)
• 6. Работа кварцевого генератора
• 7. Преимущества и недостатки кварцевого генератора6 Читать полностью 90

  Что такое кварцевый осциллятор?

  Кварцевый генератор — это генератор, в котором пьезоэлектрический кристалл используется в качестве элемента, определяющего частоту. Кварц является наиболее распространенным типом пьезоэлектрического кристалла. Кварцевые генераторы используются для обеспечения высокой емкости нагрузки.

  Эти генераторы являются стабильными высокочастотными генераторами, поскольку частота не меняется из-за изменений параметров транзистора, вызванных температурным дрейфом. Это также приводит к очень высокому коэффициенту качества кварцевых генераторов.

  Основной принцип кварцевого генератора

  Основным принципом кварцевого генератора является пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрические кристаллы используются для проявления пьезоэлектрического эффекта.

  Пьезоэлектрический эффект

  Кристалл демонстрирует явление, при котором возникает разность потенциалов на противоположных сторонах кристалла, когда на одну из его граней воздействует изменяющееся механическое напряжение. Кроме того, механическое напряжение создается вдоль других граней, когда к одной из граней приложена разность потенциалов. Пьезоэлектрический эффект — это термин, данный этому явлению.

  Пьезоэлектрический кристалл механически вибрирует, когда на него воздействует соответствующее переменное напряжение. Наибольшая вибрация возникает на собственной резонансной частоте кристалла, определяемой физическими размерами и способом огранки кристалла.

  Пьезоэлектрические кристаллы, такие как сегнетовая соль, кварц и турмалин, представляют собой кристаллические вещества, проявляющие пьезоэлектрический эффект. Из-за своей низкой стоимости и доступности в природе кварц является наиболее используемым пьезоэлектрическим кристаллом.

  Эквивалентная схема пьезоэлектрических кристаллов

  Резонансные свойства пьезоэлектрических кристаллов характеризуются большой индуктивностью L, очень малой последовательной емкостью CS и последовательным сопротивлением r при колебаниях кристалла. Его также можно охарактеризовать как параллельную емкость CP, когда кристалл не колеблется. Конденсатор CP представляет собой электростатическую емкость между двумя параллельными пластинами кристалла.

  Начиная с C _P » C _S , эти две резонансные частоты очень близки, как показано ниже. Кроме того, последовательный резонанс намного преобладает над параллельным резонансом. Таким образом, собственная частота пьезоэлектрических кристаллов может быть аппроксимирована следующим образом: s и ω _p . ∴ Эти пьезоэлектрические кристаллы можно использовать для замены катушек индуктивности, присутствующих в генераторе Колпитца.

  Схема кварцевого генератора (Кварцевый генератор Пирса)

  Существуют различные конфигурации цепей кварцевого генератора, включая кварцевый генератор Клапа, кварцевый генератор Колпитца и регулируемый коллекторный генератор с кварцевым управлением. Наиболее часто используемым генератором является КМОП-генератор на кристалле Пирса.

  Приведенная выше схема основана на конфигурации Колпитца. Резистор R _f обеспечивает рабочую точку постоянного тока в области высокого коэффициента усиления характеристики передачи напряжения КМОП-инвертора.

  Работа кварцевого генератора

  Кварцевый генератор управляет частотой колебаний в этой базовой схеме и работает на своей последовательной резонансной частоте, обеспечивая низкоимпедансное соединение между выходом и входом. При резонансе происходит фазовый сдвиг на 180°, что вызывает положительную обратную связь.

  Сопротивление, R ₁ , определяет количество обратной связи и возбуждение кварца. Поскольку осциллятор Пирса прост в реализации, он используется в цифровых часах, наручных часах и таймерах. Последовательная резонансная частота кристалла определяет частоту колебаний схемы и определяется как:

  ω ₀ = 1/√(LC _S )

  f ₀ = 1/[2π√(LC _S )]

  Следует отметить, какая рабочая частота схемы поддерживается постоянен кварцем, не зависит от изменений напряжения питания, характеристик транзисторных устройств и т. д.

  Преимущества и недостатки кварцевого генератора

  Кварцевый генератор имеет несколько преимуществ. Некоторые из них:

  • Они чрезвычайно стабильны независимо от изменений температуры и параметров устройства.
  • Очень высокая добротность (Q) генератора.
  • Поскольку кристалл в основном колеблется вдоль одной оси, преобладает только одна фаза. Из-за этого кварцевый генератор может иметь чрезвычайно низкий фазовый шум.

  Недостатком кварцевого генератора является то, что в этом типе генератора частота колебаний фиксирована.

  Часто задаваемые вопросы о кварцевом генераторе

  • Что такое кварцевый генератор?

    Кварцевый генератор представляет собой синхронизирующее устройство, состоящее из усилителя и пьезоэлектрического кристалла. Когда пьезоэлектрический кристалл помещается внутрь усилителя и подается небольшое количество энергии, он начинает вибрировать. Это приводит к колебаниям на определенной частоте.

  • Для чего нужен кварцевый генератор?

    Для обеспечения надежного тактового сигнала и в особых ситуациях, когда требуется высокочастотный опорный сигнал, в цифровых интегральных схемах в основном используются кварцевые генераторы. Для астрономической навигации, космического слежения, измерительных приборов, медицинских устройств и других целей кварцевый осциллятор используется в исследованиях и измерениях.

  • Каков диапазон частот кварцевого генератора?

    В зависимости от конструкции схемы и используемого усилителя большинство кварцевых генераторов могут генерировать частоты в диапазоне примерно от 40 кГц до значительно более 100 МГц. Доступны следующие частоты для кварцевых генераторов: 1,0 МГц, 1,8432 МГц, 2,0 МГц, 2,457 МГц, 3,276 МГц, 3,579 МГц и 4,0 МГц.

  • Почему кварц используется в кварцевых генераторах?

    Поскольку кварц легкодоступен, прочен и доступен по разумной цене, он является наиболее распространенным типом кристалла. Кристалл получает переменное напряжение параллельно. Кристалл начинает вибрировать с частотой приложенного напряжения при подаче переменного напряжения.

  • Что такое добротность кристалла?

    Аббревиатура Q означает качество. Стабильность частоты Crystal определяется этой добротностью. Типичный диапазон добротности кристалла составляет от 20 000 до более 100 000. Иногда добротность кристалла превышает 200 000 и также поддается наблюдению.

  • Какова частота кристалла кварца?

    Обычные кристаллы кварца имеют частотный диапазон от 32,768 кГц до более 200 МГц. Кварцевые кристаллы с более высокой частотой обычно предлагаются в меньших формах крепления.

  ESE & GATE EC

  Electronic & Comm.gategate Eceseese Ecother Series

  Избранные статьи

  • . Приложение

  GradeStack Learning Pvt. Ltd.Windsor IT Park, Tower — A, 2-й этаж,

  Sector 125, Noida,

  Uttar Pradesh 201303

  [email protected]

  Физический принцип кварцевого генератора

  Физический принцип кварцевого генератора

  Дом > Новости > Физический принцип кварцевого генератора

  Возврат

  Время выхода: 27 марта 2020 г. Просмотров раз: 1860 раз

  Структура кварцевого генератора очень проста. Его ядро ​​представляет собой кусок кристалла кварца. Кварц в природе находится в гексагональном состоянии. Если кристалл нарезать на срезы в соответствии с определенной ориентацией, это кварцевая пластина. Нанесите тонкий слой серебра на обе стороны чипа, а затем припаяйте два вывода. Помещенный в металлический или стеклянный корпус, он становится генератором на кварцевом кристалле.
  

  
  Кварц представляет собой изолятор с посеребренными электродами с обеих сторон. Это типичный конденсатор с параллельными пластинами, когда кристалл не работает. Его емкость невелика, обычно от нескольких пф до десятков пф. Т
  
  Кристалл кварца обладает очень замечательной характеристикой: когда к пластине прикладывается механическая сила, создается электрическое поле в соответствующем направлении пластины; в свою очередь, электрическое поле прикладывается между двумя электродами кварцевой пластины, и пластина механически деформируется. Это физическое явление называется пьезоэлектрическим эффектом. Теперь подайте переменное напряжение на два полюса кварцевой пластины, и оно вызовет механическую вибрацию. Механическая вибрация вызовет переменное электрическое поле на пластине. Просто амплитуда этой механической вибрации и изменение переменного электрического поля очень малы. Амплитуда будет резко увеличиваться только тогда, когда частота приложенного переменного напряжения будет равна определенной частоте. Это явление называется пьезоэлектрическим резонансом. Конкретная частота называется собственной частотой или резонансной частотой кварцевого кристалла. Собственная частота определяется размером пластины и углом резки.
  
  Кварцевый генератор имеет достаточно стабильную частоту колебаний, поскольку на фиксированную частоту кварцевого кристалла мало влияют изменения температуры. Этот эффект связан с тем, как кристалл кварца разрезается на тонкие пластины. Параметры собственной частоты кристаллов кварца в основном зависят от толщины среза и обратно пропорциональны толщине.