Подключение кварцевого резонатора. Кварцевый резонатор: принцип работы, подключение и применение — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как работает кварцевый резонатор. Какие преимущества дает использование кварцевого резонатора. Как правильно подключить кварцевый резонатор к схеме. Где применяются кварцевые резонаторы в электронике.

Содержание

Что такое кварцевый резонатор и как он устроен

Кварцевый резонатор представляет собой пластину, вырезанную из монокристалла кварца определенным образом. Благодаря пьезоэлектрическому эффекту кварца, при подаче на металлические электроды переменного электрического напряжения пластина начинает механически колебаться на определенной резонансной частоте.

Основные элементы конструкции кварцевого резонатора:

Кварцевая пластина с нанесенными электродами
Корпус (металлический или пластиковый)
Выводы для подключения

Частота колебаний кварцевого резонатора зависит от геометрических размеров пластины, угла ее среза относительно кристаллографических осей кварца и температуры. Типичные частоты кварцевых резонаторов лежат в диапазоне от нескольких килогерц до сотен мегагерц.

Принцип работы кварцевого резонатора

Работа кварцевого резонатора основана на пьезоэлектрическом эффекте. При подаче переменного напряжения на электроды кварцевая пластина начинает механически деформироваться, совершая колебания. Максимальная амплитуда колебаний достигается на резонансной частоте.

Ключевые особенности работы кварцевого резонатора:

Высокая стабильность частоты (до 10^-8 — 10^-10)
Высокая добротность (Q = 10⁴ — 10⁶)
Малые размеры по сравнению с LC-контурами
Температурная зависимость частоты

Благодаря высокой добротности, кварцевый резонатор имеет очень узкую полосу пропускания вблизи резонансной частоты. Это позволяет использовать его как прецизионный фильтр или стабильный задающий генератор.

Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Для анализа работы кварцевого резонатора в электрических цепях используется его эквивалентная схема:

L_s — динамическая индуктивность
C_s — динамическая емкость
R_s — последовательное сопротивление потерь
C₀ — статическая емкость между электродами

Параметры эквивалентной схемы определяют ключевые характеристики резонатора:

Резонансная частота: f_s = 1 / (2π√(L_sC_s))
Добротность: Q = (1/R_s)√(L_s/C_s)
Последовательный резонанс: f_s
Параллельный резонанс: f_p = f_s√(1 + C_s/C₀)

Понимание эквивалентной схемы помогает правильно рассчитать параметры схемы включения кварцевого резонатора.

Как правильно подключить кварцевый резонатор

При подключении кварцевого резонатора к схеме важно учитывать следующие моменты:

Выбрать резонатор с подходящей частотой и типом корпуса
Подключить резонатор между входом и выходом инвертирующего усилителя
Добавить нагрузочные конденсаторы C_L (12-30 пФ) между выводами резонатора и общим проводом
При необходимости включить подстроечный конденсатор для точной настройки частоты
Использовать короткие проводники для минимизации паразитных емкостей

Типовая схема включения кварцевого резонатора в генератор:


        ┌──────┐
     ┌──┤ Xtal ├──┐
     │  └──────┘  │
     │            │
  ───┤►           │
     │    ┌───┐   │
     └────┤inv├───┘
          └───┘
     │     │     │
    ───   ───   ───
    C_L    C_L   C_var
    │     │     │
   ───   ───   ───
   GND   GND   GND

Правильное подключение обеспечивает стабильную работу генератора на заданной частоте.

Преимущества использования кварцевых резонаторов

Кварцевые резонаторы обладают рядом важных преимуществ по сравнению с LC-контурами:

Высокая стабильность частоты (до 10^-8 — 10^-10)
Малые размеры и вес
Высокая добротность (Q = 10⁴ — 10⁶)
Низкая чувствительность к внешним воздействиям
Широкий диапазон рабочих частот (от кГц до сотен МГц)
Простота применения

Эти преимущества делают кварцевые резонаторы незаменимыми во многих областях электроники, где требуется высокая стабильность частоты.

Области применения кварцевых резонаторов

Кварцевые резонаторы широко используются в различных электронных устройствах:

Тактовые генераторы микропроцессоров и микроконтроллеров
Опорные генераторы в системах связи
Фильтры промежуточной частоты в радиоприемниках
Высокоточные часы и таймеры
Измерительные приборы (частотомеры, анализаторы спектра)

Системы навигации и позиционирования

В каждой из этих областей кварцевые резонаторы обеспечивают необходимую стабильность частоты, точность измерений или синхронизации.

Типы кварцевых резонаторов

Существует несколько основных типов кварцевых резонаторов:

AT-срез — наиболее распространенный тип для частот 1-200 МГц
BT-срез — для частот выше 10 МГц
SC-срез — высокостабильные резонаторы для прецизионных применений
GT-срез — температурно-компенсированные резонаторы

Выбор типа резонатора зависит от требуемой частоты, стабильности и условий эксплуатации устройства.

Особенности работы с кварцевыми резонаторами

При использовании кварцевых резонаторов важно учитывать следующие факторы:

Температурная зависимость частоты (до 20 ppm/°C для AT-среза)
Старение кварца (изменение частоты со временем)
Чувствительность к механическим воздействиям
Наличие паразитных резонансов
Ограничение мощности рассеивания

Правильный выбор типа резонатора и схемы включения позволяет минимизировать влияние этих факторов на работу устройства.

Заключение

Кварцевые резонаторы являются ключевыми компонентами современной электроники, обеспечивающими высокую стабильность частоты. Их уникальные свойства позволяют создавать прецизионные генераторы, фильтры и другие устройства с высокими характеристиками.

Правильное понимание принципов работы и особенностей применения кварцевых резонаторов — важный навык для разработчиков электронной аппаратуры. Это позволяет создавать надежные и высокоточные устройства для различных областей техники.

Подключение кварцевого резонатора

Возник вопрос, для чего нужна индуктивность L16, которая в перечне компонентов значится как smd перемычка? Посмотрев, как производитель кварца рекомендует их подключать, нашел похожую схему для кварцев на 3-ю гармонику. Да, LC цепочка нужна для режекции основной гармоники, при генерации на 3-ей. Выше 40 МГц в основном делают на 3-ей гармонике, четкой границы нет. На основной гармонике вместо L16 должна быть перемычка. В руководстве по включению кварца производитель рекомендует контур подключать на выход генератора:.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

Кварцевые резонаторы и генераторы GEYER ELECTRONIC

Микроконтроллеры Atmel AVR – Часть 2

Как проверить кварцевый резонатор.

Кварцевый резонатор

7.4. Источники синхронизации

Кварцевый резонатор

Стабилизация частоты микроконтроллера кварцевым резонатором

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: КАК СДЕЛАТЬ ГЕНЕРАТОР ЧАСТОТЫ. ГЕНЕРАТОР ПИРСА

Кварцевые резонаторы и генераторы GEYER ELECTRONIC

Да, LC цепочка нужна для режекции основной гармоники, при генерации на 3-ей. Выше 40 МГц в основном делают на 3-ей гармонике, четкой границы нет. На основной гармонике вместо L16 должна быть перемычка. В руководстве по включению кварца производитель рекомендует контур подключать на выход генератора:. Или в одном случае параллельный контур для выделения 3-й гармоники, а в другом случае последовательный контур для подавления основной гармоники?

You need to be a member in order to leave a comment. Sign up for a new account in our community. Already have an account? Sign in here. Подключение ВЧ кварцевого резонатора. В референс-дизайне радио чипа обнаружил такое подключение кварца на 50МГц Возник вопрос, для чего нужна индуктивность L16, которая в перечне компонентов значится как smd перемычка? Я правильно понимаю, что для кварца на основную гармонику я L16 могу спокойно выкинуть, а при применении кварца на 3-ю гармонику на место C38 и L16 нужно паять другие компоненты?

Или тут другой смысл? Share this post Link to post Share on other sites. А вот еще вопрос: В руководстве по включению кварца производитель рекомендует контур подключать на выход генератора: а у радио-чипа индуктивность подключена на вход.

Это имеет значение? Create an account or sign in to comment You need to be a member in order to leave a comment Create an account Sign up for a new account in our community. Register a new account. Sign in Already have an account? Sign In Now. Go To Topic Listing Схемотехника.

Микроконтроллеры Atmel AVR – Часть 2

Она производит кварцевые и керамические резонаторы, кварцевые генераторы с популярными рабочими частотами в широко распространенных выводных корпусах и корпусах для поверхностного монтажа. Изделия предназначены для аппаратуры связи, автомобильной электроники, мультимедиа, промышленной и бытовой электронной аппаратуры. Фирма выпускает более 8 млн. Для правильного выбора кварцевого резонатора необходимо знать основные важные параметры его эквивалентной схемы, которая вместе с основными формулами показана на рисунке 1.

Для подключения часового кварцевого резонатора 32 кГц предусмотрены отдельные выводы TOSC1 и TOSC2. Кварцевый генератор частоты.

Как проверить кварцевый резонатор.

Решил написать книгу … … про реальную разработку устройств на stm Поэтому думаю обновления если и будут, то нерегулярным и в основном в виде кусочков из книги. Что бы не было скучно, вот вам малюсенький кусочек, можно сказать бета-версия про кварцевые резонаторы и вообще частоты. Сами по себе микроконтроллеры работать не умеют. Им нужны всякие сопутствующие элементы. Если мы планируем использовать более-менее точное время в наших проектах, то нам жизненно необходим внешний часовой кварцевый резонатор. Без него уход времени на минут в сутки станет совершенно нормальным.

Кварцевый резонатор

Источники синхронизации разделяются на две основные группы: внутренние генераторы и внешние источники синхронизации. Большинство источников синхронизации поддерживают возможность программного включения и отключения, в то время как остальные — автоматически включаются и отключаются, в зависимости от текущей настройки УВВ. После сброса, МК синхронизируется внутренним генератором частоты 2 МГц. Внутренние генераторы не требуют для своей работы каких-либо внешних компонентов. Подробности о характеристиках, в т.

Так как в МСП все Тактирование от кварцевого генератора на Гц.

7.4. Источники синхронизации

Портал о науке и технике Статьи Новости Видео Обзоры. Забыли пароль? Воспользуйтесь строкой поиска, чтобы найти нужный материал. Главная Схемотехника Как проверить кварцевый резонатор. Как проверить кварцевый резонатор. Сразу хотелось бы сказать, что проверить кварцевый резонатор с помощью мультиметра не получится.

Кварцевый резонатор

By fabrickijalex , April 20, in МК для начинающих. Я хочу понять как кварцевый резонатор стабилизирует тактовую частоту микроконтроллера. Я знаю что на определённой частоте сопротивление кварца минимально и чисто активно. Но каким образом кварц работает именно на этой частоте, ведь он может работать на любой частоте, просто его сопротивление будет выше. Мы принимаем формат Sprint-Layout 6! Экспорт в Gerber из Sprint-Layout 6. Он не стабилизирует частоту, он колеблется с этой частотой. Резонансная механическая частота совпадает с резонансной электрической частотой.

Одно из наиболее удобных технических решений про- блемы стабилизации частоты – применение кварцевых резонаторов на основе объемных.

Стабилизация частоты микроконтроллера кварцевым резонатором

Постоянный рост требований к электронике она усложняется, миниатюризируется, у неё снижается энергопотребление диктует необходимость использования маломощных, миниатюрных и надежных радиоэлектронных компонентов. Точная и стабильная тактовая частота требуется для большинства встраиваемых систем — от мобильных телефонов до бортовых систем автомобиля. Для поддержания частоты на заданном значении имеется несколько различных методов, в них применяются разные компоненты, и каждый метод отличается по стабильности, размеру и стоимости.

Символьный дисплей HD Для работы всем контроллерам, процессорам, цифровым электронным устройствам необходим источник тактовых импульсов. Он может быть как внешний в виде RC цепочки, керамического или кварцевого осциллятора, кварцевого генератора, также может находиться внутри контроллера. STM32 тут не исключение. Данный контроллер имеет множество вариантов тактирования и обладает гибкими и широкими настройками управления тактированием своей периферии. В работе будет использована библиотека Standard Peripheral Library.

Портал QRZ.

Расширение диапазона плавной перестройки частоты генератора с нескольки- ми частотозадающими кварцевыми резонаторами в цепи обратной связи. Сверхзадача «утянуть» частоту колебаний кварцевого генератора подальше от основной частоты механического резонанса занимает пытливые умы радиолюбителей давно и пронзительно. Причём, ни появление на свет синтезаторов частот с ФАПЧ, ни проклёвывание широкополосных цифровых DDS синтезаторов — никакого влияния на этот маниакальную мечту ровным счётом не оказали. Может это извращение — сродни сексуальному, и связано с проявлением психической болезни? Едва ли. Скорее это стремление к простоте, которая, как известно, не только хуже воровства, но и — есть необходимое условие прекрасного. Наиболее далеко в этом вопросе продвинулись японские инженеры, которые отличились в далёком году применением в генераторе вместо одного — двух идентичных, включённых параллельно кварцевых резонаторов.

Продолжение переводов руководства для начинающих от SparkFun [1]. Эта часть посвящена тактированию микроконтроллера, его работе от кварцевого или керамического резонатора. Вы также познакомитесь с фьюзами микроконтроллера. Предыдующая часть: Введение во встраиваемую электронику, часть 2 как программировать микроконтроллер.

Схема подключения кварцевого резонатора

Биты кофигурации PIC18F К примеру, нам нужно выбрать режим HS. Необходимый режим работы генератора выбирается в зависимости от требуемой задачи. Особенно при питании от батарей, так как при высокой частоте тактового генератора мощность микроконтроллера увеличивается, тем самым приводит к быстрому разряду батарей. В данном режиме работы генератора задействован низкочастотный кварцевый резонатор. Диапазон частот до кГц см.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

Схема кварцевого генератора с перестраиваемой частотой колебаний.

Правильное подключение кварцевого генератора

Кварцевый резонатор

Please turn JavaScript on and reload the page.

Как проверить кварцевый резонатор.

Свойства кварцевого резонатора

Кварцевый резонатор

Принципиальные схемы кварцевых генераторов: диапазон частот от 100 кГц до 200 МГц

Кварцевый генератор

Микроконтроллеры Atmel AVR – Часть 2

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Как проверить кварцевый резонатор

Схема кварцевого генератора с перестраиваемой частотой колебаний.

Мы принимаем формат Sprint-Layout 6! Экспорт в Gerber из Sprint-Layout 6. Он не стабилизирует частоту, он колеблется с этой частотой. Резонансная механическая частота совпадает с резонансной электрической частотой.

Но это весьма упрощенно. А дальше разложение Фурье, то есть присутствуют всегда гармонические колебания. В первом приближении так Конденсаторы Panasonic. Часть 4. Полимеры — номенклатура. Главной конструктивной особенностью таких конденсаторов является полимерный материал, используемый в качестве проводящего слоя. Полимер обеспечивает конденсаторам высокую электрическую проводимость и пониженное эквивалентное сопротивление ESR. Номинальная емкость и ESR отличается в данном случае высокой стабильностью во всем рабочем диапазоне температур.

А повышенная емкость при низком ESR идеальна для решения задач шумоподавления и ограничения токовых паразитных импульсов в широком частотном диапазоне. Читать статью. Ну а что заставляет колебаться его с этой частотой? Внутренний генератор мк? Если это так тогда зачем нужен этот кварц? Вы не правы, существуют разные кварцы. Высокостабильные кварцы для генераторов работают только на основной частоте, на остальных гармониках могут и не работать.

Есть гармониковые кварцы, у которых самая хорошая добротность на одной из гармоник, почти все ВЧ кварцы — гармониковые. У Кварца есть параллельный и последовательный резонансы, разнос их зависит от многих фпкторов, основной, ось среза. Писать можно долго, лучше книжку прочитать. STM32G0 — средства противодействия угрозам безопасности. Результатом выполнения требований безопасности всегда является усложнение разрабатываемой системы. Особенно чувствительными эти расходы стали теперь, в процессе массового внедрения IoT.

Обладая мощным набором инструментов информационной безопасности, микроконтроллеры STM32G0 производства STMicroelectronics, объединив в себе невысокую цену, энергоэффективность и расширенный арсенал встроенных аппаратных инструментов, способны обеспечить полную безопасность разрабатываемого устройства.

Кварц заставляет генератор колебаться с его частотой, а не наоборот! В ещё большем упрощении кварц можно представить как некий «хитрый» конденсатор. А время заряда — разряда конденсатора есть произведение ёмкости на сопротивление, и при всех равных условиях почти просоянно. Вот тебе и контур. Пойдёшь по ссылке, что дал NebsteR станет всё ещё ясней! До 48 слоев. Быстрое прототипирование плат. Монтаж плат под ключ. По бочке удар кувалды, по кварцу активный элемент в схеме или внешние колебания в фильтре.

Вы не правы, существуют разные кварцы Ну я же сказал, что весьма упростил Вы, конечно же, правы! Когда я писл что он может работать на любой частоте, просто его сопротивление будет выше, я имел в виду что если даже подключать два вывода кварца к батарейке, то кварц всё равно будет изгибаться. Хорошо, тогда объясните пожалуйста, что происходит в момент подачи питания на мк. Кварц заставляет колебаться переменное электрическое поле.

Просто всякая система стремится к равновесию, для генератора контроллера это устойчивое состояние находится близко к резонансной частоте кварца, при другой частоте просто происходит срыв колебаний. Чуть частота увеличится, изменится сопротивление кварца и нарушится условие возникновения автоколебаний — генератор притормозит слегка Вообще кварц надо рассматривать не как конденсатор а как колебательный контур — Кристалл кварца при снятии напряжения выгибается в другую сторону и создает на выводах противоположный потенциал, как в колебательном контуре после его возмущения.

Извините за вмешательство. Но меня всегда интересовал другой вопрос. Как появился в радиотехнике кварцевый резонатор? Кто обнаружил его свойства, при каких обстоятельствах и на основании чего? Первые стабильные по частоте кварцевые резонаторы были разработаны в —х годах. Начиная с года, кварцевые резонаторы на радиостанциях использовались в качестве задающих несущую частоту элементов. В то же время резко возросло количество компаний, начавших выпускать кварцевые резонаторы; только до года в США было выпущено более чем ед.

ЗЫ: никто ничего не умалчивает, надо только более-менее уметь читать и спрашивать гугл. Из опыта, могу добавить — иногда кварцевый резонатор в цифровых схемах в цепях задающего генератора может вести себя странно то есть генератор при включении может незапуститься, поменяв полярность кварца ну как поменять полярность резистора, то есть развернуть на гр.

Снова возвращаясь к казалось бы простейшему вопросу, желаю обсудить тактовую частоту МК. В любительской среде бытует мнение о возможности регулирования тактовой частоты в небольших пределах с помощью подстроечного конденсатора.

Однако в документации на микроконтроллеры об этом не говорится ни слова. Проблема точности частоты, казалось бы, решаема обычным кварцевым резонатором. Ведь на нём написано, например, И точка. Но практические опыты показывают, либо кварц не точен, либо на конечную частоту генерации тактовых импульсов влияют емкости конденсаторов и емкости между дорожками. В частности речь пойдёт о старом китайском кварце выпуска х, пролежашем много лет в коробочке и подвергавшимся механическим вибрациям.

Часы на МК постоянно спешат. Так, при ёмкости конденсаторов как указано в даташите: 15 — 30 пФ в 15 пикофарад часы спешат примерно на минуту в сутки, а после замены на 33 пФ они начинают отставать на секунд. Неточные часы на МК, что это — сложная проблема в принципе, плохой кварц, неправильно подобранные емкости, отсутствие подстройки или неверная разводка платы? И еще, если не ошибаюсь, для кварцев критичным является скорее термостабильность чем абсолютная точность. А как сам генератор частоты подстраивается под кварцевый резонатор?

Понятно что резонатор колеблется со своей частотой. Но генератор, который подает на него ток, изначально должен колебаться с любыми частотами и в момент включения настраиваться на частоту резонатора. Вот тут и интересует как именно он может колебаться на разных частотах и как может настраиваться на нужную частоту?

Генератор без кварца — не генератор. Он им становится только в купе с кварцем, который и задает частоту всего устройства за счет своей работы в цепи генератора. В Википедии? Все равно не совсем понятно. Есть такое предположение.

Мы подаем на кварц постоянный ток, кварц изгибается, в результате создается высокое сопротивление и ток пропадает в цепи. Кварц возвращается в исходное положение, сопротивление уменьшается и ток снова появляется. Есть второе предположение. Там написано про противо-ЭДС, то есть кварц накапливает заряды энергию и потом разряжается. Если ударить по кварцу, он будет колебаться с резонансной частотой.

За счет пьезоэффекта на определенных гранях будет появляться заряд, пропорциональный изгибу. Поскольку подобные механические колебания описываются синусоидальным законом затуханием пренебрегаем, кварцы делают добротными , заряд также будет меняться по синусоидальному закону. Генератор этот заряд снимает, усиливает и подает обратно на кварц, чем компенсирует затухание.

Первичный импульс «удар» по кварцу скорее возникает не от механического удара, а от подачи импульса напряжения при включении питания. Скорей это будет керамический резонатор, по крайней мере раньше такие бескорпусные были — на любую частоту можно было сделать подрезанием кристалла. Можно использовать и поделить на два триггером в счётном режиме. You are posting as a guest.

If you have an account, sign in now to post with your account. Note: Your post will require moderator approval before it will be visible. Restore formatting. Only 75 emoji are allowed.

Display as a link instead. Clear editor. Upload or insert images from URL. МК для начинающих Search In.

Правильное подключение кварцевого генератора

Теория и практика. Кейсы, схемы, примеры и технические решения, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой.

Эквивалентная схема кварцевого резонатора и основные важные для практики При параллельном подключении конденсатора CL меняет свое.

Кварцевый резонатор

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для получения высокостабильных по частоте электрических колебаний. Достигаемый технический результат — обеспечение более высокой стабильности частоты генератора. Известны высокостабильные кварцевые генераторы на основе кварцевых резонаторов двухповоротных срезов ТД и их зарубежных аналогов СЦ, отличающиеся рядом лучших характеристик по сравнению с генераторами на резонаторах широко применяемых одноповоротных срезов AT и БТ с толщинно-сдвиговыми колебаниями [1]. Так, известен генератор, представляющий собой усилитель, в цепь положительной обратной связи ПОС которого включен кварцевый резонатор среза СЦ как частотозадающее звено, а для устранения нежелательных колебаний моды В применен дополнительный режекторный фильтр, пьезоэлектрический или на основе настраиваемых LC элементов [2]. Однако, фильтрующие элементы, особенно LC, обладают значительно большей нестабильностью параметров, чем кварцевый резонатор, и ощутимо снижают стабильность частоты генератора, усложняют его схему и удорожают производство. Известны также высокостабильные кварцевые генераторы, использующие резонаторы среза ТД, возбуждаемые параллельным полем, в которых селекция мод осуществляется в самом резонаторе [3]. Но такие резонаторы обладают существенно более высоким динамическим сопротивлением, что затрудняет их согласование со схемой генератора.

Please turn JavaScript on and reload the page.

Если полупроводниковые радиокомпоненты в основном делают из кремния, то кварц также состоит из кремния но в связке с кислородом. Его формула SiO 2. Выглядит он примерно вот так:. Ну прямо сокровище какое-то!

Как проверить кварцевый резонатор.

Свойства кварцевого резонатора

Возможно ли подключение кварцевого резонатора () к микросхеме LM Есть схема, НО вызывает сомнения.

Кварцевый резонатор

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

Принципиальные схемы кварцевых генераторов: диапазон частот от 100 кГц до 200 МГц

У меня есть два чипа, использующих 8 MHz резонаторы. Но в даташитах рекомендованые схемы подключения несколько отличаются. В одном — рекомендуют конденсаторы 20 pF, в другом 27 pF. В одном рекомендуют параллельно кварцу поставить 2 MOhm резистор, в другом — последовательно Ohm. Частота обоих генераторов одинаковая. Что здесь критично, а что не очень?

Радиофизические характеристики колеблющегося кварцевого резонатора Эквивалентная схема кварцевого резонатора и его динамические параметры.

Кварцевый генератор

Микроконтроллеры Atmel AVR – Часть 2

Резонатор механически крепится в узлах рабочей моды колебаний , чтобы снизить потери колебательной энергии через крепление кристалла. Для иных мод колебаний узлы собственных колебаний расположены в иных местах кристалла и поэтому иные моды колебаний подавлены. Для рабочей моды колебаний кристалл имеет некоторую собственную резонансную частоту механических колебаний, причем на этой частоте добротность механического резонатора очень высока. При подаче напряжения на электроды благодаря обратному пьезоэлектрическому эффекту происходит изгиб, сжатие или сдвиг в зависимости от того, каким образом вырезан кристалл относительно кристаллографических осей, конфигурации возбуждающих электродов и расположения точек крепления.

Quartz Crystal Oscillator

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 хороший генератор выдает стабильную частоту .

В случае генераторов RC (резистор-конденсатор) или RLC (резистор-индуктор-конденсатор) они не являются хорошим выбором, когда 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 RC- и RLC-цепи, но в некоторых случаях этого улучшения недостаточно.

В такой ситуации используется кварцевый кристалл . Кварц – это минерал, состоящий из атомов кремния и кислорода. Реагирует, когда на кварцевый кристалл подается источник напряжения. Он создает характеристику, идентифицированную как Пьезоэлектрический эффект . Когда к нему прикладывается источник напряжения, он меняет форму и создает механические силы, а механические силы возвращаются обратно и производят электрический заряд.

Как и преобразует электрическую энергию в механическую и механическую в электрическую обозначается как Преобразователи. Эти изменения производят очень стабильную вибрацию, и как Пьезоэлектрический эффект производит устойчивые колебания.

Кварцевый кристалл и его эквивалентная схема

Это символ кварцевого генератора . Кристалл кварца изготовлен из тонкого куска кварцевой пластины, плотно вставленной и контролируемой между двумя параллельными металлизированными поверхностями. Металлизированные поверхности предназначены для электрических соединений, а физический размер и плотность кварца, а также его толщина строго контролируются, поскольку изменения формы и размера напрямую влияют на частоту колебаний. После того, как он сформирован и контролируется, производимая частота является фиксированной, основная частота не может быть изменена на другие частоты. Эта конкретная частота для конкретного кристалла называется характеристическая частота .

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 дроссель L1, резистор R1. C1, L1, R1 соединены последовательно, а C2 соединены параллельно.

Последовательная цепь, состоящая из одного конденсатора, одного резистора и одной катушки индуктивности, символизирует контролируемое поведение и стабильную работу кристалла, а параллельный конденсатор, C2 представляет собой 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 Шунтирующей емкостью кварцевого кристалла.

Выходное сопротивление кристалла в зависимости от частоты

Если мы применим формулу реактивного сопротивления для двух конденсаторов, то, для последовательного конденсатора C1, емкостное 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: —

На верхнем изображении мы видим кривую импеданса кварцевого генератора, а также то, как этот наклон изменяется при изменении частоты. Есть два очка один равен серия с точкой резонансной частоты , а другая — параллельная резонансная частота с точкой .

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

Итак, в этой точке последовательной резонансной частоты произойдут следующие вещи:

Импеданс минимален по сравнению с другими значениями частоты.
Полное сопротивление равно последовательному резистору.
Ниже этой точки кристалл действует как емкостная форма.

Затем частота изменяется, а наклон 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. Параллельно подключенный конденсатор C2 и последовательная катушка индуктивности создают LC-контур, в результате чего выходной импеданс становится высоким.

Так кристалл ведет себя как индуктор или конденсатор в последовательном и параллельном резонансе. Кристалл может работать на обеих резонансных частотах, но не одновременно. Для работы необходимо настроиться на какой-либо конкретный.

Реактивное сопротивление 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 сопротивление цепи будет: —
X _CP = -1 / 2πfCp

Параллельное реактивное сопротивление цепи будет: —
Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp

Если мы посмотрим на 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 этот момент две параллельные емкости становятся незначительными .

С другой стороны, кристалл будет находиться в емкостной форме, когда частота находится за пределами точек fs и fp.
Мы можем рассчитать последовательную резонансную частоту и параллельную резонансную частоту, используя эти две формулы:

Коэффициент добротности для кварцевого кристалла:
Q — это краткая форма качества . Это важный аспект резонанса кварцевого кристалла. Эта добротность определяет стабильность частоты Crystal. В общем, добротность кристалла имеет диапазон от 20 000 до более чем 100 000 . Иногда наблюдается также добротность кристалла более 200 000.
Добротность кристалла можно рассчитать по следующей формуле –
Q = X _L / R = 2πfsL ₁ / R
Где X _L – реактивное сопротивление индуктора, а R – сопротивление .

Пример кварцевого генератора с расчетом
Мы рассчитаем резонансную частоту серии кварцевых кристаллов, параллельную резонансную частоту и добротность кристалла, когда доступны следующие точки:
R1 = 6. 8R
C1 = 0.09970pF
L1 = 3mH
And C2 = 30pF

Series resonant frequency of the crystal is –

Параллельная резонансная частота кристалла , fp равна –

Теперь мы можем понять, что последовательная резонансная частота равна 9,20 МГц , а параллельная резонансная частота равна 9,23 МГц
. Q-коэффициента этого кристалла будет составлять
Colpitts Crystal Oscillator
Crystal Oscillator Circuit Construlated Construred Construed Bipolar или различные типы . На верхнем изображении показан осциллятор Колпитца; Емкостной делитель напряжения используется для обратной связи . Транзистор Q1 имеет схему с общим эмиттером. В верхней схеме R1 и R2 используются для смещения транзистора, а C1 используется в качестве шунтирующего конденсатора, защищающего базу от радиопомех.
В этой конфигурации кристалл будет действовать как шунт из-за соединения коллектора с землей . Это параллельная резонансная конфигурация. Конденсаторы C2 и C3 используются для обратной связи. Кристалл Q2 включен как параллельный резонансный контур.
Выходное усиление в этой конфигурации низкое, чтобы избежать рассеивания избыточной мощности в кристалле.

Кварцевый генератор Пирса
Другая конфигурация, используемая в кварцевом генераторе, где транзистор заменен на JFET для усиления, где JFET в очень высокий входной импеданс когда кварцевый резонатор подключен к стоку и затвору с помощью конденсатора .

На верхнем изображении показана схема кварцевого генератора Пирса . C4 обеспечивает необходимую обратную связь в этой схеме генератора. Эта обратная связь является положительной обратной связью, которая представляет собой фазовый сдвиг на 180 градусов на резонансной частоте. R3 управляет обратной связью, а кварц обеспечивает необходимые колебания.
Кварцевый генератор Пирса требует минимального количества компонентов, поэтому его лучше выбирать в условиях ограниченного пространства. В цифровых часах, таймерах и различных типах часов используется схема кварцевого генератора . Пиковое значение амплитуды выходного синусоидального сигнала ограничено диапазоном напряжения JFET.

КМОП-генератор
Базовый генератор, в котором используется конфигурация с параллельным резонансным кристаллом, может быть изготовлен с использованием КМОП-инвертора. Инвертор CMOS может использоваться для достижения требуемой амплитуды. Состоит из инвертирующего триггера Шмитта типа 4049., 40106 или чип транзисторно-транзисторной логики (TTL) 74HC19 и т. д.

На верхнем изображении используется 74HC19N , который действует как триггер Шмитта в инвертирующей конфигурации. Кристалл обеспечит необходимые колебания последовательной резонансной частоты. R1 является резистором обратной связи для КМОП и обеспечивает высокую добротность с высоким коэффициентом усиления. Второй 74HC19N является усилителем, обеспечивающим достаточную мощность для нагрузки.
Инвертор работает со сдвигом фазы на 180 градусов, а транзисторы Q1, C2, C1 обеспечивают дополнительный сдвиг фазы на 180 градусов. В процессе колебаний фазовый сдвиг всегда остается на 360 градусов.
Этот кварцевый генератор CMOS обеспечивает выход прямоугольной формы . Максимальная выходная частота фиксируется характеристикой переключения КМОП-инвертора. Выходную частоту можно изменить, используя значение конденсатора и значение резистора. C1 и C2 должны быть одинаковыми по значениям.

Обеспечение синхронизации микропроцессора с использованием кристаллов
Поскольку кварцевый генератор используется в различных целях, например, в цифровых часах, таймерах и т. д., он также является подходящим выбором для обеспечения стабильных тактовых импульсов микропроцессора и ЦП.
Микропроцессору и центральному процессору для работы требуется стабильный тактовый сигнал. 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 используется для микроконтроллера или ЦП в диапазоне от кГц до МГц. Эта тактовая частота определяет, насколько быстро процессор может обрабатывать данные.
Для достижения этой частоты используется последовательный кварцевый резонатор с двумя конденсаторами одинаковой емкости на входе генератора соответствующего микроконтроллера или процессора.

На этом изображении мы видим, что кристалл с двумя конденсаторами образует сеть и подключен к блоку микроконтроллера или центральному процессору через входные контакты OSC1 и OSC2. Обычно все микроконтроллеры или процессоры состоят из двух контактов. В некоторых случаях доступны два типа выводов OSC. Один предназначен для первичного генератора для генерации тактовых импульсов, а другой для вторичного генератора, который используется для других вторичных работ, где требуется вторичная тактовая частота. Емкость конденсатора варьируется от 10 пФ до 42 пФ, широко используется любое значение между ними, кроме 15 пФ, 22 пФ, 33 пФ.

Кварцевые резонаторы и генераторы. Часть 1. Основы работы с кристаллами
Генератор или часы являются ключевыми практически для всех электронных схем, и в большинстве (но не во всех) случаях сердцем этой схемы генератора является крошечный кусочек кварц, называемый кристаллической заготовкой или плитой. Легко и банально думать о кристалле как о простом компоненте, но, как и в случае с большинством компонентов, это заблуждение и неверно; есть много аспектов самого материала и того, как он используется, независимо от области применения и электроники. В этом FAQ будет рассмотрена сама заготовка из кварцевого кристалла, а также некоторые тонкости и вариации, которым может подвергаться кристалл.
Существуют альтернативы кристаллу на основе кварца, такие как резонаторы на основе МЭМС, которые завоевывают все большую долю рынка, и очень простые LC-резонансные «резервуарные» схемы для бюджетных приложений и с невысокими требованиями к производительности.
В: Как давно кристаллы кварца используются в цепях в качестве частотозадающих элементов?
A: С начала 20 ^-го века. Хотя пьезоэлектрический эффект, который они используют (обсуждается ниже), был хорошо известен задолго до этого, для этих кварцевых элементов не было места, поскольку не существовало радио и электроники.
В: Откуда берется кварц?
О: В течение многих десятилетий добытый природный кварц был единственным вариантом, в основном из Бразилии. Кварц разрезали по определенным кристаллическим осям, а затем полировали. Однако с 1970-х годов синтетические кристаллы кварца выращивались так же, как слитки кремния (и с использованием многих из тех же методов и процессов). Это приводит к более совершенным кристаллическим структурам, которые обеспечивают значительно улучшенные и более стабильные характеристики.
В: Насколько важны эти кристаллы для определения частоты?
О: Очень, очень важно. Они широко используются для генерации системных часов, а также для установления единой основной частоты в передатчике и приемнике, при этом все необходимые несущие каналы затем выводятся с помощью синтезатора. До появления такой настройки радио можно было настроить одним из двух способов: либо путем ручной настройки LC с помощью ручки и диска, либо с помощью кристалла для установки частоты каждого канала. Первый был дешевым, но неточным; последний был точным, но требовал много кристаллов. Во время Второй мировой войны наличие нужных кристаллов было настолько важно, что в Инженерном корпусе армии была специальная команда квалифицированных «шлифовщиков кристаллов», единственной задачей которых было резать, шлифовать и настраивать кристаллы для военных радиоканалов, а также менять их по мере необходимости. нужный.
Разработка синтезаторов частот изменила потребность в кристаллах и их использование. Например, в 1970-х годах было очень популярно радио Citizen’s Band с 23 полнодуплексными каналами, назначенными в диапазоне 27 МГц. Некоторые «полнодиапазонные» радиостанции имели 23 кристалла каналов передачи и 23 кристалла каналов приема (всего 46) для доступа ко всем назначенным каналам; в других радиоприемниках были слоты только для двух-шести пар кристаллов, и пользователям приходилось физически удалять и заменять кристаллы, если они хотели перейти на другие каналы. Напротив, для синтезированного радио необходим только один мастер-кристалл.
В: Каков основной принцип генератора на основе кварца?
О: Еще одно проявление пьезоэлектрического эффекта, характеризующее двойственность: при воздействии на кристалл (не обязательно кварц) электрического поля (напряжения) его размеры изменяются при обратимом воздействии; когда кристалл находится под напряжением, он создает небольшое напряжение. Этот принцип используется в пьезоэлектрических приводах, небольших аудиоколонках, датчиках давления и многих других устройствах.
В: Как кварцевая заготовка становится генератором?
A: Заготовка кварца используется в схеме генератора в качестве резонирующего элемента. Под воздействием потенциала напряжения он начнет вибрировать и колебаться на своей «основной частоте». Это взаимосвязь: электрическая цепь поддерживает механический резонанс и наоборот. Кристалл используется в контуре обратной связи генератора для ограничения частоты генератора, Рисунок 1 .
Рис. 1: Многочисленные этапы от необработанной заготовки кристаллов кварца до упакованного конечного изделия требуют точности и совершенства. (Источник изображения: Slideshare.net)
В: Какие типы цепей используются для генератора?
О: Существует множество используемых топологий, среди наиболее известных — генераторы Хартли, Пирса и Колпитца. Каждое устройство имеет компромиссы с точки зрения сложности, стоимости, стабильности и совместимости с электрическими характеристиками кварцевой заготовки. Понимание этих характеристик имеет решающее значение для схемы высокопроизводительного генератора, в том числе для того, используется ли кварц в последовательном или параллельном резонансном режиме.
В: Каковы электрические характеристики кварцевой заготовки?
О: Материал кристалла и заготовка интенсивно изучались в электрических, механических и термических условиях на протяжении десятилетий, поскольку их характеристики очень важны во многих системах. Механическая модель, Рис. 2 , и электрическая модель, Рис. 3 , тесно связаны друг с другом. Детализация электрической модели будет увеличиваться по мере того, как будут добавляться электрические паразиты и тонкие механические атрибуты, а также по мере увеличения частоты и уменьшения бланка.
Рис. 2: Упрощенная механическая модель кварцевой плиты является основой для электрической эквивалентной модели; эта модель становится все более сложной по мере того, как требуется большая точность. (Источник изображения: Maxim Integrated) Рис. 3. Электрическая модель является аналогом механической модели и необходима для разработки подходящей схемы высокопроизводительного генератора. (Источник изображения: Maxim Integrated)
В: Каков диапазон рабочих частот кварцевого генератора?
A: В зависимости от размеров кварцевой заготовки и связанного с ней генератора она может варьироваться от 50 кГц до нескольких десятков МГц. Кроме того, кварцевая заготовка становится настолько тонкой (для достижения более высокого естественного механического резонанса), что становится хрупкой и ломается при обычном использовании.
В: Так как же генерировать частоты ниже или выше этого диапазона?
A: Вы можете использовать делитель или контур фазовой автоподстройки частоты (PLL) для преобразования с понижением частоты; для преобразования вы также можете использовать PLL. До появления PLL и синтезаторов было другое решение: кристаллы и их генераторы были разработаны для работы со многими гармоническими обертонами, а затем использовалась фильтрация для выбора гармоники 3 ^rd или 5 ^th вместо основного резонанса. Это обеспечивает решение, но требует тщательного выбора типа и характеристик кварцевой заготовки, а также схемы генератора.
В: Существуют ли стандартные частоты кристаллов?
О: Да, абсолютно. В то время как кристаллические заготовки могут быть изготовлены практически для любой частоты в широком диапазоне, существуют стандартные заготовки для таких частот, как 100 кГц, 1 МГц, 10 МГц, 3,579545 МГц (часто называемая «3,58 МГц», необходимая для устаревшего аналогового цвета). TV) и других массовых приложений для массового рынка. Персональные цифровые часы и часы обычно используют кварц с частотой 32 768 Гц, поскольку эту частоту можно легко разделить с помощью цепочки триггеров до одного импульса в секунду (32 768 = 2·9).0166 15 ).
В: Как кварцевая заготовка физически подключена к схеме?
A: Плоские электроды набиваются на противоположные поверхности заготовки. Это могут быть тонкие металлические детали или контактные поверхности с гальваническим покрытием. Затем узел помещается в корпус (часто металлический) для его физической защиты и уменьшения влияния электрических помех, Рисунок 4 .
Рис. 4: В зависимости от размера и области применения готовые банки предлагаются в различных упаковках; большинство из них герметичны, чтобы защитить бланк и помочь в достижении стабильной производительности. (Источник изображения: ООО «АОР»)
В: Насколько велика кварцевая заготовка?
A: Это зависит от частоты, но типичная заготовка среднечастотного кристалла имеет размеры от нескольких квадратных миллиметров до примерно 10 мм × 5 мм × 1 мм; некоторые кристаллы имеют размер всего один или два миллиметра с каждой стороны.
В: Как настраивается банк на нужную резонансную частоту?
A: Точной шлифовкой и полировкой, как стеклянная линза. Многие годы это делалось вручную искусными мастерами; теперь он, конечно, автоматизирован, подготовка и измерение выполняются одновременно.
В: Каковы основные рабочие параметры кристалла?
A: Конечно, их много: начальная частота резонанса, точность этой частоты, время запуска, фазовый шум (джиттер), кратковременная стабильность (дрейф) и долговременная стабильность (дрейф). среди ключевых. Многие характеристики представлены в частях на миллион (ppm) или в процентах: 0,0001% соответствует 1 ppm.
В: Какие проблемы с дрейфом/стабильностью?
О: Как и все механические компоненты, кварцевые заготовки незначительно, но существенно меняются в зависимости от температуры. Следовательно, изменение температуры окружающей среды или рабочей температуры даже на несколько градусов изменит их естественный резонанс и, следовательно, их ключевые характеристики. Далее, по мере «старения» кристалла в процессе эксплуатации из-за многократного механического воздействия меняются свойства кварца, а вместе с ним и резонансная частота (аналогично многократному изгибу металла или проковке металлической поверхности).
Часть 2 этого FAQ посвящена производительности кварцевых генераторов и тому, что можно сделать для повышения производительности, а также для сохранения исходной точности во времени и при изменении температуры. Эти факторы имеют решающее значение для производительности схемы и приложения.
Существует бесчисленное множество технических документов, трактатов, заметок по применению, руководств поставщиков и других вспомогательных материалов, поэтому это очень важная тема. Некоторые легко читаются и применимы, в то время как другие углубляются в основы физики (это не значит, что от них мало пользы; они очень полезны). Среди многих это:
Maxim Integrated, Учебное пособие 5265, «Разработка кварцевого генератора, соответствующего вашему приложению»
Википедия, «Кристаллический осциллятор»
Bliley Technologies, «Понимание типов кристаллов внутри ваших генераторов»
Bliley Technologies, «Выбор наилучшего типа кварцевого генератора для вашего приложения»
Bliley Technologies, «Два наиболее важных качества OCXO»
Radio-Electronics, «TCXO, кварцевый генератор с температурной компенсацией»
SiTime Corp, «Кремниевые генераторы на основе МЭМС»,
См.