Принцип работы кварцевого генератора: устройство и применение — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое кварцевый генератор. Как устроен кварцевый генератор. Какие бывают типы кварцевых генераторов. Где применяются кварцевые генераторы. Каковы преимущества кварцевых генераторов.

Содержание

Что такое кварцевый генератор и принцип его работы

Кварцевый генератор — это устройство для получения высокостабильных электрических колебаний, в основе которого лежит пьезоэлектрический эффект кварца. Принцип работы кварцевого генератора заключается в следующем:

Кварцевая пластина помещается между двумя электродами
При подаче переменного напряжения кварц начинает механически колебаться на своей резонансной частоте
Механические колебания кварца преобразуются обратно в электрические
Полученный сигнал усиливается и подается обратно на кварц, поддерживая его колебания

Таким образом формируется автоколебательный контур с очень высокой стабильностью частоты, определяемой свойствами кварцевого резонатора.

Устройство кварцевого генератора

Основные компоненты кварцевого генератора:

Кварцевый резонатор — пластина из монокристаллического кварца с нанесенными электродами
Усилитель для поддержания колебаний
Цепь положительной обратной связи
Выходной буферный каскад
Схема термостабилизации (в прецизионных генераторах)

Кварцевый резонатор является ключевым элементом, определяющим частоту и стабильность генератора. Его добротность может достигать нескольких миллионов, что обеспечивает исключительную стабильность частоты.

Типы кварцевых генераторов

Существует несколько основных типов кварцевых генераторов:

По способу термостабилизации:

Простые кварцевые генераторы (XO)
Термокомпенсированные (TCXO)
Термостатированные (OCXO)

По возможности подстройки частоты:

С фиксированной частотой
Управляемые напряжением (VCXO)
Управляемые цифровым кодом (DCXO)

По форме выходного сигнала:

С синусоидальным выходом
С прямоугольным выходом

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

Области применения кварцевых генераторов

Кварцевые генераторы широко используются в различных областях электроники и радиотехники:

Тактовые генераторы в микропроцессорных системах
Опорные генераторы в системах связи
Эталоны частоты и времени
Генераторы несущей частоты в радиопередатчиках
Синтезаторы частот
Измерительное оборудование

Их применяют везде, где требуется высокая стабильность частоты и низкий уровень фазовых шумов.

Преимущества кварцевых генераторов

Основные достоинства кварцевых генераторов по сравнению с LC-генераторами:

Очень высокая стабильность частоты (до 10^-12)
Низкий уровень фазовых шумов
Малые габариты
Высокая надежность и долговечность
Простота схемотехники

Эти преимущества обусловили повсеместное применение кварцевых генераторов в современной электронике.

Характеристики и параметры кварцевых генераторов

Основные параметры, характеризующие кварцевый генератор:

Номинальная частота
Температурная стабильность частоты
Долговременная стабильность (старение)
Кратковременная нестабильность (джиттер)
Уровень фазовых шумов
Потребляемая мощность
Выходная мощность
Гармонические искажения

При выборе генератора нужно учитывать все эти характеристики в соответствии с требованиями конкретного применения.

Особенности работы с кварцевыми генераторами

При использовании кварцевых генераторов важно учитывать следующие моменты:

Требуется время прогрева для выхода на стабильный режим работы
Частота зависит от напряжения питания и нагрузки
Необходимо обеспечить хороший теплоотвод
Чувствительность к механическим воздействиям и вибрациям
Ограниченный диапазон перестройки частоты

Правильный учет этих особенностей позволяет максимально реализовать потенциал кварцевых генераторов.

Перспективы развития кварцевых генераторов

Основные направления совершенствования кварцевых генераторов:

Повышение рабочих частот (до сотен МГц)
Улучшение температурной стабильности
Снижение энергопотребления
Уменьшение габаритов
Интеграция с другими компонентами на одном кристалле

Несмотря на появление новых технологий, кварцевые генераторы еще долго будут оставаться незаменимыми во многих применениях благодаря уникальному сочетанию высокой стабильности, низкой стоимости и простоты.

Кварцевый генератор принцип работы

Каждому микроконтроллеру нужен источник тактового сигнала. Процессор, шина памяти, периферия – тактовые сигналы находятся внутри микроконтроллера. Они определяют скорость, с которой процессор выполняет инструкции, скорость передачи сигналов по последовательной связи, количество времени, необходимое для выполнения аналого-цифрового преобразования, и многое другое.

Всё это тактирующее действие приводит к источнику тактового сигнала, а именно к генератору. Поэтому вам необходимо убедиться, что ваш генератор сможет поддерживать любую производительность, которую вы ожидаете от своего микроконтроллера. Однако, в то же время некоторые варианты генераторов более сложны или дороги, по сравнению с другими. Поэтому ваш выбор генератора должен также основываться на важности снижения затрат и сложности, когда это возможно.

Существует довольно много способов формирования тактового сигнала для микроконтроллера. Техническое описание для вашего конкретного устройства должно содержать достаточно много информации о том, какие типы генераторов вы можете использовать, и как реализовать их таким образом, чтобы это было совместимо с аппаратным обеспечением устройства. В данной статье основное внимание будет уделено преимуществам и недостаткам различных источников тактовых импульсов, чтобы вы могли осмысленнее сделать выбор среди вариантов генераторов, описанных в техническом описании на ваш микроконтроллер.

Итак, давайте начнем со списка, а затем обсудим каждый вариант:

внутренний: обычно (насколько я знаю, всегда) схема резистор-конденсатор;
петля фазовой автоподстройки частоты с дальнейшим умножением частоты;

внешний:

генератор на CMOS логике;

кварцевый резонатор;

керамический резонатор;

резистор-конденсатор;

только конденсатор.

Принцип действия кварцевых резонаторов и генераторов

Принцип работы кварцевых резонаторов основан на применении пьезоэлектрического эффекта.

Некоторые вещества и кристаллы обладают несимметричной структурой (ацентрические кристаллы). Механические силы, действующие на такие кристаллы, вызывают в них не только механические напряжения, но и электрическую поляризацию. В результате на поверхности кристалла образуются заряды. Такой эффект и называют прямым пьезоэлектрическим эффектом, а кристаллы, соответственно, пьезоэлектриками. Самым распространенным пьезоэлектрическим материалом являются кристаллы кварца.

Существует и обратный пьезоэффект: при воздействии на пьезоэлектрик электрического поля в его структуре возникают механические деформации.

Кварцевый резонатор представляет собой специальным образом распиленный, обработанный и сориентированный кристалл кварца, с внешними электродами, расположенными с противоположных сторон. В процессе работы такой резонатор использует и прямой, и обратный пьезоэффект, в нем происходит постоянное преобразование электрического поля в механические деформации и обратно. Однако, с точки зрения электрической схемы, эти механические колебания остаются в стороне, хотя играют важнейшую роль, поскольку они во многом определяют резонансную частоту.

Внешне конструкция резонатора напоминает конструкцию конденсатора, но наличие пьезоэффекта определяет некоторые особенности его поведения. Характер изменения проводимости в области частот, близких к резонансу, оказывается таким же, как и у колебательного контура, что позволяет применять эквивалентную схему замещения. Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора содержит четыре элемента (рис. 1). Элементы L1, C1, R1 называют динамическими или эквивалентными индуктивностью, емкостью и сопротивлением соответственно. Емкость С0 называют параллельной емкостью. Такая схема хорошо объясняет наличие резонансной частоты.

Рис. 1. Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Кварцевый генератор представляет собой комплексный компонент, который содержит генератор, кварцевый резонатор и цепи управления. Простейшая схема включения кварцевого генератора требует только подачи питающего напряжения (рис. 2).

Рис. 2. Схема включения стандартного кварцевого генератора

Генераторы имеют целый ряд важных параметров, определяющих их применимость в тех или иных случаях.

Возможные причины выхода из строя

Слабой стороной КР считается непереносимость перегрева. В случае нагрева платы резонатор теряет свои качества и может разрушиться. Учитывая хрупкое крепление кристалла, резонатор нужно уберегать от случайных ударов. В результате резкого толчка кварцевая пластинка может потерять устойчивость и выпасть из рамки.

Область применения кварцевых резонаторов постоянно расширяется. Возможность изготовления радиокомпонентов миниатюрных размеров позволяет использовать их в устройствах небольших габаритов. Широкий ассортимент КР, представленный на радиорынке, даёт возможность подобрать нужную модель устройства по доступной цене.

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.

Как известно, колебательный контур характеризуется добротностью . Резонаторы на основе кварца обладают очень высокой добротностью, которая недостижима при использовании обычного колебательного LC-контура. Если добротность обычных контуров лежит в пределах 100 – 300, то для кварцевых резонаторов величина добротности достигает 10 5 – 10 7 .

Ёмкость конденсатора довольно сильно зависит от температуры окружающей среды. У конденсаторов даже есть параметр, который называется ТКЕ (температурный коэффициент ёмкости). Он показывает насколько измениться ёмкость конденсатора при изменении температуры.

Естественно, при применении конденсатора в составе LC-контура, частота его колебаний будет очень сильно зависеть от внешней температуры среды. То же касается и индуктивности, у которой также есть своя температурная характеристика — ТКИ.

Понятно, что для использования в цифровой технике (в том числе и в технике связи) требуется более стабильный и надёжный источник гармонических колебаний.

Резонаторы на основе кварца обладают очень высокой температурной стабильностью . Именно благодаря высокой добротности и температурной стабильности кварцевые резонаторы применяются в радиотехнике очень активно.

Любой процессор или микроконтроллер работает на определённой тактовой частоте. Понятно, что для задания тактовой частоты необходим генератор. Такой генератор в качестве источника высокоточных гармонических колебаний, как правило, использует кварцевый резонатор. В тех схемах, где высокая добротность не требуется, могут применяться резонаторы на основе керамики – керамические резонаторы. Добротность резонаторов на основе пьезокерамики составляет не более 10 3 . Их можно встретить в пультах дистанционного управления, электронных игрушках, бытовых радиоприёмниках.

Принцип работы кварцевого резонатора.

Принцип работы кварцевого резонатора целиком и полностью опирается на пьезоэлектрический эффект . Основой любого кварцевого резонатора является пластинка из кварца. Кварц – это одна из разновидностей кремнезема SiO2 . Для изготовления резонаторов пригоден только лишь низкотемпературный кварц, который обладает пьезоэлектрическими свойствами. В природе такой кварц встречается в виде кристаллов и бесформенной гальки.

Кристалл кварца

Химически кварц очень устойчив и не растворяется ни в одной из кислот, за исключением плавиковой. Также кварц очень твёрдый. На шкале твёрдости он занимает седьмое место из десяти.

Чтобы изготовить кварцевую пластинку берётся кристалл кварца и из него под определённым углом вырезается пластинка. От угла, под которым происходит срез, зависят электромеханические свойства кварцевой пластины. Тип среза существенно влияет на температурную стабильность, количество паразитных резонансов, резонансную частоту.

Далее на две стороны кварцевой пластины наносят металлизированный слой (из серебра, никеля, золота или платины) и посредством жёстких проволочных контактов закрепляют в кварцедержателе. Всю эту конструкцию помещают в герметичный корпус.

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.



16-бит	MSP430 • MCS-96 • MCS-296 • PIC24 • MAXQ • Nios • 68HC12 • 68HC16

32-бит	ARM • MIPS • AVR32 • PIC32 • 683XX • M32R • SuperH • Nios II • Am29000 • LatticeMico32 • MPC5xx • PowerQUICC • Parallax Propeller

Производители Analog Devices • Atmel • Silabs • Freescale • Fujitsu • Holtek • Hynix • Infineon • Intel • Microchip • Maxim • Parallax • NXP Semiconductors • Renesas • Texas Instruments • Toshiba • Ubicom • Zilog • Cypress • Интеграл • МиландрКомпоненты Регистр • Процессор • SRAM • EEPROM • Флеш-память • Кварцевый резонатор • Кварцевый генератор • RC-генератор • КорпусПериферия Таймер • АЦП • ЦАП • Компаратор • ШИМ-контроллер • Счётчик • LCD • Датчик температуры • Watchdog TimerИнтерфейсы CAN • UART • USB • SPI • I²C • Ethernet • 1-Wire FreeRTOS • μClinux • BeRTOS • ChibiOS/RT • eCos • RTEMS • Unison • MicroC/OS-II • Nucleus • ContikiПрограммирование JTAG • • Программатор • Ассемблер • Прерывание • MPLAB • AVR Studio • MCStudio

Способ № 1

Здесь транзистор КТ368 играет роль генератора. Его частота определяется кварцевым резонатором. Когда поступает питание, то генератор начинает работать. Он создаёт импульсы, которые равны частоте его основного резонанса. Их последовательность проходит через конденсатор, который обозначен как С3 (100р). Он фильтрует постоянную составляющую, а затем сам импульс передаёт на аналоговый частотомер, который построен на двух диодах Д9Б и таких пассивных элементах: конденсаторе С4 (1n), резисторе R3 (100к) и микроамперметре. Все остальные элементы служат для стабильности работы схемы и чтобы ничего не перегорело. Зависимо от установленной частоты может меняться напряжение, которое есть на конденсаторе С4. Это довольно приблизительный способ и его преимущество – легкость. И, соответственно, чем выше напряжение, тем большая частота резонатора. Но существуют определённые ограничения: пробовать её на данной схеме следует только в тех случаях, если она находится в приблизительных рамках от трех до десяти МГц. Проверка кварцевых резонаторов, что выходит за грань этих значений, обычно не подпадает под любительскую радиоэлектронику, но далее будет рассмотрен чертеж, у которого диапазон — 1-10 МГц.

Кварцевый генератор

Ква́рцевый генера́тор

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

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 йода (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 (10 4 ÷ 10 5 ).

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.

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)

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

Цифровая схема

С правой части чипа находится цифровая схема делителя выходной частоты кристалла на 1, 2, 4 или 8. Благодаря ей один и тот же кристалл может выдавать четыре частоты. Делитель составлен из трёх триггеров, подключённых последовательно. Каждый делит входящий импульс пополам. Мультиплексор 4 к 1 выбирает между оригинальной частотой импульсов или выходом с одного из триггеров. Выбор осуществляется при помощи проводников, подходящих к двум площадкам для выбора с правой части кристалла. Итоговая частота фиксируется на этапе производства. Для декодирования контактов и генерации четырёх управляющих сигналов мультиплексору и триггерам используются четыре вентиля NAND вместе с инверторами.

Кварцевые резонаторы. Виды и применение. Устройство и работа

Современная цифровая аппаратура нуждается в высокой точности, поэтому часто в цифровых устройствах содержится кварцевый резонатор, который является стабильным и надежным генератором гармонических колебаний. Цифровые микроконтроллеры работают на основе этой постоянной частоты, и используют ее для работы цифрового прибора. Кварцевые резонаторы являются надежной заменой контура колебаний, собранного на конденсаторе и катушке индуктивности.

Добротность контура колебаний на основе катушки и конденсатора не превышает 300. Она является характеристикой контура колебаний, определяющей величину полосы резонанса. Добротность показывает, во сколько раз энергия колебательной системы превышает потери энергии в течение одного периода колебаний. Чем больше добротность, тем меньше теряется энергии за один период, и медленнее затухают колебания. Емкость конденсатора в обычном контуре колеблется в зависимости от температуры среды. Величина индуктивности катушки также зависит от многих факторов. Существуют даже соответствующие коэффициенты, определяющие зависимость параметров этих элементов от температуры.

Кварцевые резонаторы, в отличие от вышеописанных контуров колебаний, обладают очень большой добротностью, достигающей значения в несколько миллионов. При этом температура в пределах -40 +70 градусов никак не влияет на этот параметр. Высокая стабильность работы кварцевых резонаторов при любой температуре послужила их широкому применению в цифровой электронике и радиотехнике.

Разновидности

По типу корпуса:

Для объемной установки (цилиндрические и стандартные).
Для поверхностного монтажа.

По материалу корпуса:

Металлические.
Стеклянные.
Пластиковые.

По форме корпуса:

Круглые.
Прямоугольные.
Цилиндрические.
Плоские.

По количеству резонансных систем:

Одинарные.
Двойные.

По защите корпуса:

Герметичные.
Негерметизированные.
Вакуумные.

По назначению:

Фильтровые.
Генераторные.

Важным свойством кварцевых резонаторов для успешной работы является их активность. Но она не определяется только собственными свойствами. Вся электрическая схема влияет на его активность.

В резонаторах, используемых в фильтрах, применяются такие же виды колебаний, как и в генераторных резонаторах. В фильтрах используются 2-х и 4-х электродные вакуумные резонаторы. Для многозвенных фильтров чаще всего применяются 4-х электродные, так как они более экономичные.

Принцип действия и устройство

Кварцевые резонаторы работают на основе пьезоэлектрического эффекта, образующегося на кварцевой пластинке. Кварц – это природный кристалл. Он представляет собой модификацию соединения кремния с кислородом, и имеет химическую формулу Si O2. Массовая доля кварца в земной коре составляет около 60%, в свободном виде 12%. В других минералах также может содержаться кварц.

Для производства кварцевых резонаторов используют низкотемпературный кварц. Он обладает выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Химическая устойчивость кварца очень высока, растворить кварц способна только гидрофторидная кислота. По твердости кварц стоит на втором месте после алмаза. Кварцевую пластинку для резонатора изготавливают путем вырезания из кварца кусочка под заданным определенным углом. В зависимости от этого угла среза кварцевая пластинка отличается разными электромеханическими параметрами.

От вида среза зависит наличие или отсутствие паразитных частот, стабильность работы при любых температурах, частота колебаний. На обе стороны кварцевой пластинки наносят слой одного из дорогостоящих металлов: серебра, платины, никеля или даже золота. После этого пластинку фиксируют прочными проволочками в корпусе резонатора. Затем производят герметичную сборку корпуса.

В результате образуется колебательный контур, обладающий собственной частотой резонанса, определяющей работу всего резонатора. Если к электродам пластинки приложить переменное напряжение с частотой резонанса, то возникнет резонансный эффект, а амплитуда колебаний пластинки значительно повысится. При этом резонатор уменьшит свое сопротивление на значительную величину. Этот процесс подобен тому процессу, который происходит в контуре колебаний последовательного вида (на основе катушки и конденсатора). Потери энергии при возбуждении кварцевого резонатора на частоте резонанса очень малы, так как добротность кварцевого контура колебаний очень высока.

Эта эквивалентная схема состоит из:

R – Сопротивление.
С1 – Емкость.
L – Индуктивность.
С2 – Статическая электрическая емкость пластинок вместе с держателями.

Эти элементы определяют электромеханические параметры кварцевой пластинки. Если удалить монтажные элементы, получается последовательный контур LС. При установке на монтажную плату, кварцевый резонатор не переносит чрезмерного нагрева, так как его конструкция очень хрупкая. Сильное нагревание может деформировать держатель и электроды, что отражается на функционировании готового кварцевого резонатора. Кварц полностью теряет свои свойства пьезоэлектрика при нагревании до температуры 5370 градусов. Однако паяльник не способен так сильно разогреваться.

На электрических схемах кварцевый резонатор обозначается по аналогии с конденсатором, но между пластин изображен прямоугольник, символизирующий кварцевую пластинку. На схеме резонатор обозначен «QX».

Обычно причиной неисправностью кварцевого резонатора становится сильный удар или падение устройства, в котором он находится. В этом случае резонатор подлежит замене на новый, с такими же параметрами. Такие неисправности возникают в маленьких приборах, которые проще уронить, или повредить. Но такие повреждения резонаторов встречаются не часто, и обычно неисправность устройства кроется совсем в другом.

Как проверить кварцевые резонаторы

Для проверки резонатора на его работоспособность, собирают специальный простой тестер, помогающий проверить кроме работы резонатора, еще и его частоту резонанса. Схема такого устройства похожа на кварцевый генератор, собранный на транзисторе.

Подключив резонатор между отрицательным полюсом и базой транзистора через защитный конденсатор, с помощью частотомера измеряют частоту резонанса. Такая схема подходит для настройки контуров колебаний. При включенной схеме исправный резонатор создает колебания. В результате на эмиттере транзистора возникает переменное напряжение с частотой резонанса тестируемого резонатора.

Если к выходу тестера подключить частотомер, то можно измерить частоту резонанса. При стабильной частоте и небольшом нагревании корпуса резонатора паяльником частота не должна значительно изменяться. Если частотомер не обнаруживает возникновение частоты, либо она сильно изменяется или имеет большие отличия от номинала, то резонатор негоден и требует замены.

При использовании такого тестера для настройки контуров, емкость С1 обязательна. Но при проверке исправности резонаторов ее присутствие в схеме не требуется. При этом колебательный контур просто подсоединяют на место кварцевого резонатора и тестер начинает создавать колебания таким же образом.

Самодельный ВЧ генератор с одной шкалой

Схема простого ВЧ генератора 0,4 — 30 MHz

Представленная ниже, схема компактного ВЧ генератора покрывает весь диапазон частот от 0,4 до 30 MHz в одну шкалу.
Выход 50 Ом, напряжение 300mV по всему диапазону частот.

Большинство генераторов сигналов используют несколько диапазонов для того, чтобы покрыть весь спектр частот. Схема этого генератора немного отличается, он настраивает весь ВЧ диапазон от 400 кГц до более 30 МГц в одном диапазоне. Он был сконструирован для того, чтобы испытать входные части приемника и фильтры HF, должен быть компактен.

Уровень выхода генератора около 300mV 50 Ом также позволяет ему быть использованным как временный генератор для испытания смесительного диода.

Описание схемы генератора

Невозможно сразу покрыть весь ВЧ диапазон в одном ряде с традиционным LC генератором. Однако, смешивая генератор, работающий на более высокой частоте с генератором с более низкой частотой, можно достичь требуемого диапазона.

Это показано на схеме, ниже:

Генератор, контролируемый напряжением тока (VCO) работает от 48 MHz до 85 MHz. Выход VCO (100-150mVpp 50 Ом) смешан с выходом кварцевого генератора 48 MHz в смесителе диода для того, чтобы дать необходимый выход частоты.

С помощью варикапа (varicap) происходит перестройка частоты по всему диапазон. Устройство, которое я использовал взято из старого тюнера видеомагнитофона. Другие варикапы широкого диапазона, такие как Motorola MV104 или Philips BB911, также будут хорошо работать.

48 МГц кварцевый генератор является типичным, его можно найти в старом принтере, видеокарте и т.п. Они генерируют сигнал прямоугольных TTL-уровня (5 В). Я нашел два пластиковых осциллятора 48 МГц в старом принтере Epson.

Выход кварцевого генератора, который я использовал, не мог напрямую управлять диодным смесителем, но комбинация серии C5 и R3, керамический конденсатор 1000pF и резистор 100 Ом, работала хорошо. Выход прямоугольной волны также идеален для смесителей диода.

Использование генератора 48 МГц, в результате чего ГУН диапазона, во многом зависит от наличия соответствующей части. Если Вы хотите заменить детали и изменить конструкцию в соответствии с требованиями, частота выхода должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить требуемый диапазон 30 МГц в пределах одного диапазона. Маловероятно, что какой-либо более низкий частотный диапазон будет успешным.

Кроме того, кварцевый генератор, который устанавливает нижнюю частотную границу диапазона должен быть достаточно далеко от верхней выходной частоты 30 МГц, чтобы простой 3-х полюсный фильтр нижних частот мог фильтровать любой остаточный сигнал генератора 48 МГц, а также суммарный компонент выхода смесителя. Данная схема генератора выдает до 35 МГц с выходом около 3 дБ.

SRA-1 двойной сбалансированный микшер (дБм) M1. Здесь отлично будут работать различные варианты диодного типа, в том числе из диодов 1N4148 и пары ферритовых колец.

Желаемый (разностный) выход фильтруется с помощью 3-полюсного эллиптического фильтра.

Отфильтрованный выходной сигнал усиливается на 20 дБ ERA-5 — монолитный интегральный усилитель, чтобы дать выходе уровень сигнала 300 – 400 мВ на 50 Ом. Я использовал версию усилителя ERA-5 для поверхностного монтажа.

Питание схемы 12В 100mA.

Вид внутри

Детали припаяны навесным монтажом.

Корпус спаян из жестяной банки, используемой для формирования стенок коробки.

Настройка генератора

Ручная настройка в широком диапазоне спектра частот требует многовиткового прецизионного переменного проволочного резистора.

Чтобы добавить ручку управления, я использовал части потенциометра регулировки громкости AM/FM-радио. Большинство из этих потенциометров громкости, похожи, имеют тонкую ручку с регулировкой по краю, которая навинчивается крошечным винтом на латунный стержень.

Монтаж

Собирается схема непосредственно на небольшом куске фольгированного текстолита всего за несколько часов. Генератор 48 MHz (от Epson SG-615) был установлен на плате вверх ногами. Ферритовые кольца используются в качестве высокочастотных дросселей для питания на каждом этапе схемы.

Многовитковый триммер приклеивается к печатной плате немного выше, чтобы можно было одеть ручку настройки и она свободно вращалась.

Коробка была изготовлена из оловянной пластины, разрезана на полосу шириной 18 мм и припаяна по краю печатной платы. Макет передней панели был разработан в CorelDraw, распечатан и покрыт контактным пластиком, чтобы сделать его более прочным.

Моточные данные катушек

L1 — 8 витков провода 24SWG намотанной на 5 мм каркасе с ферритовым стержнем для подсторйки.. L2 — 8 витков провода 28SWG намотанном на тороиде T25-10 L3 — 7 витков провода 28SWG намотанном на тороиде T25-10 T1 — 10 витков в два провода 28SWG намотанном на тороиде T25-10

Заключение

Генератор не сложен и быстр для построения. Схема использует не большое количество доступных деталей. Многие компоненты могут быть заменены. Чтобы проверить это, я построил другую версию, используя LM375 IC в качестве VCO (это устаревший чип, похожий на MC1648 Motorola). Самодельный смеситель, сделанный с диодами 1N4148 и дискретный широкополосный усилитель 20 dB. Всё это дало аналогичные результаты.

Стабильность схемы не эквивалентна кварцевому или синтезированному осциллятору, а настройка в определенных диапазонах получилась сжатая, но она подходит для большинства измерений. Если Вы хотите, можно добавить дополнительный элемент управления «тонкая настройка».

Автор: ZL2PD — Single Span HF Test Oscillator

Кварцевый резонатор — Описание, принцип работы, схемы

Кварцевый резонатор — это радиоэлемент, который используется в радиотехнических цепях для генерации электрических колебаний. В этой статье мы подробно рассмотрим и развенчаем некоторые мифы, связанные с кварцевым резонатором, а также рассмотрим схемы на его основе.

Содержание статьи

1 Пьезоэлектрики
2 Кварцевый резонатор
- 2.1 Что представляет из себя кварцевый резонатор
- 2.2 Обертоны кварцевого резонатора
- 2.3 Последовательный и параллельный резонанс кварца
- 2.4 Часовой кварцевый резонатор
3 Кварцевый генератор
- 3.1 Схема Пирса
- 3.2 Схема Пирса для прямоугольного сигнала
- 3.3 Схема Колпитца
- 3.4 Готовые модули кварцевых генераторов
- 3.5 Плюсы кварцевых генераторов

Пьезоэлектрики

На самом деле, кварц — это один из самых распространенных минералов в земной коре. Его доля составляет около 60%! Если полупроводниковые радиокомпоненты в основном делают из кремния, то кварц тоже состоит из кремния но в связке с кислородом. Его химическая формула SiO2.

Выглядит минерал кварц примерно вот так.

минерал кварц

Ну прямо как сокровище какое-то! Но ценность этого сокровища спрятана не в самом кварце, а в том, каким свойством он обладает. И этот эффект кварца сделал революцию в прецизионной (точной) электронике для генерации высокостабильных колебаний электрического сигнала.

Еще в 19 веке два брата Кюри обнаружили интересное свойство некоторых твердых кристаллов генерировать ЭДС , деформируя эти кристаллы. Деформация — это изменение формы какого-либо тела с помощью кручения, удара, растяжения и так далее. Так вот, ударяя по таким кристаллам, они обнаружили, что те могут выдавать какое-либо кратковременное напряжение.

пьезоэффект

Но они также обнаружили еще и обратный эффект. При подаче напряжения на такие кристаллы, эти кристаллы деформировались сами. Невооруженным глазом это было практически не заметно. Такой эффект назвали пьезоэффектом, а вещества — пьезоэлектриками.

Следует заметить, что ЭДС возникает только в процессе сжатия или растяжения. Может быть вы подумали, что можно прижать такой кристалл какой-нибудь увесистой болванкой и всю жизнь получать из него энергию? Как бы не так! Кстати, радиоэлемент пьезоизлучатель тоже относится к пьезоэлектрикам, и из него можно получить ЭДС. Ниже можно рассмотреть этот случай на видео. Светодиод, подпаянный к пьезоизлучателю, зажигается при ударе самого пьезоизлучателя.

Не так давно смотрел фильм по National Geographic. Там целые пьезоэлектрические плиты устанавливали на дороге. По ним ходили люди и вырабатывали электрическую энергию, сами того не подозревая). Кстати, очень халявная, чистая и возобновляемая энергия. Ладно, что-то отвлекся… Так вот, кристаллы кварца тоже обладают пьезоэффектом и способны также вырабатывать ЭДС или деформироваться (изгибаться, изменять форму) под воздействием электрического тока.

Кварцевый резонатор

Что представляет из себя кварцевый резонатор

В настоящее время выявлены множество видов кристаллических веществ, но в электронике больше всего используют именно минералы кварца, так как он помимо того, что является пьезоэлетриком, так еще и обладает хорошей механической прочностью.

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. Получается, кварцевый резонатор в электронике, а в народе просто «кварц», — это радиоэлемент, который способен резонировать, если на него подать переменный ток определенной частоты и формы.

Кварцевые резонаторы выглядят примерно так.

виды кварцевых резонаторов

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.

обозначение на схеме кварцевого резонатора

Разобрав кварцевый резонатор, мы можем увидеть воочию сам кристалл кварца. Давайте вскроем кварц советского производства вот в таком корпусе.

Здесь мы видим прозрачный кристалл кварца, размещенный между двумя металлическими пластинками, к которым подпаяны выводы.

что внутри кварцевого резонатора

В маленьких кварцах типа этих

кварцевый резонатор

используются тонкие прямоугольные пластинки кварца. Физический размер и толщина кварцевой пластинки внутри кварцевого резонатора строго должна соблюдаться, так как именно ее габаритные размеры влияют на основную частоту колебаний. Здесь правило такое: чем больше толщина пластинки, тем ниже рабочая частота кварца. Поэтому, самые высокие частоты, на которые делают кварцы, составляет не более 50 МГц, так как пластинка получается очень тонкая, что создает трудности при ее изготовлении. Да и держать ее как-то надо в корпусе, не поломав. По идее, можно выжать из кварца частоту и до 200 МГц, но работать такой кварц будет на обертоне.

Обертоны кварцевого резонатора

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 проблематично.

Пример: возьмем кварц с частотой в 10 Мегагерц. Тогда мы можем возбудить его на обертонах в 30 Мегагерц (третий обертон), в 50 Мегагерц (пятый обертон), в 70 Мегагерц (седьмой обертон) и максимум в 90 Мегагерц (девятый обертон).

Чтобы хоть как-то понять, что такое обертоны, для примера послушайте основную частоту 110 Герц и ее обертоны.

Схема, которая возбуждает кварц на обертонах, сложная и не очень надежная, так как во-первых, надо «давить» главную частоту кварца и выделять обертон, а во-вторых, кварц может возбудиться в режиме случайных колебаний. На практике все-таки делают схемы с умножением главной частоты кварца, что намного проще и надежнее. 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.

Последовательный и параллельный резонанс кварца

Очень много мифов ходит по интернету именно о кварцевом резонаторе. Самый популярный миф гласит так: если подать постоянное напряжение на кварцевый резонатор, он будет выдавать переменное напряжение с частотой, которая на нем указана. Насчет «частоты, указанной на нем», я, может быть, соглашусь, но насчет постоянного напряжения — увы. Кристалл кварца просто сожмется или разожмется). Некоторые вообще до сих пор думают, что кварц сам по себе выдает переменный ток ). Ага, прям вечный двигатель).

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

эквивалентная схема кварцевого резонатора

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 эквивалентная емкость самого кристалла. Ее значение несколько фемтоФарад. Фемто — это 10-15 !

L1 — это эквивалентная индуктивность кристалла.

R1 — динамическое сопротивление, при работе кварца может достигать от нескольких Ом и до нескольких КОм

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

последовательный колебательный контур

Резонансная частота такого контура вычисляется по формуле

формула последовательного резонанса кварцевого резонатора

Но все бы хорошо, но как видите, есть еще в эквивалентной схеме кварцевого резонатора один увесистый конденсатор С, который портит всю малину.

Вся эта схема превращается в сложный параллельный колебательный контур. Резонансная частота такого контура уже будет определяться формулой

формула параллельного резонанса кварцевого резонатора

Поэтому, запомните: каждый кварцевый резонатор может возбуждаться на двух резонансных частотах. На частоте последовательного резонанса и на частоте параллельного резонанса. Если мы видим на кварце вот такую надпись

частота кварцевого резонатора

это говорит нам о том, что частота последовательного резонанса для этого кварцевого генератора составляет 8 МГц. Кварцевые резонаторы в электронике работают именно на частоте последовательного резонанса. На своей практике не припомню, чтобы кто-то возбуждал кварц для работы на частоте параллельного резонанса.

Часовой кварцевый резонатор

Чаще всего часовой кварц выглядит вот так.

«Что еще за часовой кварц?» — спросите вы. Часовой кварц — это кварц с частотой в 32 768 Герц. Почему на нем такая странная частота? Дело все в том, что 32 768 это и есть 215. Такой кварц работает в паре с 15-разрядной микросхемой-счетчиком. Это наша микросхема К176ИЕ5.

Принцип работы этой микросхемы такой: после того, как она сосчитает 32 768 импульсов, на одной из ножек она выдает импульс. Этот импульс на ножке с кварцевым резонатором на 32 768 Герц появляется ровно один раз в секунду. А как вы помните, колебание один раз в секунду — это и есть 1 Герц. То есть на этой ножке импульс будет выдаваться с частотой в 1 Герц. А раз это так, то почему бы не использовать это в часах? Отсюда и пошло название — часовой кварц.

В настоящее время в наручных часах и других мобильных гаджетах этот счетчик и кварцевый резонатор встроены в одну микросхему и обеспечивают не только счет секунд, но и целый ряд других функций, типа будильника, календаря и тд. Такие микросхемы называется RTC (Real Time Clock) или в переводе с буржуйского Часы Реального Времени.

Кварцевый генератор

Что такое генератор? Генератор — это по сути устройство, которое преобразует один вид энергии в другой. В электронике очень часто можно услышать словосочетание «генератор электрической энергии, генератор частоты, генератор функций » и тд.

Кварцевый генератор представляет из себя генератор частоты и имеет в своем составе кварцевый резонатор. В основном кварцевые генераторы бывают двух видов:

те, которые могут выдавать синусоидальный сигнал

и те, которые выдают прямоугольный сигнал, который чаще всего используется в цифровой электронике.

Схема Пирса

Для того, чтобы возбудить кварц на частоте резонанса, нам надо собрать схему. Самая простая схема для возбуждения кварца — это классический генератор Пирса, который состоит всего лишь из одного полевого транзистора и небольшой обвязки из четырех радиоэлементов:

схема пирса для кварцевого резонатора

Пару слов о том как работает схема. В схеме есть положительная обратная связь и в ней начинают возникать автоколебания. Но что такое положительная обратная связь?

В школе всем вам ставили прививки на реакцию Манту, чтобы определить, если у вас тубик или нет. Через некоторое время приходили медсестры и линейкой замеряли вашу реакцию кожи на эту прививку

Когда ставили эту прививку, нельзя было чесать место укола. Но мне, тогда еще салаге, было по барабану. Как только я начинал тихонько чесать место укола, мне хотелось чесать еще больше)) И вот скорость руки, которая чесала прививку, у меня замерла на каком-то пике, потому что совершать колебания рукой у меня максимум получалось с частотой Герц в 15. Прививка набухала на пол руки)) И даже один раз меня водили сдавать кровь в подозрении на туберкулез, но как оказалось, не нашли. Оно и неудивительно ;-).

Так что это я вам тут рассказываю хохмы из жизни? Дело в том, что эта чесотка прививки самая что ни на есть положительная обратная связь. То есть пока я ее не трогал, чесать не хотелось. Но как только тихонько почесал, стало чесаться больше и я стал чесать больше, и чесаться стало еще больше и тд. Если бы на мою руку не было физический ограничений, то наверняка, место прививки уже бы стерлось до мяса. Но я мог махать рукой только с какой-то максимальной частотой. Так вот, такой же принцип и у кварцевого генератора ;-). Чуть подал импульс, и он начинает разгоняться и уже останавливается только на частоте параллельного резонанса ;-). Скажем так, «физическое ограничение».

Первым делом нам надо подобрать катушку индуктивности. Я взял тороидальный сердечник и намотал из провода МГТФ несколько витков

тороидальная катушка индуктивности

Весь процесс контролировал с помощью LC-метра, добиваясь номинала, как на схеме — 2,5 мГн. Если не доставало, прибавлял витки, если перебарщивал номинал, то убавлял. В результате добился вот такой индуктивности.

измерение индуктивности

Транзистора у меня в загашнике не нашлось, и в местном радиомагазине его тоже не было. Поэтому, пришлось заказывать на Али.

Его правильное название: транзистор полевой с каналом N типа.

транзистор 2n5485

Распиновка слева-направо: Сток — Исток — Затвор

Ну а дальше дело за малым. Собираем схемку:

Небольшое лирическое отступление.

Как вы видите, я пытался максимально сократить связи между радиоэлементами. Дело все в том, что все радиоэлементы имеют свои паразитные параметры. Чем длиннее их выводы, а также провода, соединяющие эти радиоэлементы в схеме, тем хуже будет работать схема, а то и вовсе «не зафурычит». Да и вообще, схемы с кварцевым резонатором на печатных платах трассируют не просто так от балды. Здесь есть свои тонкие нюансы. Мельчайшие паразитные параметры могут испоганить весь сигнал на выходе такого генератора.

Итак, кварцевый генератор мы собрали, напряжение подали, осталось только снять сигнал с выхода нашего самопального генератора. За дело берется цифровой осциллограф OWON SDS6062

Первым делом я взял кварц на самую большую частоту, которая у меня есть: 32 768 Мегагерц. Не путайте его с часовым кварцем (о нем пойдет речь ниже).

Не, ну а что вы хотели? Хотели увидеть идеальную синусоиду? Не тут-то было. Сказались паразитные параметры плохо собранной схемы и монтажа.

Внизу в левом углу осциллограф нам показывает частоту:

Как вы видите 32,77 Мегагерц. Главное, что наш кварц живой и схемка работает!

Давайте возьмем кварц с частотой 27 МГц.

Частоту тоже более-менее показал верно.

Ну и аналогично проверяем все остальные кварцы, которые у меня есть.

Вот осциллограмма кварца на 16 МГц.

Осциллограф показал частоту ровно 16 МГц.

Здесь поставил кварц на 6 МГц.

Ровно 6 МГц!

На 4 МГц.

Все ОК.

Ну и возьмем еще советский на 1 Мегагерц. Вот так он выглядит.

Сверху написано 1000 КГц = 1МГц.

Смотрим осциллограмму.

Рабочий!

При большом желании можно даже замерять частоту китайским генератором-частотомером.

измерение частоты частотомером

400 Герц погрешность для старенького советского кварца не очень и много, хотя дело может быть даже не кварце, а в самом частотомере.

Схема Пирса для прямоугольного сигнала

Итак, вернемся к схеме Пирса. Предыдущая схема Пирса генерирует синусоидальный сигнал

Но также есть видоизмененная схема Пирса для прямоугольного сигнала

А вот и она:

схема Пирса для меандра

Номиналы некоторых радиоэлементов можно менять в достаточно широком диапазоне. Например, конденсаторы С1 и С2 могут быть в диапазоне от 10 и до 100 пФ. Тут правило такое: чем меньше частота кварца, тем меньше должна быть емкость конденсатора. Для часовых кварцев конденсаторы можно поставить номиналом в 15-18 пФ. Если кварц с частотой от 1 до 10 Мегагерц, то можно поставить 22-56 пФ. Если не хотите заморачиваться, то просто поставьте конденсаторы емкостью в 22 пФ. Точно не прогадаете.

Также небольшая фишка на заметку: меняя значение конденсатора С1 можно настраивать частоту резонанса в очень тонких пределах.

Резистор R1 можно менять от 1 и до 20 МОм, а R2 от нуля и до 100 кОм. Тут тоже есть правило: чем меньше частота кварца, тем больше значение этих резисторов и наоборот.

Максимальная частота кварца, которую можно вставить в схему, зависит от быстродействия инвертора КМОП. Я взял микросхему 74HC04. Она не слишком быстродействующая. Состоит из шести инверторов, но использовать мы будем только один инвертор.

Вот ее распиновка:

Подключив к этой схеме часовой кварц, осциллограф выдал вот такую осциллограмму:

Ну как всегда всю картинку испортили паразитные параметры монтажа. Но, обратите внимание на частоту. Осциллограф почти верно ее показал с небольшой погрешностью. Ну оно и понятно, так как главная функция осциллографа отображать сигнал, а не считать частоту)

Кстати, вам эта часть схемы ничего не напоминает?

Не эта ли часть схемы используется для тактирования микроконтроллеров?

Она самая! Просто недостающие элементы схемы уже есть в самом МК ?

Схема Колпитца

Это также довольно распространенная и знаменитая схема.

схема Колпитца

За основу взять схема усилителя с общим коллектором (эмиттерный повторитель). Здесь все как обычно. Резисторы R1 и R2 устанавливают рабочую точку для транзистора. Резистор RE устанавливает уровень выходного напряжения. Транзистор NPN 2N4265 может работать на частотах до 100 МГц, поэтому его и взяли. Эта схема будет работать с кварцами в диапазоне от 1 и до 5 МГц.

Готовые модули кварцевых генераторов

В настоящее время кварцевые генераторы выпускают в виде законченных модулей. Некоторые фирмы, производящие такие генераторы, достигают частотной стабильности до 10-11 от номинала! Выглядят готовые модули примерно так:

виды кварцевых генераторов

или так

Такие модули кварцевых генераторов в основном имеют 4 вывода. Вот распиновка квадратного кварцевого генератора:

распиновка кварцевого генератора

Давайте проверим один из них. На нем написано 1 МГц

кварцевый генератор на 1 МГц

Вот его вид сзади.

Подавая постоянное напряжение от 3,3 и до 5 Вольт плюсом на 8, а минусом на 4, с выхода 5 я получил чистый ровный красивый меандр с частотой, написанной на кварцевом генераторе, то бишь 1 Мегагерц, с очень небольшими выбросами.

сигнал с кварцевого генератора

Ну прям можно залюбоваться).

Да и китайский генератор-частотомер показал точную частоту.

Отсюда делаем вывод: лучше купить готовый кварцевый генератор, чем самому убивать кучу времени и нервов на наладку схемы Пирса или Колпитца. Схема Пирса будет пригодна для проверки резонаторов и для ваших различных самоделок, хотя на Алиэкспрессе встречал готовый проверяльщик кварцевых резонаторов, способный замерять частоту кварцев от 1 и до 50 МГц.

Плюсы кварцевых генераторов

Плюсы кварцевых генераторов частоты — это высокая частотная стабильность. В основном это 10-5 — 10-6 от номинала или, как часто говорят, ppm (от англ. parts per million) — частей на миллион, то есть одна миллионная или числом 10-6. Отклонение частоты в ту или иную сторону в кварцевом генераторе в основном связано с изменением температуры окружающей среды, а также со старением кварца. При старении кварца, частота кварцевого генератора стает чуточку меньше с каждым годом примерно на 1,8х10-7 от номинала. Если, скажем, я взял кварц с частотой в 10 Мегагерц ( 10 000 000 Герц) и поставил его в схему, то за год его частота уйдет примерно на 2 Герца в минус ? Думаю, вполне терпимо.

Кварцевый генератор | это… Что такое Кварцевый генератор?

Обозначение пьезоэлектрического кварцевого резонатора на электрических принципиальных схемах.

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

Содержание

1 Характеристики
- 1.1 Частота
- 1.2 Стабильность частоты
- 1.3 Уровень фазовых шумов
- 1.4 Тип выходного сигнала
- 1.5 Наличие и тип термостабилизации
- 1.6 Возможность перестройки частоты
2 Принцип работы
3 Использование
4 См. также
5 Примечания
6 Литература

Характеристики

Миниатюрный 4 МГц кварцевый резонатор, закрытый в герметичный корпус HC-49.

Частота

Пассивная эквивалентная схема кварцевого резонатора.

Стабильность частоты

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

Уровень фазовых шумов

Тип выходного сигнала

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

Использование

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

См. также

Кварц
Кварцевый резонатор
Генератор электронный
Генератор Пирса

Генератор тактовых импульсов

Примечания

↑ Однократно программируемые кварцевые генераторы Epson

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.

Кварцевые генераторы — CoderLessons.com

Всякий раз, когда генератор работает непрерывно, это влияет на его

стабильность частоты . Там происходят изменения в его частоте. Основными факторами, которые влияют на частоту генератора, являются

Варианты питания
Изменения температуры
Изменения нагрузки или выходного сопротивления

В генераторах RC и LC значения сопротивления, емкости и индуктивности меняются в зависимости от температуры и, следовательно, на частоту влияют. Чтобы избежать этой проблемы, пьезоэлектрические кристаллы используются в генераторах.

Использование пьезоэлектрических кристаллов в параллельных резонансных контурах обеспечивает высокую стабильность частоты в генераторах. Такие генераторы называются Кристаллическими Осцилляторами .

Кварцевые генераторы

Принцип работы кварцевых генераторов зависит от пьезоэлектрического эффекта . Естественная форма кристалла шестиугольная. Когда кристаллическая пластина изогнута перпендикулярно оси X, она называется X-разрезом, а когда она разрезается вдоль оси Y, она называется Y-разрезом.

Кристалл, используемый в кварцевом генераторе, обладает свойством, называемым пьезоэлектрическим свойством. Итак, давайте разберемся с пьезоэлектрическим эффектом.

Пьезоэлектрический эффект

Кристалл проявляет свойство, заключающееся в том, что когда механическое напряжение прикладывается к одной из граней кристалла, разность потенциалов развивается на противоположных гранях кристалла. И наоборот, когда разность потенциалов прикладывается к одной из граней, вдоль других граней создается механическое напряжение. Это известно как пьезоэлектрический эффект .

Некоторые кристаллические материалы, такие как соль Рошеля, кварц и турмалин, обладают пьезоэлектрическим эффектом, и такие материалы называются пьезоэлектрическими кристаллами . Кварц является наиболее часто используемым пьезоэлектрическим кристаллом, потому что он недорог и легко доступен в природе.

Когда пьезоэлектрический кристалл подвергается воздействию переменного потенциала, он вибрирует механически. Амплитуда механических колебаний становится максимальной, когда частота переменного напряжения равна собственной частоте кристалла.

Работа кварцевого кристалла

Чтобы заставить кристалл работать в электронной схеме, кристалл помещают между двумя металлическими пластинами в форме конденсатора. Кварц является наиболее часто используемым типом кристаллов из-за его доступности и сильной природы, будучи недорогим. Переменное напряжение подается параллельно кристаллу.

Схема расположения кварцевого кристалла будет такой, как показано ниже –

Если подается переменное напряжение, кристалл начинает вибрировать с частотой приложенного напряжения. Однако, если частота приложенного напряжения сделана равной собственной частоте кристалла, возникает резонанс, и колебания кристалла достигают максимального значения. Эта собственная частота почти постоянна.

Эквивалентная схема кристалла

Если мы попытаемся представить кристалл эквивалентной электрической цепью, мы должны рассмотреть два случая: когда он вибрирует, а когда нет. Цифры ниже представляют символ и электрическую эквивалентную схему кристалла соответственно.

Вышеупомянутая эквивалентная схема состоит из последовательной RLC-схемы, параллельной емкости C _m . Когда кристалл, установленный на источнике переменного тока, не вибрирует, он эквивалентен емкости C _m . Когда кристалл вибрирует, он действует как настроенная схема RLC.

Частотный отклик

Частотная характеристика кристалла показана ниже. График показывает реактивное сопротивление (X _L или X _C ) в зависимости от частоты (f). Очевидно, что кристалл имеет две близко расположенные резонансные частоты.

Первая – это последовательная резонансная частота (f _s ), которая возникает, когда реактивное сопротивление индуктивности (L) равно реактивному сопротивлению емкости C. В этом случае полное сопротивление эквивалентной цепи равно сопротивлению R и частота колебаний определяется соотношением,

f= frac12 pi sqrtLC

Вторая – это параллельная резонансная частота (f _p ), которая возникает, когда реактивное сопротивление ветви RLC равно реактивному сопротивлению конденсатора C _m . На этой частоте кристалл обеспечивает очень высокое сопротивление внешней цепи, и частота колебаний определяется соотношением.

fp= frac12 pi sqrtL.CT

куда

CT= fracCCm(C+Cm)

Значение C _m обычно очень велико по сравнению с C. Следовательно, значение C _T приблизительно равно C, и, следовательно, последовательная резонансная частота приблизительно равна параллельной резонансной частоте (то есть f _s = f _p ).

Схема кварцевого генератора

Схема кварцевого генератора может быть сконструирована несколькими способами, такими как кварцевый генератор, управляемый кристаллом, кварцевый генератор Колпитса, кварцевый генератор Клэпа и т. Д. Но транзисторный кварцевый генератор с пирсингом является наиболее часто используемым. Это схема, которая обычно называется схемой кварцевого генератора.

Следующая принципиальная схема показывает расположение транзисторного кварцевого генератора.

В этой схеме кристалл соединен как последовательный элемент на пути обратной связи от коллектора к основанию. Резисторы R ₁ , R ₂ и R _E обеспечивают цепь стабилизированного постоянного напряжения делителя напряжения. Конденсатор C _E обеспечивает байпас переменного тока эмиттерного резистора, а RFC (радиочастотный дроссель) катушка обеспечивает смещение постоянного тока, в то же время отделяя любой сигнал переменного тока на линиях электропередачи от воздействия на выходной сигнал. Конденсатор связи С имеет незначительное полное сопротивление на рабочей частоте цепи. Но он блокирует любой постоянный ток между коллектором и базой.

Частота колебаний схемы задается последовательной резонансной частотой кристалла, а ее значение определяется соотношением,

fo= frac12 pi sqrtLC

Можно отметить, что изменения напряжения питания, параметров транзисторного устройства и т. Д. Не влияют на рабочую частоту схемы, которая поддерживается кристаллом стабильно.

преимущества

Преимущества кварцевого генератора следующие:

Они имеют высокий порядок стабильности частоты.
Коэффициент качества (Q) кристалла очень высок.

Недостатки

Недостатками кварцевого генератора являются:

Они хрупкие и могут использоваться в цепях малой мощности.
Частота колебаний не может быть существенно изменена.

Стабильность частоты генератора

Ожидается, что генератор будет поддерживать свою частоту в течение более длительного периода времени без каких-либо изменений, чтобы иметь более плавный чистый синусоидальный выход для работы схемы. Следовательно, термин «стабильность частоты» действительно имеет большое значение, когда речь идет о генераторах, будь то синусоидальные или несинусоидальные.

Стабильность частоты генератора определяется как способность генератора поддерживать необходимую частоту постоянной в течение длительного интервала времени, насколько это возможно. Попробуем обсудить факторы, влияющие на эту стабильность частоты.

Изменение в рабочей точке

Мы уже познакомились с параметрами транзистора и узнали, насколько важна рабочая точка. Стабильность этой рабочей точки для транзистора, используемого в схеме усиления (BJT или FET), имеет большее значение.

Работа используемого активного устройства регулируется так, чтобы соответствовать линейной части его характеристик. Эта точка сдвигается из-за колебаний температуры, и, следовательно, это влияет на стабильность.

Изменение температуры

Цепь бака в цепи генератора содержит различные компоненты, определяющие частоту, такие как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Все их параметры зависят от температуры. Из-за изменения температуры на их значения влияют. Это приводит к изменению частоты контура генератора.

Из-за питания

Изменения в подаваемой мощности также влияют на частоту. Изменения источника питания приводят к изменениям в V _cc . Это повлияет на частоту производимых колебаний.

Во избежание этого внедрена система регулируемого энергоснабжения. Вкратце это называется RPS. Детали регулируемого электропитания были четко обсуждены в разделе электропитания учебного пособия по электронным схемам.

Изменение выходной нагрузки

Изменения выходного сопротивления или выходной нагрузки также влияют на частоту генератора. Когда нагрузка подключена, эффективное сопротивление цепи бака изменяется. В результате добротность LC настроенной схемы изменяется. Это приводит к изменению выходной частоты генератора.

Изменения в межэлементных емкостях

Межэлементные емкости – это емкости, которые развиваются в материалах PN-перехода, таких как диоды и транзисторы. Они разработаны из-за заряда, присутствующего в них во время их работы.

Межэлементные конденсаторы претерпевают изменения по различным причинам, таким как температура, напряжение и т. Д. Эта проблема может быть решена путем подключения затухающего конденсатора через неисправный межэлементный конденсатор.

Значение Q

Значение Q (добротность) должно быть высоким в генераторах. Значение Q в настроенных генераторах определяет селективность. Поскольку этот Q прямо пропорционален стабильности частоты настроенной цепи, значение Q должно поддерживаться на высоком уровне.

Стабильность частоты может быть математически представлена как

Sw=d theta/dw

Где dθ – сдвиг фазы, введенный для небольшого изменения частоты номинальной частоты f _r . Схема, дающая большее значение (dθ / dw), имеет более стабильную частоту колебаний.

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

Кварцевые генераторы с высокой температурной стабильностью

Иванов Юрий
Котюков Александр
Никонов Аркадий
Заславский Алексей

PDF версия

16. 09.202015.09.2020 Кварцевые генераторы Статьи #АО «Морион»

Температурная стабильность частоты – один из ключевых параметров кварцевых генераторов. Современные термостатированные кварцевые генераторы обеспечивают очень высокую температурную стабильность частоты вплоть до ±1E–11 в широком интервале температур –40…85°C. Столь малые величины изменения частоты требуют некоторых особенностей при измерении и, соответственно, при эксплуатации таких генераторов. В статье рассматриваются особенности эксплуатации подобных генераторов, методики измерения температурной стабильности, а также влияние на нее других факторов.

Одним из основных параметров кварцевых генераторов является температурная стабильность. Существует несколько разных методов ее обеспечения.

Простые кварцевые генераторы (КГ), где температурная стабильность обеспечивается только самим кварцевым резонатором за счет выбора угла среза кварцевого элемента. Температурная стабильность таких генераторов составляет ±10…15E–6 в диапазоне –40…85°C (см. рис. 1).
Термокомпенсированные кварцевые генераторы (ТККГ). В них имеются дополнительные элементы, которые формируют управляющее напряжение, компенсирующее зависимость выходной частоты от температуры. Температурная стабильность таких генераторов составляет ±1…3E–7 в диапазоне –40…85°C (см. рис. 1).
Термостатированные кварцевые генераторы (ТСКГ). В них кварцевый резонатор и основная часть элементов находятся в термостате, поддерживающем постоянную температуру. Температурная стабильность таких генераторов достигает ±1…5E–11 в диапазоне –40…85°C (см. рис. 1).

Рис. 1. Зависимость частоты кварцевых генераторов разных видов от температуры

Далее мы рассмотрим именно термостатированные генераторы, причем только самые высокостабильные.

Сначала детальнее остановимся на базовой конструкции термостатированных генераторов. Как уже упоминалось, в подобных генераторах все чувствительные к изменению температуры элементы находятся внутри термостата, в котором поддерживается постоянная температура (см. рис. 2).

Рис. 2. Схема конструкции термостатированного генератора

Температура внутри термостата устанавливается несколько выше (обычно на 5–15°C) верхней рабочей температуры эксплуатации генератора. Кроме того, она выбирается таким образом, чтобы температурная зависимость резонатора находилась в районе одного из его экстремумов (см. точки LTP и UTP на рисунке 3). Таким образом, обеспечивается минимальное изменение частоты кварцевого генератора в зависимости от температуры окружающей среды.

Рис. 3. Типовая зависимость частоты кварцевого резонатора от температуры

Необходимость поддержания высокой температуры термостатом приводит к следующим отличительным чертам термостатированных кварцевых генераторов:

 Повышенный ток потребления при включении.
Как только температура внутри термостата достигает заданного уровня, ток потребления существенно уменьшается;
 Необходимость первоначального прогрева.
Характеризуется точностью установления частоты в заданных пределах за фиксированное время, которое обычно составляет 2–5 мин при температуре 25°C и точности до ±2E–8.

Подобная базовая модель обеспечивает температурную стабильность в диапазоне ±1E–8…±5E–10 в зависимости от конструкции. Существует несколько следующих способов повышения температурной стабильности описанной конструкции:

Использование двойного термостата. В подобных генераторах применяется дополнительный термостат, внутрь которого помещается базовый термостат. Это достаточно эффективный способ, благодаря которому, как правило, достигается стабильность ±1E–10. Однако его применение сопряжено с неизбежными издержками, к которым относятся сравнительно большие габариты и ограничение верхней рабочей температуры эксплуатации генератора из-за необходимости установить большую разницу между рабочей температурой и температурой термостата.
Использование дополнительной температурной компенсации. Итоговая зависимость частоты от температуры базовой конструкции обычно носит более–менее линейный характер, что позволяет относительно просто ее компенсировать. К недостаткам этого метода относится довольно высокая крутизна итоговой зависимости частоты от температуры, что может нивелировать все преимущества. Использование этого метода применительно к термостатированным генераторам обычно позволяет увеличить температурную стабильность до пяти раз.
Наиболее сложный, но дающий наилучшие результаты метод «вылизывания» базовой конструкции. Он заключается в тщательном расчете и продолжительном многоитеративном процессе доработки конструкции конкретного типа генераторов для получения лучшей температурной стабильности, в т. ч. за счет понижения температурных градиентов. Благодаря этому подходу температурная стабильность достигает значений, которыми характеризуются генераторы с двойным термостатированием; при этом сохраняются габариты и, в особенности, высота базовой конструкции.

Для получения эксклюзивно высокой температурной стабильности, достигающей, например, ±1E–11, приходится в полной мере реализовать все описанные выше меры улучшения температурной стабильности.

Как при эксплуатации, так и при измерении параметров генераторов с высокой температурной стабильностью могут возникать дополнительные факторы, влияющие на температурную стабильность. Так, например, выходная частота кварцевых генераторов изменяется с течением времени. При этом крайне важно, сколько времени генератор находился во включенном состоянии. Так, у генераторов, работающих в течение нескольких недель, суточное изменение частоты составляет несколько единиц E–11, а у генераторов, включенных всего один день, эта величина равна нескольким единицам E–10. Нетрудно заметить, что такой вклад заметен при измерении температурной стабильности, тем более когда она мала и сопоставима с таким уходом. Таким образом, при оценке стоит учитывать дрейф частоты генератора. Сделать это довольно просто – необходимо выдержать генератор при некоторой постоянной температуре и фиксировать его частоту. Далее по полученным результатам строится модель ухода частоты с течением времени – для непродолжительных промежутков времени вполне хватит простой линейной модели.

Обычно при испытаниях генераторов с очень высокой температурной стабильностью нам приходится использовать несколько циклов нагрева/охлаждения, чтобы убедиться, что генератор удовлетворяет нормам по температурной стабильности. Влияние дрейфа частоты отчетливо видно по результатам испытаний генератора ГК360-ТС производства АО «Морион».

На рисунке 4 красным цветом показана исходная характеристика, снятая в процессе измерений. Видно, что она обладает линейным наклоном, что связано со старением генератора. Синим цветом показана эта же характеристика, но с вычтенным дрейфом.

Рис. 4. Результат измерения температурной стабильности генератора ГК360-ТС производства АО «Морион» и его обработка

Как уже отмечалось, если для повышения температурной стабильности используется дополнительная компенсация, на итоговой характеристике могут присутствовать отдельные участки с заметной крутизной. Подобная ситуация не явно выражена в случае термостатированных кварцевых генераторов, но очень заметна при использовании рубидиевых генераторов.

На рисунке 5 показаны две разные зависимости частоты от температуры. В первом случае при малом изменении температуры изменение частоты также пропорционально мало. Во втором случае при малом изменении температуры частота меняется в существенно большей мере вплоть до значения температурной стабильности во всем интервале.

Рис. 5. Сравнение зависимости от температуры частоты генераторов с:
а) линейной ТЧХ;
б) сильно меняющейся ТЧХ

Кроме того, из-за компенсации или неудачной конструкции изменения частоты многократно превышают норму при быстром изменении температуры (см. рис. 6).

Рис. 6. Пример малой реакции на температурный удар для ГК360-ТС

У термостатированных генераторов с высокой температурной стабильностью форма и величина зависимости частоты от температуры при изменении их ориентации меняются с высокой вероятностью. Это происходит из-за конвекции внутри объема генератора. У правильно разработанного генератора такая зависимость должна быть сведена к минимуму и учтена при испытаниях.

Говоря о термостатированных генераторах сверхвысокой стабильности, отдельно следует упомянуть проблемы, возникающие при подстройке частоты генератора с помощью управляющего напряжения. Наличие этой функции напрямую влияет на стабильность генератора. Когда мы говорим о столь малых величинах нестабильности, вклад перестройки становится особо остро заметен. Так, генератор без такой опции обладает большей температурной и кратковременной стабильностью, чем с этой опцией. Например, температурную стабильность генератора без перестройки можно довести до ±1E–11, тогда как с перестройкой эта величина уже составляет ±2E–11. Соответственно, при необходимости обеспечить лучшую температурную стабильность предпочтение отдается системам, в которых допустимо применение генератора без возможности перестройки частоты.

Перестройка обеспечивается либо аналоговой цепью, либо цифровой. Генераторы с цифровым управлением включают в себя ЦАП, и управление частотой осуществляется подачей кода. Управление ЦАП реализуется по протоколам I2C или SPI. При цифровом варианте управления деградация температурной стабильности минимальна, однако при изменении кода управления могут кратковременно ухудшаться нестабильность, и возрастать фазовые шумы.

Еще одним ограничением является минимальный фиксированный шаг перестройки, который зависит от разрядности ЦАП. Для 20‑бит ЦАП он составляет 5E–13…10E–13.

В генераторах с аналоговым управлением для приведения частоты к номиналу на соответствующий вход подается управляющее напряжение (см. рис. 7).

Рис. 7. Схема включения генератора с аналоговым управлением и общей землей

На земляном выводе генератора возникает падение напряжения, зависящее от протекающего тока нагревательных транзисторов термостата. При таком подключении оно попадает в цепь управления, ухудшает температурную и кратковременную стабильность частоты.

Для уменьшения этого влияния следует уменьшить сопротивление (длину) общей цепи протекающих токов питания генератора и цепи управления. Кардинальным способом является использование разных земель (см. рис. 8). Однако такой способ снижает унификацию генераторов и накладывает достаточно серьезные ограничения на схемотехнику оборудования.

Рис. 8. Схема включения генератора с аналоговым управлением с раздельными землями

Еще одним фактором, который следует учесть при эксплуатации сверхвысокостабильных генераторов, являются применяемые материалы, т. к. при соединении разнородных проводников, спаи которых находятся при разных температурах, в цепи управления возникает термоЭДС, влияющая на температурную стабильность частоты. Чем выше температурная стабильность, тем в большей мере проявляются все описанные эффекты.

Генераторы с высокой температурной стабильностью успешно применяются во многих областях, где требуется очень стабильная частота. Они даже могут посоревноваться с рубидиевыми генераторами в некоторых областях применения благодаря меньшим габаритам и потреблению. Их зависимость частоты от изменения температуры гораздо более линейна и обладает меньшей крутизной. Таким образом, при небольших изменениях температуры окружающей среды линейность существенно лучше, чем у рубидиевых генераторов.

Заметим, что, в отличие от рубидиевых, старение термостатированных кварцевых генераторов происходит быстрее, но в случае крайне малого изменения частоты при изменении температуры влияние этого эффекта можно компенсировать.

Итак, мы рассмотрели особенности конструкции термостатированных генераторов, методы улучшения температурной стабильности и некоторые особенности использования подобных генераторов.

Литература

John  Vig. Quartz Crystal Resonators and Oscillators. Tutorial. US Army Communications-Electronics Research, Development & Engineering Center Fort Monmouth. NJ. USA. March 2004.
 Kotyukov, Y. Ivanov, A. Nikonov. Precise Frequency Sources Meeting the 5G Holdover Time Interval Error Requirement. Microwave Journal. May. 2018.

Кварцевый осциллятор: схема, частота и принцип работы

Кварцевые генераторы работают по принципу обратного пьезоэлектрического эффекта, при котором переменное напряжение, приложенное к поверхности кристалла, заставляет его вибрировать с собственной частотой. Именно эти вибрации в конечном итоге преобразуются в колебания.

Эти генераторы обычно изготавливаются из кристалла кварца, хотя другие вещества, такие как сегнетовая соль и турмалин, проявляют пьезоэлектрический эффект, потому что кварц недорог, доступен в природе и механически прочен по сравнению с другими.

В кварцевых генераторах кристалл соответствующим образом вырезается и монтируется между двумя металлическими пластинами, как показано на рис. 1а, электрический эквивалент которого показан на рис. 1б. В действительности кристалл ведет себя как последовательная RLC-цепь, состоящая из компонентов

Маломощный резистор R _S
Индуктивность с большим номиналом L _S
Маломощный конденсатор C _S

который будет параллельно емкости его электродов C _стр .

Из-за присутствия C _p кристалл будет резонировать на двух различных частотах, а именно,

Последовательная резонансная частота, f _s, которая возникает, когда последовательная емкость C _S резонирует с последовательной индуктивностью Л _С . На этом этапе импеданс кристалла будет наименьшим и, следовательно, величина обратной связи будет наибольшей. Математическое выражение для этого дано как
Параллель Резонансная частота, f _p, что проявляется, когда реактивное сопротивление ветви L _S C _S равно реактивному сопротивлению параллельного конденсатора C _p, т. е. L _S и C _S резонируют с C _p. В этот момент импеданс кристалла будет самым высоким и, следовательно, обратная связь будет минимальной. Математически это можно представить как

Поведение конденсатора будет емкостным как ниже f _S, так и выше f _p . Однако для частот, лежащих между f _S и выше f _p поведение кристалла будет индуктивным. Кроме того, когда частота станет равной параллельной резонансной частоте f _p , тогда взаимодействие между L _S и C _p сформирует параллельный настроенный LC-контур. Следовательно, кристалл можно рассматривать как комбинацию последовательно и параллельно настроенных резонансных контуров, из-за чего необходимо настроить контур на любой из этих двух. Кроме того, следует отметить, что f _p будет выше, чем f _s, и близость между ними будет определяться огранкой и размерами используемого кристалла.

Кварцевые генераторы могут быть спроектированы путем включения кристалла в цепь таким образом, чтобы он обеспечивал низкий импеданс при работе в последовательно-резонансном режиме (рис. 2а) и высокий импеданс при работе в антирезонансном или параллельно-резонансном режиме (рис. 2b). .

В показанных схемах резисторы R ₁ и R ₂ образуют цепь делителя напряжения, а эмиттерный резистор R _E стабилизирует цепь. Кроме того, C _E (рис. 2а) действует как шунтирующий конденсатор переменного тока, а разделительный конденсатор C _C (рис. 2а) используется для блокировки распространения постоянного сигнала между коллектором и клеммами базы.

Затем конденсаторы C ₁ и C ₂ образуют сеть емкостного делителя напряжения в случае, показанном на рис. 2b. Кроме того, в схемах также имеется радиочастотная катушка (RFC) (как на рис. 2a, так и на рис. 2b), которая дает двойное преимущество, поскольку она обеспечивает даже смещение постоянного тока, а также освобождает выход схемы от влияния сигнала переменного тока. на линиях электропередач.

При подаче питания на генератор амплитуда колебаний в цепи увеличивается до тех пор, пока не будет достигнута точка, в которой нелинейность усилителя снизит коэффициент усиления контура до единицы.

Затем, при достижении устойчивого состояния, кварц в контуре обратной связи сильно влияет на частоту рабочей цепи. Кроме того, здесь частота будет самонастраиваться, чтобы облегчить кварцевый резонатор, представляющий реактивное сопротивление цепи таким образом, чтобы выполнялось требование фазы Баркгаузена.

Как правило, частота кварцевых генераторов будет фиксированной и равна основной или характеристической частоте кристалла, которая будет определяться физическим размером и формой кристалла.

Однако, если кристалл непараллелен или имеет неравномерную толщину, он может резонировать на нескольких частотах, что приводит к возникновению гармоник.

Кроме того, кварцевые генераторы могут быть настроены либо на четную, либо на нечетную гармонику основной частоты, которые называются гармоническими и обертонными генераторами соответственно.

Примером этого является случай, когда параллельная резонансная частота кристалла уменьшается или увеличивается путем добавления конденсатора или катушки индуктивности к кристаллу соответственно.

Типичный рабочий диапазон кварцевых генераторов составляет от 40 кГц до 100 МГц, где низкочастотные генераторы разработаны с использованием операционных усилителей, а высокочастотные — с использованием транзисторов (BJT или FET).

Частота колебаний, генерируемых схемой, определяется последовательной резонансной частотой кварца и не зависит от изменений напряжения питания, параметров транзистора и т. д. В результате кварцевые генераторы демонстрируют высокую добротность с превосходной стабильность частоты, что делает их наиболее подходящими для высокочастотных приложений.

Однако следует соблюдать осторожность, чтобы управлять кристаллом только с оптимальной мощностью. Это связано с тем, что если на кристалл подается слишком много энергии, то в кристалле могут возбуждаться паразитные резонансы, что приводит к нестабильной резонансной частоте.

Кроме того, даже форма выходного сигнала может быть искажена из-за ухудшения характеристик фазового шума. Более того, это может привести даже к разрушению прибора (кристалла) из-за перегрева.

Кварцевые генераторы имеют компактные размеры и невысокую стоимость, благодаря чему находят широкое применение в системах РЭБ, системах связи, системах наведения, микропроцессорах, микроконтроллерах, системах космического слежения, измерительных приборах, медицинских приборах, ЭВМ, цифровых системах, контрольно-измерительных приборах, фазовращателях. -системы замкнутого контура, модемы, датчики, дисководы, морские системы, телекоммуникации, системы управления двигателями, часы, системы глобального позиционирования (GPS), системы кабельного телевидения, видеокамеры, игрушки, видеоигры, радиосистемы, сотовые телефоны, таймеры, и т. д.

Понимание работы кварцевых генераторов

В первой части этой серии мы рассмотрели некоторые важные показатели, которые используются для характеристики отклонений частоты кварцевых кристаллов. Теперь более подробно рассмотрим работу этих устройств.

Сначала мы рассмотрим кривую зависимости реактивного сопротивления от частоты типичного кристалла. Вооружившись этими знаниями, мы рассмотрим две разные топологии генератора и обсудим, как архитектура схемы заставляет кристалл колебаться на определенной частоте.

Основываясь на этом обсуждении, мы сможем рассмотреть определение параллельных и последовательных кристаллов — два технических термина, которые иногда могут вызывать путаницу.

Кристаллы имеют две резонансные частоты

Эквивалентная электрическая схема для кристалла показана на рис. 1.

Рис.

Основываясь на этой модели, мы можем найти кривую зависимости реактивного сопротивления от частоты типичного блока кварцевого кристалла, как показано на рисунке 2:

Рис. 2. Изображение предоставлено Cypress.

Чтобы получить некоторое представление о работе кристалла, предположим, что кристалл идеальный и R _m пренебрежимо мал. Следовательно, в нижней ветви электрической модели кристалла мы имеем L _m и C _m последовательно.
Когда L _m и C _m находятся в последовательном резонансе, их импедансы компенсируют друг друга. На этой частоте импеданс нижней ветви и, следовательно, полный импеданс по всему кристаллу падает до нуля. Это соответствует f _s на рис. 2, что обычно называют последовательной резонансной частотой кристалла. Обратите внимание, что C _или не влияет на значение этой частоты.
Чуть выше f _s реактивное сопротивление L _m становится больше, чем у C _m, и мы наблюдаем, что кристалл проявляет индуктивное поведение. Реактивное сопротивление этой эффективной индуктивности (последовательное сочетание L _м и С _м ) увеличивается с частотой и на определенной частоте (f _a ), оно становится равным реактивному сопротивлению C _o в модели кристалла. В этот момент мы фактически имеем параллельный ЖК в резонансе, а полное сопротивление кристалла приближается к бесконечности. Частота f _a называется антирезонансной частотой. Эта частота всегда выше последовательной резонансной частоты.

С какой частотой будет колебаться кристалл?
Мы видели, что кристаллы имеют две формы резонанса. На обеих f _s и f _a импеданс кристалла резистивный. При f _s сопротивление минимально; однако на антирезонансной частоте эквивалентное сопротивление кристалла приближается к бесконечности.
Теперь следует задать вопрос: на какой частоте будет колебаться кварц, если его использовать в цепи генератора?
Ответ: это зависит от топологии генератора.
На частоте колебаний петлевой коэффициент усиления генератора должен быть равен или больше единицы, а фазовый сдвиг должен быть целым числом, кратным 2π (положительная обратная связь). Эти условия определяют частоту колебаний кристалла.
В качестве примера рассмотрим генератор, показанный на рис. 3.

Рис. 3 Следовательно, на частоте колебаний фазовый сдвиг, вызванный кристаллом и R ₁, должен быть равен нулю. Этот нулевой фазовый сдвиг может быть достигнут на частотах, при которых кристалл имеет чисто резистивный импеданс (f _s и f _и).
При f _s импеданс кристалла минимален и, следовательно, делитель напряжения, созданный кристаллом и R ₁, имеет большее усиление, как показано на рисунке выше. Следовательно, при вышеуказанной схеме схема может колебаться при f _s .
Другая топология генератора, широко известная как генератор Пирса-Гейта, изображена на рисунке 4. Изображение предоставлено Рамоном Сердой.

В этой топологии усилитель обеспечивает фазовый сдвиг на 180°. Следовательно, сетка R _s , C ₂ , C ₁ и кристалл должны обеспечивать дополнительный фазовый сдвиг на 180° для выполнения условия фазы колебаний. Когда выходной сигнал усилителя проходит через цепь обратной связи, он испытывает некоторый фазовый сдвиг от комбинации кристалла и C ₁. Величина этого фазового сдвига зависит от частоты сигнала.
Ниже f _s кристалл действует как конденсатор, а фазовый сдвиг от X ₁ и C ₁ близок к 0°. При f _s кристалл имеет резистивный импеданс и этот фазовый сдвиг составляет около 90°. Выше f _s кристалл проявляет индуктивное поведение, и фазовый сдвиг может быть близок к 180°.
На практике фазовый сдвиг, обеспечиваемый R _s и C ₂, меньше 90° и, следовательно, комбинация X ₁ и C ₁ должен обеспечивать более 90°. Вот почему кристалл должен работать где-то в своей индуктивной области (между f _s и f _a на рис. 2).

Параллельно-резонансные и последовательно-резонансные генераторы
Приведенное выше обсуждение показывает, что кристалл кварца может колебаться на любой частоте между последовательной резонансной частотой (f _s ) и антирезонансной частотой (f _a ) в зависимости от топологии генератора.
Многие распространенные схемы генераторов, такие как генераторы Пирса, Колпитца и Клэппа, используют кварц в диапазоне между f _s и f _a . Эту область обычно называют «областью параллельного резонанса», а генераторы, заставляющие кристалл работать в этой области, называют «параллельно-резонансными генераторами».
Генераторы, которые заставляют кристалл работать при f _s, не очень распространены. Эти генераторы называются «последовательно-резонансными генераторами». Стоит отметить, что антирезонансная точка не используется в конструкциях генераторов.

Параллельные и последовательные резонансные кристаллы
В производстве кристаллов есть два технических термина, которые иногда могут вызывать путаницу: «параллельно-резонансный кристалл» (или просто параллельный кристалл) и «последовательно-резонансный кристалл» (или последовательный кристалл).
Параллельные резонаторы предназначены для использования в генераторах с параллельным резонансом. Поскольку генератор с параллельным резонансом приводит в действие кристалл где-то между fs и f _a , то номинальная частота параллельного кристалла — это частота в этом диапазоне, т. е. в «области параллельного резонанса» кристалла.
С другой стороны, последовательный кварц предназначен для использования в генераторах с последовательным резонансом. Следовательно, номинальная частота кварца равна его последовательной резонансной частоте (f _s ).
Есть ли физическая разница между этими двумя типами кристаллов?
Мы знаем, что каждый кристалл имеет свою определенную частоту последовательного резонанса и «область параллельного резонанса»; и мы можем работать с данным кристаллом в любом из этих двух условий резонанса. Поэтому нет разницы в физическом строении параллельных и последовательных кристаллов.
Эти два термина относятся только к условиям, при которых кристалл будет колебаться на своей номинальной частоте.
Указывают ли они, с какой топологией генератора кварц достигнет своей номинальной частоты? Это генератор с параллельным резонансом или с последовательным резонансом?

Емкость нагрузки
Емкость нагрузки относится к величине внешней емкости, которую кристалл должен «видеть» на своих клеммах. В генераторах с последовательным резонансом в цепи обратной связи генератора нет реактивных компонентов (см. пример генератора, показанный на рис. 3). Поэтому для последовательных кристаллов емкость нагрузки не имеет значения (и не указывается).
Однако при использовании параллельного кристалла емкость нагрузки является ключевым параметром. В этом случае кристалл используется в индуктивной области его кривой реактивного сопротивления. И кристалл образует бак LC с емкостью внешней нагрузки. Следовательно, значение емкости нагрузки играет ключевую роль и определяет частоту колебаний.
Параллельный кварцевый резонатор фактически откалиброван на заводе, чтобы колебаться на своей номинальной частоте при подключении к указанной нагрузочной емкости. Для достижения номинальной частоты наша прикладная плата должна обеспечивать такую же емкость нагрузки.
В следующей статье мы более подробно обсудим влияние емкости нагрузки.
Чтобы увидеть полный список моих статей, пожалуйста, посетите эту страницу.
Xtal Operation » Примечания по электронике
Работа кристаллов кварца зависит от пьезоэлектрического эффекта, связывающего механические резонансы с электрической системой.
Кристаллы кварца, Xtals Учебное пособие Включает:
Кристаллы кварца: Xtals Что такое кварц Как работает кристалл Операция кристального обертона Вытягивание частоты кристалла кварца Огранка кварцевого хрусталя Кварцевое старение Производство кристаллических резонаторов Как определить кристалл кварца VCXO ТСХО ОСХО Кристаллический фильтр Монолитный кристаллический фильтр Керамический резонатор и фильтр Характеристики керамического фильтра
Работа кварцевых резонаторов или xtals зависит от пьезоэлектрического эффекта и резких механических резонансов материала.
Электрические сигналы преобразуются из их электрической формы в механические вибрации. Именно на эти вибрации воздействуют механические резонансы кварцевого кристалла, а затем они снова включаются в электрическую систему.
Потери, связанные с кристаллами кварца, очень малы, а это означает, что селективность или добротность чрезвычайно высоки.
Обозначение схемы кварцевого резонатора, xtal
Пьезоэлектрический эффект
При рассмотрении того, как работает кристалл кварца, в первую очередь необходимо понять основы пьезоэлектрического эффекта.
Это эффект, который проявляется в ряде материалов, как природных, так и синтетических.
Пьезоэлектрический эффект наблюдается в кварце, а также в ряде керамических материалов, используемых в электронной промышленности, а также в ряде органических веществ. Именно по этой причине доступны некоторые керамические резонаторы, хотя их характеристики не равны характеристикам кварца с точки зрения использования в качестве резонатора.
Пейзоэлектрический эффект используется не только в резонаторах, но и в электрических преобразователях — датчиках движения, датчиках напряжения, кристаллических микрофонах и многом другом.
Когда возникает пьезоэлектрический эффект, в некоторых твердых материалах возникает электрический заряд в результате приложенного механического напряжения. Этот эффект преобразует механическое напряжение в кристалле в напряжение и наоборот, т. Е. Напряжение может вызвать образование заряда в материале, или размещение заряда в материале вызовет возникновение напряжения.
Как работает кварцевый резонатор: основы
При работе кварцевого кристалла обнаружено, что пьезоэлектрический эффект преобразует электрические импульсы в механическое напряжение, которое подвергается механическим резонансам кристалла с очень высокой добротностью, и это, в свою очередь, снова включается в электрическую цепь.
Кристалл кварца может вибрировать по-разному, а это значит, что у него есть несколько резонансов — каждый на разной частоте.
К счастью, способ, которым заготовка кварцевого кристалла вырезается из самого исходного кристалла, может очень значительно уменьшить это. На самом деле угол граней относительно исходных осей кристалла определяет многие его свойства, от того, как он вибрирует, до его активности Q и его температурного коэффициента.
Если посмотреть на то, как работает резонатор из кварцевого кристалла, можно увидеть, что кристалл может вибрировать тремя основными способами:
Продольная мода: В продольной моде кристалл удлиняется и укорачивается. Это приводит к тому, что центр становится тоньше, когда кристалл расширяется, и толще, когда он укорачивается.
Кварцевый резонатор продольной вибрации
Низкочастотный режим сдвига грани: Для кристаллов, работающих в этом режиме, вся прямоугольная форма кристалла вибрирует, как показано ниже.
Резонатор из кварцевого кристалла, низкочастотная сдвиговая вибрация
Высокочастотный сдвиг: Режим высокочастотного сдвига используется для большинства кварцевых резонаторов, работающих в диапазоне от 1 МГц и выше.
Резонатор из кварцевого кристалла высокочастотная сдвиговая вибрация
Способ вырезания кристаллической заготовки из массивного кристалла влияет на то, как он вибрирует. В частности, большое влияние оказывает угол, под которым он срезан относительно осей объемного кристалла кварца. Есть несколько стандартных «разрезов», которым даны имена, и они имеют известные и полезные параметры производительности. Разрез, известный как разрез AT, используется для большинства кристаллов, используемых в традиционных радио- и электронных схемах, и он обычно вибрирует с использованием режима высокочастотного сдвига.
Эквивалентная схема кварцевого резонатора
Для анализа электрического отклика кварцевого резонатора очень часто бывает полезно изобразить его в виде эквивалентных электрических компонентов, которые потребуются для его замены. Затем эту эквивалентную схему можно использовать для анализа ее реакции и прогнозирования ее производительности, как показано на диаграмме ниже:
Приведенную ниже эквивалентную схему часто называют четырехпараметрической моделью кристалла, и ее достаточно для многих расчетов и иллюстрации работы кристалла.
Эквивалентная схема кварцевого резонатора
Можно приравнять эти теоретические составляющие компоненты к реальным физическим свойствам кристалла:
L: Индуктивность возникает из-за массы материала.
C1: Эта емкость возникает из-за податливости кристалла.
R: Этот элемент возникает из-за потерь в системе. Самые большие из них возникают из-за потерь на трение при механических колебаниях кристалла.
Co : Эта емкость в теоретической эквивалентной схеме кварцевого кристалла возникает из-за емкости между электродами кристаллического элемента. Это часто называют шунтирующей емкостью.
Помимо использования в генераторах, кристаллы кварца находят применение в фильтрах. Здесь они предлагают уровни производительности, которые не могут быть достигнуты другими формами фильтров. Часто в одном фильтре можно использовать несколько кристаллов, чтобы обеспечить правильную форму.
Кристаллический параллельный и последовательный резонанс
Есть два режима, в которых может работать кварцевый генератор, и они показаны на эквивалентной принципиальной схеме.
Кварцевые резонаторы
могут работать в любом режиме, и на самом деле разница между параллельными и последовательными резонансными частотами довольно мала. Обычно они различаются всего на 1%.
Характеристика импеданса кварцевого резонатора
Из этих двух режимов чаще используется параллельный режим, но можно использовать любой из них. Схемы генератора для использования различных режимов, естественно, различаются, поскольку один колеблется, когда кварц достигает своего максимального импеданса, а другой работает, когда кварц достигает своего минимального импеданса.
Crystal Q, добротность
Добротность или добротность является важным аспектом резонанса кварцевого кристалла. Кристаллы предлагают очень высокий уровень Q, иногда превышающий 100 000.
Соответственно, необходимо иметь возможность рассчитать уровень добротности, чтобы иметь возможность определить другие ограничения и конструктивные соображения для схемы, в которой он должен работать.
Существует простое уравнение, позволяющее рассчитать значение Q для данного кристалла.
Q=12 π Fs R C1
Из этого видно, что последовательная емкость оказывает большое влияние на добротность. Уменьшение последовательной емкости увеличивает добротность прямо пропорционально для данной частоты.
Кварцевые резонаторы представляют собой сложную связь между электрическими и механическими областями. Хотя в теории кажется, что теоретические операции выглядят довольно просто, на практике многие эффекты работают вместе и могут соединяться неожиданным образом. Нередко резонаторы из кварцевого кристалла возбуждаются другой модой в конкретной цепи и, следовательно, работают на неправильной частоте. Понимание того, как работают кварцевые резонаторы, может помочь выявить эти проблемы в маловероятном случае их возникновения. Часто в этом случае достаточно добавить к генератору широкий резонансный контур, чтобы гарантировать, что он может работать только в требуемом режиме.
Другие электронные компоненты:
Резисторы конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор полевой транзистор Типы памяти Тиристор Соединители ВЧ-разъемы Клапаны/трубки Батареи Переключатели Реле Технология поверхностного монтажа
Вернуться в меню «Компоненты». . .
Функции и основные принципы работы кварцевого генератора
Теплые подсказки: Эта статья содержит около 5000 слов, а время чтения составляет около 20 минут.
Введение
Кварцевый генератор представляет собой электромеханическое устройство, изготовленное из кварцевого кристалла с низкими электрическими потерями, который точно вырезан и покрыт электродами. Этот кристалл имеет очень важную характеристику. Если он находится под напряжением, он будет производить механические колебания. Наоборот, если к нему приложить механическую силу, он будет генерировать электричество.

Эта характеристика называется электромеханическим эффектом. У них есть очень важная особенность, и частота их колебаний тесно связана с их формой, материалом, направлением резания и так далее. Поскольку химические свойства кристаллов кварца очень стабильны, коэффициент теплового расширения очень мал, а частота колебаний также очень стабильна. Поскольку геометрия управления может быть очень точной, резонансная частота также очень точна.

По электромеханическому эффекту кристалла кварца мы можем приравнять его к контуру электромагнитных колебаний, то есть к резонансному контуру. Их электромеханический эффект заключается в постоянном преобразовании машина-электромашина-электро… Резонансный контур, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора, представляет собой постоянное преобразование электрического поля в магнитное поле. Применение в схеме фактически рассматривается как высокодобротный электромагнитный резонансный контур. Поскольку потери кварцевого кристалла очень малы, то есть значение добротности очень велико, при использовании в качестве генератора можно генерировать очень стабильные колебания и использовать их в качестве фильтра для получения очень стабильной и крутой полосы пропускания или полосового сопротивления. изгиб.
Catalog
Introduction
Ⅰ Crystal Oscillator Definition
Ⅱ Working Principle of Crystal Oscillator
Ⅲ Parameters of Crystal Oscillator
Ⅳ Тип кварцевого генератора
Ⅴ Метод испытания кварцевого генератора
5.1 Метод сопротивления
5.2 Self Made Tester
ⅵ Индекс стабильности кристаллического осциллятора
6.1 Общая разница в частотах
6.2 Стабильность частоты
9000 2.3.3 Стабильность температуры частоты
6.4.
6.5 Скорость старения частоты
6.6 Кратковременная стабильность
6.7 Диапазон частотной характеристики, управляемый напряжением
6.8 Линейность управления частотой напряжения
6.9 Фаза с одной боковой полосой £ (F)
6. 10 Управление напряжением частотного
Ⅷ Два распространенных метода использования кварцевого генератора в цепи затвора0360
Кварцевый генератор является наиболее важным компонентом схемы часов. Его функция заключается в обеспечении опорной частоты частей видеокарты, сетевой карты, материнской платы и других аксессуаров. Это как линейка. Нестабильная рабочая частота приведет к нестабильной рабочей частоте соответствующего оборудования, что, естественно, может привести к проблемам.

Благодаря постоянному совершенствованию производственного процесса такие важные технические показатели кварцевого генератора, как отклонение частоты, температурная стабильность, скорость старения и герметичность, очень кристалла все еще можно заметить при выборе. Какова роль кварцевых генераторов в приложениях? Источники тактовых сигналов микроконтроллеров можно разделить на две категории: источники тактовых импульсов на основе механических резонансных устройств, таких как кварцевые генераторы, керамические резонансные резервуары и RC-генераторы (резистивные, емкостные). Одним из них является конфигурация генератора Пирса для кристаллов и керамических резервуаров.

Другой простой дискретный RC-генератор. Генераторы на кристаллах и керамических резонаторах обычно обеспечивают очень высокую начальную точность и низкотемпературные коэффициенты. RC-генератор может быть быстро запущен и имеет низкую стоимость, но обычно менее точен во всем диапазоне температур и рабочего напряжения питания, а диапазон его изменения составляет от 5% до 50% от номинальной выходной частоты. Однако на его характеристики влияют условия окружающей среды и выбор компонентов схемы. К выбору компонентов и компоновке платы схемы генератора следует отнестись серьезно.

При использовании керамический резонатор и соответствующая нагрузочная емкость должны быть оптимизированы для конкретного семейства логики. Кристалл с высокой добротностью не чувствителен к выбору усилителя, но склонен к дрейфу частоты (и, возможно, даже к повреждению) при овердрайве. Факторами окружающей среды, влияющими на работу генератора, являются электромагнитные помехи (ЭМП), механические удары и толчки, влажность и температура. Эти факторы увеличивают колебания выходной частоты, повышают нестабильность и в некоторых случаях приводят к остановке генератора.

Большинства вышеперечисленных проблем можно избежать, используя модуль генератора. Эти модули поставляются с генератором, обеспечивают прямоугольную волну с низким импедансом и гарантированно работают при определенных условиях. Двумя наиболее распространенными типами являются кварцевые модули и интегрированные RC-генераторы (кремниевые генераторы). Модуль кварца обеспечивает такую же точность, как и дискретный кварц. Кремниевые генераторы более точны, чем дискретные RC-генераторы, и в большинстве случаев обеспечивают сравнимую точность с керамическими резонаторами.

При выборе генератора также необходимо учитывать энергопотребление. Потребляемая мощность дискретного генератора в основном определяется током питания усилителя обратной связи и величиной емкости внутри цепи. Потребляемая мощность КМОП-усилителя пропорциональна рабочей частоте и может быть выражена в виде значения рассеиваемой мощности конденсатора. Например, значение рассеиваемой мощности конденсатора затвора инвертора HC04 составляет 90 пФ.

При работе на частоте 4 МГц, источник питания 5 В эквивалентен току питания 1,8 мА. В сочетании с кварцевым нагрузочным конденсатором 20 пФ общий ток питания составляет 2,2 мА. Керамические резонансные резервуары обычно имеют большую емкость нагрузки и, соответственно, требуют большего тока. Напротив, для кварцевых модулей обычно требуется ток питания от 10 мА до 60 мА. Ток питания кремниевого генератора зависит от его типа и функции и варьируется от нескольких микроампер для низкочастотных (фиксированных) устройств до нескольких миллиампер для программируемых устройств. Маломощный кремниевый генератор, такой как MAX7375, требует менее 2 мА для работы на частоте 4 МГц. Оптимизация источника синхронизации для конкретного приложения требует всестороннего учета таких факторов, как точность, стоимость, энергопотребление и требования к окружающей среде.

Кварцевый генератор управляет тактовой частотой ЦП, то есть периодом, в котором формируются высокие и низкие уровни (генерация высокого уровня, а низкий уровень — это период). Вообще говоря, более высокая частота (скорость компьютерной обработки в единицу времени) кристалла не колеблется сама, а будет резонировать с внешней цепью на фиксированной частоте. Частота колебаний внешнего контура должна соответствовать собственной частоте колебаний кристалла или, по крайней мере, очень близко к ней, иначе контур перестанет вибрировать. Что касается теста, то в целом использование мультиметра для измерения сопротивления (имеется в виду движение стрелки) вредно (стрелка с низкой частотой колебаний тоже будет слегка раскачиваться, но сразу вернется к нулю), стрелка не не двигаться (сопротивление бесконечность), может и хорошо, может включиться.

Ⅱ Принцип работы кварцевого генератора
Кристалл может быть электрически эквивалентен конденсатору и резистору, соединенным параллельно, а затем соединенным последовательно с конденсатором. Энергосистема имеет две резонансные точки. Существуют высокие и низкие частоты, а более низкая частота является последовательным резонансом. Высокая частота представляет собой параллельный резонанс. Из-за характеристик самого кристалла расстояние между двумя частотами довольно близко. В этом чрезвычайно узком диапазоне частот кварцевый генератор эквивалентен индуктору, поэтому, пока кварцевый генератор подключен параллельно с подходящим конденсатором, он образует параллельный резонансный контур.

Параллельный резонансный контур добавляется к контуру отрицательной обратной связи для формирования контура синусоидальных колебаний. Поскольку кварцевый генератор эквивалентен узкому диапазону частот катушки индуктивности, даже если параметры других компонентов сильно изменятся, частота генератора сильно не изменится.

Ⅲ Параметры кварцевого генератора
Кварцевый генератор имеет важный параметр, то есть значение емкости нагрузки. Выбрав параллельную емкость, равную значению емкости нагрузки, можно получить номинальную резонансную частоту кварцевого генератора.
ⅳ Тип кристаллических осцилляторов
Резонансные осцилляторы включают в себя кварцевые (или его кристаллический материал) кристаллические резонаторы, керамические резонаторы, резонаторы LC и д.
. пересечение активных кварцевых резонансных генераторов.

Причина, по которой кварцевые пластины могут вызывать колебания цепи (резонанс), основана на их пьезоэлектрическом эффекте. Из физики известно, что если между двумя кусочками пластины приложить электрическое поле, кристалл будет механически деформирован. И наоборот, если между двумя пластинами приложена механическая сила, электрическое поле будет генерироваться в соответствующем направлении. Это явление называется пьезоэлектрическим эффектом. Если между двумя пластинами приложить переменное напряжение, возникнет механическая деформационная вибрация, а механическая деформационная вибрация создаст переменное электрическое поле.

Вообще говоря, амплитуда этой механической вибрации относительно мала, а частота вибрации очень стабильна. Но когда частота приложенного переменного напряжения равна собственной частоте пластины (которая зависит от размеров пластины), амплитуда механических колебаний резко возрастет. Это явление называется пьезоэлектрическим резонансом, поэтому кварцевый кристалл также называют кварцевым резонатором. Его особенностью является высокочастотная стабильность.

Ⅴ Метод проверки кварцевого генератора
Метод проверки кварцевого мультиметра
Совет: Как без осциллографа измерить, начинает ли кварцевый генератор вибрировать?
Вы можете использовать мультиметр, чтобы измерить, составляет ли напряжение двух контактов кварцевого генератора половину рабочего напряжения микросхемы. Например, если рабочее напряжение составляет 5 В, измерение составляет около 2,5 В. Кроме того, если вы коснетесь пинцетом другого вывода кристалла, это напряжение значительно изменится, что окажется колебательным.
Совет: просто возьмите батарею на 1,5 В и подключите кварцевый генератор к уху на двух концах кварца. Слушай внимательно. Когда вы слышите гудящий звук, это означает, что он начинает вибрировать. Это хорошо!

5.1 Метод измерения сопротивления
Поместите мультиметр в блок R×10K и измерьте сопротивление между двумя контактами кварцевого кристалла, чтобы оно было бесконечным. Если измеренное значение сопротивления не равно бесконечности или даже близко к нулю, это указывает на утечку или пробой проверяемого кристалла.
Этот метод может только определить, протекает ли кристалл. Если внутри кристалла есть обрыв, метод сопротивления ничего не может сделать. В этом случае необходимо использовать метод, описанный ниже.

5.2 Самодельный тестер
В соответствии со схемой, показанной на рисунке, пайка простого кварцевого тестера позволяет точно проверить качество кристалла. На рисунке два тестовых гнезда XS1 и XS2 можно снять с гнезда маленького семиногого или маленького девятиногого трубчатого гнезда. Лучше выбрать высокую яркость светодиодной трубки.

При обнаружении кварцевого кристалла вставьте два контакта кварцевого кристалла в два гнезда XS1 и XS2, нажмите переключатель SB, если кварцевый кристалл исправен, колебательный контур состоит из таких компонентов, как триод VT1, C1, C2 и т. д. Колебание, колебательный сигнал связан с обнаружением VD2 через C3, и обнаруженное напряжение постоянного сигнала включает VT2, поэтому светодиод, подключенный к коллекторной цепи VT2, излучает свет, указывая на то, что кристалл кварца быть проверенным хорошо, если светодиод не яркий, то тестируемый кварцевый кристалл плохой. Этот тестер тестирует кварцевые кристаллы на широкой частоте, но оптимальная рабочая частота составляет от нескольких сотен килогерц до десятков мегагерц.
Простой тестер кварцевого кристалла

Ⅵ Индекс стабильности кварцевого генератора
рабочие и нерабочие параметры в течение заданного времени.

Примечание: Суммарная разность частот включает максимальную разность частот, вызванную температурной стабильностью частоты, отклонение, вызванное скоростью старения частоты, частотно-напряженной характеристикой и частотно-нагрузочной характеристикой. Обычно используется только в случае кратковременной стабильности частоты, не применяется к другим индикаторам стабильности частоты. Например, высокоточный радар.

6.2 Стабильность частоты
Любой кварцевый генератор, нестабильность частоты абсолютная, степень разная. Зависимость выходной частоты кристалла от времени показана на рис. 2. На рисунке показаны три фактора нестабильности частоты: старение, дрейф и кратковременная стабильность.
Рис. 2. Схематическая диаграмма зависимости выходной частоты кварцевого генератора от времени
Кривая 1 измеряется один раз в 0,1 секунды, показывая укороченность кварца; кривая 3 измеряется один раз в 100 секунд, показывая дрейф кристалла; кривая 4 измеряется один раз в 1 день. Он показывает старение кристалла.

6.3 Стабильность частоты и температуры
При номинальном питании и нагрузке максимально допустимое смещение частоты работает в указанном диапазоне температур без предполагаемой эталонной температуры или с предполагаемой эталонной температурой.
ft=±(fmax-fmin)/(fmax+fmin)
ftref ＝±MAX[｜(fmax-fref)/fref｜，｜(fmin-fref)/fref｜]
ft：Частота температурной стабильности ( без подразумеваемой эталонной температуры)

ftref：Температурная стабильность частоты (с предполагаемой эталонной температурой)

fmax ：самая высокая частота, измеренная в указанном диапазоне температур
fmin：самая низкая частота, измеренная в указанном диапазоне температур
fref：укажите частоту, измеренную при эталонной температуре
Примечание. изготовить сложнее, чем кварцевый генератор с индексом ft, поэтому кварцевый генератор с индексом ftref выше.

6.4 Характеристики включения (время прогрева при стабильной частоте)
Относится к скорости изменения частоты периода времени (например, 5 минут) после включения питания на другой период (например, 1 час) после включения питания. Указывает скорость, с которой кристалл достигает устойчивого состояния. Этот индикатор полезен для часто переключаемых приборов, таких как частотомеры.

Примечание. В большинстве приложений кварцевые генераторы питаются в течение длительного времени. Однако в некоторых приложениях кварцевые генераторы требуют частого включения и выключения. В это время необходимо учитывать показатель времени прогрева стабильности частоты (особенно для жестких станций военной связи, используемых в окружающей среде, когда требуется стабильность температуры частоты ≤ ± 0,3 ppm (-45 ° C ~ 85 °). В) в качестве гетеродина используется OCXO, время стабильного прогрева частоты будет не менее 5 минут, а только MCXO необходимо 10 секунд.

6.5 Скорость старения частоты
Отношение между частотой генератора и временем при измерении частоты генератора в постоянных условиях окружающей среды. Этот долговременный дрейф частоты вызван медленным изменением кварцевого компонента и компонента схемы генератора. Следовательно, скорость смещения частоты называется скоростью старения, и можно использовать максимальную скорость изменения после заданного ограничения времени (например, ±10 ppb/день, 72 при включении питания). (По истечении часа или максимальное общее изменение частоты в течение указанного срока (например, ±1 ppm/(первый год) и ±5 ppm/(десять лет)).

Старение кристаллов вызывается такими проблемами, как давление, загрязняющие вещества, остаточный газ и структурные технологические дефекты, возникающие в процессе производства кристаллов. Давление должно стабилизироваться в течение некоторого времени. Метод резки кристалла, называемый «компенсацией давления» (метод резки SC), обеспечивает хорошие характеристики кристалла.

Молекулы загрязняющих веществ и остаточных газов будут осаждаться на кристаллическом кристалле или окислять кристаллический электрод. Чем выше частота колебаний, тем тоньше будет срез кристалла и тем сильнее будет эффект. Этот эффект постепенно стабилизируется в течение длительного периода времени, и стабильность повторяется при изменении температуры или рабочего состояния, что приводит к повторной концентрации или диспергированию загрязнений на поверхности кристалла. Таким образом, скорость старения кварцевый генератор с низкой частотой лучше, чем кварцевый генератор с коротким временем работы, а кварцевый генератор с низкой частотой лучше, чем кварцевый генератор с высокой частотой.

Примечание. Скорость старения частоты TCXO составляет: ±0,2ppm～±2ppm (первый год) и ±1ppm～±5ppm (десять лет) (за исключением особых случаев, TCXO редко использует индекс скорости старения ежедневной частоты, потому что даже в эксперименте, в условиях камеры, изменение частоты, вызванное изменением температуры, также будет значительно превышать частоту старения термокомпенсированного кварцевого генератора каждый день, поэтому этот показатель теряет свое практическое значение). Частота старения OCXO составляет от ±0,5 до ±10 частей на миллион в день (после 72 часов включения), от ±30 до ±2 частей на миллион (первый год) и от ±0,3 до ±3 частей на миллион (десять лет). .

6.6 Кратковременная стабильность
Время наблюдения 1 мс, 10 мс, 100 мс, 1 с, 10 с.

На выходную частоту кварцевого генератора влияет внутренняя схема (значение добротности кварца, шум компонента, стабильность схемы, рабочее состояние и т. д.), что приводит к широкому спектру нестабильности. После измерения ряда значений частоты она рассчитывается по уравнению Аллена. Фазовый шум также может отражать кратковременные устойчивые состояния (при измерениях специальными приборами).

6.7 Диапазон частотной характеристики, управляемый напряжением
Определение: После того, как кварцевый генератор стабилизируется в течение длительного времени, он будет отключен после длительного периода времени. Он остановится на период времени t1 (например, 24 часа), загрузится на период времени t2 (например, 4 часа), измерит частоту f1, а затем остановится на тот же период времени t1, затем питание включается на тот же период времени t2, и измеряется частота f2. Воспроизводимость = (f2-f1)/f2.

6.
8 Линейность регулирования напряжения частоты
Минимальное пиковое значение частоты кварцевого генератора регулируется от опорного напряжения до заданного конечного напряжения и частоты кварцевого генератора.

Примечание: Опорное напряжение составляет +2,5 В, заданное конечное напряжение составляет +0,5 В и +4,5 В, а частотно-регулируемый кварцевый генератор имеет изменение частоты -2 ppm при напряжении управления частотой +0,5 В. , а частота регулируется напряжением управления частотой +4,5 В. Величина изменения составляет +2,1 ppm, тогда диапазон управления напряжением частоты управления напряжением VCXO выражается как ≥ ± 2 ppm (2,5 В ± 2 В), наклон положительный, а линейность составляет + 2,4%.

6.9 Фазовый шум одной боковой полосы £(f)
Соотношение между смещением пиковой частоты и частотой модуляции при изменении частоты модуляции. Обычно выражается в дБ, при этом указанная частота модуляции ниже указанной опорной частоты модуляции.

Примечание: Частотная характеристика диапазона регулирования напряжения частоты VCXO составляет 0 ~ 10 кГц.

6.10 Линейность управления частотой и напряжением
Выходная частота в сравнении с идеальной (линейной) функцией — показатель характеристики передачи входного управляющего напряжения, который представляет собой процент допустимой нелинейности всего диапазона смещения частоты.

Примечание: Типичная линейность частотного управления напряжением VCXO: ≤±10%, ≤±20%. Простой метод расчета линейного управления напряжением частоты VCXO (когда полярность управления напряжением частоты положительная):
Линейность управления напряжением частоты = ± ((fmax — fmin) / f0) × 100%
Fmax: Выходная частота VCXO при максимальном управляющем напряжении
Fmin: Выходная частота VCXO при минимальном управляющем напряжении
F0: Центральная частота напряжения при управлении напряжением

Отношение плотности мощности фазомодулированной боковой полосы к мощности несущей на несущей f.

6.12 Форма выходного сигнала
Форма выходного сигнала из большого класса может быть разделена на два типа: прямоугольная волна и синусоидальная волна.

Прямоугольная волна в основном используется в часах цифровых систем связи. Другая волна в основном имеет несколько требований к индексу, таких как уровень выходного сигнала, коэффициент заполнения, время нарастания/спада и способность управления.

С быстрым развитием науки и техники требуются высококачественные источники сигналов в качестве носителей для все более сложной информации основной полосы частот в подобных системах, таких как связь, радар и высокоскоростная передача данных. Поскольку сигнал несущей с паразитной амплитудной модуляцией и фазовой модуляцией (нечистый сигнал) модулируется сигналом основной полосы частот, несущим информацию, спектральные составляющие (паразитная модуляция несущей), которые не должны существовать в этих идеальных состояниях, приведут к ухудшению качества передаваемого сигнала и частота ошибок при передаче данных явно ухудшилась. Следовательно, чистота несущего сигнала (спектральная чистота) как несущей передаваемого сигнала оказывает прямое влияние на качество связи. Для синусоидальных волн часто необходимо предоставлять такие индикаторы, как гармоники, шум и выходная мощность.

Ⅶ Применение кварцевого генератора
Общая схема кварцевого генератора подключается к кварцевому генератору на обоих концах инвертирующего усилителя (обратите внимание, что усилитель не является инвертором), а затем соответственно подключаются два конденсатора. к двум концам кварцевого генератора, а другой конец каждого конденсатора подключен. При заземлении емкость этих двух последовательных конденсаторов должна быть равна емкости нагрузки. Обратите внимание, что выводы общей микросхемы имеют эквивалентную входную емкость, которую нельзя игнорировать.

Емкость нагрузки типичного кварцевого генератора составляет 15 пп или 12,5 пп. Если учесть эквивалентную входную емкость выводов компонента, лучше иметь два конденсатора 22p для формирования кварцевого генератора. Кварцевые генераторы также подразделяются на пассивные кристаллы и активные кристаллы. Пассивный кварцевый генератор отличается от английского названия активного кварцевого генератора (резонанс). Пассивный кварцевый генератор является кварцевым, а активный кварцевый генератор называется генератором. Пассивный кварцевый генератор должен использовать тактовую схему для генерации колебательного сигнала, и он не может генерировать сам себя. Следовательно, термин «пассивный кварцевый генератор» неточен; активный кварцевый генератор является полным резонансным генератором.
На рис. 3 показана схема инфракрасного излучения. Поскольку кварцевый кристалл J обладает хорошей стабильностью частоты и менее подвержен влиянию температуры, он широко используется в беспроводных телефонах и AV-модуляторах. V1 — кварцевый колебательный триод 29-36 МГц. Выход эмиттера богат гармоническими составляющими. После усиления V2 в сети выбирается сигнал 3-й частоты (т.е. 87-108 МГц), где коллектор состоит из C7 и L2 и имеет резонанс на частоте 88-108 МГц.

Сигнал является самым сильным, а затем усиливается путем выбора частоты V3, L3, C9 для получения идеального сигнала диапазона FM. Процесс частотной модуляции таков, что изменение звукового напряжения вызывает изменение емкости между электродами VD1. Так как VD1 включен последовательно с кристаллом J, частота колебаний кристалла также меняется незначительно. После тройной частоты смещение частоты представляет собой кварц от 29 до 36 МГц. 3-кратное смещение частоты. В практических приложениях, чтобы получить подходящую степень модуляции, можно выбрать кварцевый кристалл или керамический вибратор, имеющие большой сдвиг частоты модуляции, или можно использовать схему с несколько более сложной схемой от 6 до 12 частот. Если входной аудиосигнал слабый, можно добавить схему усиления напряжения первого каскада.
РИС. 5 представляет собой применение кварцевого генератора в колебательном контуре временной развертки 555

Ⅷ Два общих метода кварцевого генератора в цепи затвора
a. Преимущество такого подключения в том, что его легко запустить и адаптировать к широкому диапазону частот. Конкретный диапазон частот не помню.
Преимущества такого способа подключения просты, недостаток в том, что его не так просто запустить, должны подойти С1, С2.

Ⅸ Часто задаваемые вопросы
1. Какова функция кварцевого генератора?
Кварцевый генератор представляет собой схему электронного генератора, использующую механический резонанс вибрирующего кристалла из пьезоэлектрического материала для создания электрического сигнала с постоянной частотой.

2. Каков принцип работы кварцевого генератора?
Кристаллические генераторы работают по принципу обратного пьезоэлектрического эффекта, при котором переменное напряжение, приложенное к поверхности кристалла, заставляет его вибрировать с собственной частотой. Именно эти вибрации в конечном итоге преобразуются в колебания.

3. Каков основной принцип колебаний?
Колебание определяется как метод повторяющихся изменений во времени любой суммы или меры ее равновесного значения. Колебание также можно описать как периодическое изменение материи между двумя значениями или ее центральным значением.

4. Чем кварц отличается от генератора?
Генератор – это любое устройство или схема, которая генерирует периодически колеблющийся электрический сигнал (обычно синусоидальный или прямоугольный). … Кристалл представляет собой кусок пьезоэлектрического материала, который генерирует колеблющийся синусоидальный электрический сигнал из-за механической вибрации своей структуры.

5. Что такое кварцевый генератор на 16 МГц?
Модуль кварцевого генератора 16 МГц предназначен для работы с внешними кварцевыми резонаторами с частотой 4–16 МГц. Выходной сигнал кварцевого генератора подается на системную ФАПЧ в качестве входного опорного сигнала. Конструкция генератора создает низкочастотный и фазовый джиттер, что рекомендуется для работы через USB.

6. Когда бы вы использовали кварцевый генератор?
Кварцевые генераторы, управляемые напряжением (VCXO), широко используются в качестве тактовых генераторов и генераторов синхронизирующих сигналов в оборудовании связи и цифровом оборудовании. Новая подложка MMC была использована в качестве основы для небольшого недорогого VCXO.

7. Излучают ли кристаллы частоту?
Кристаллы также обладают способностью вызывать в организме эффект плацебо, который, как научно доказано, помогает лечению. Эти целебные камни и кристаллы имеют особую вибрацию и частоту, обусловленную их молекулярным составом.

8. Почему в Arduino используется кварцевый генератор?
Плата Uno имеет ярко выраженный кварцевый генератор рядом с портом USB-B. … Интересно, что этот осциллятор регулирует микроконтроллер ATmega16 устройства, который выполняет преобразование USB в последовательный при взаимодействии с компьютером, а не микроконтроллер ATmega328P.

9. Стабильны ли кварцевые генераторы?
Базовые кварцевые генераторы могут поддерживать стабильность ±20 ppm в широком диапазоне температур (например, от -40 до +85°C) или всего ±3 ppm в более узком диапазоне (например, от 0 до +50°C). … TCXO компенсируются по частоте в зависимости от рабочей температуры, которую приложение может испытать в течение срока службы.

10. Почему частота кварцевого генератора очень стабильна?
Резонансная частота кристалла остается очень стабильной, поскольку она в первую очередь определяется физическим размером. Его стабильность составляет порядка нескольких частей на миллион (ppm) по сравнению с гораздо более низкими показателями для RC или LC генератора соответственно.

Вам также может понравиться:
Что такое схема генератора?
Лучшие продажи диода
Фото Деталь Компания Описание Цены (долл. США)
Альтернативные модели
Часть Сравнить Производители Категория Описание
Заказ и качество
Изображение Произв. Деталь № Компания Описание Пакет ПДФ Кол-во Цены (долл. США)
Share
Обзор кристаллического осциллятора
Alan
21 сентября 2020 г.
2441
Осциллятор является энергетическим переоборудованием, которое Coverse Power Cother Cother Cothater Compettive с помощью ACT -COMESTERESTION COMESTION COMITE DC DC DC в ACT -COMESTERESTION COMERE DC DC DC DC в ACT -COMERESTERESTIOR COUTERESTION COMITE DC DC DC DC COVITES DC DC. образованный им контур называется колебательным контуром. Некоторым электронным устройствам требуется сигнал переменного тока с очень стабильной частотой, но LC-генератор имеет плохую стабильность, и частота легко дрейфует. В генераторе используется специальный компонент-кварцевый кристалл, который может генерировать очень стабильный сигнал. Такой генератор, использующий кварцевый кристалл, называется кварцевым генератором.
Кристаллический осциллятор объяснил
Каталог
ⅰ Характеристики
1 Кристалл кварц
(1) Форма, структура и графические символы
Cut Alice Alic направлении, отполируйте два конца среза и покройте его проводящим слоем серебра, а затем соедините два электрода из слоя серебра и упакуйте их. Этот компонент называется кварцевым резонатором, или, для краткости, кварцевым кристаллом. Форма, строение и графические обозначения кристалла кварца показаны на рисунке.

Рисунок 1. Кристалл кварца
(2) Особенности
Кристаллы кварца имеют две резонансные частоты, fs и fp, fp немного больше, чем fs. Когда частота сигнала, подаваемого на два конца кварцевого кристалла, различна, он будет показывать разные характеристики, как показано на рисунке, и конкретное описание выглядит следующим образом.

Рис. 2. Характеристики кристалла кварца
① Когда f=fs, кристалл кварца является резистивным, что эквивалентно небольшому сопротивлению.
② Когда fs
③ Если f≥fp, кристалл кварца является емкостным, что эквивалентно емкости.
2 Символ цепи
Кварцевый генератор является одним из наиболее часто используемых электронных компонентов в электронных схемах. Обычно он обозначается буквами «X», «G» или «Z», а единицей измерения является Гц. Графическое обозначение кварцевого генератора показано на рисунке.

Рисунок 3. Графическое обозначение кварцевого генератора
3 Состав
Кварцевый генератор в основном состоит из кварцевого и периферийных компонентов. На рисунке показан внешний вид и внутренняя структура кварцевого генератора, а также графические символы схемы и эквивалентная схема.

Рис. 4. Внешний вид и внутреннее устройство кварцевого генератора, а также принципиальные графические обозначения и эквивалентная схема
Ⅱ Принцип работы
Кварцевый генератор имеет пьезоэлектрический эффект, то есть кристалл деформируется при приложении напряжения к двум полюсам пластины. И наоборот, если внешняя сила деформирует пластину, металлические листы на двух полюсах будут генерировать напряжение. Если к чипу приложить соответствующее переменное напряжение, чип будет резонировать (резонансная частота связана с углом наклона ската кварца, а частота постоянна). В кварцевом генераторе используется кристалл, который может преобразовывать электрическую энергию и механическую энергию друг в друга. Он может обеспечить стабильное и точное одночастотное колебание при работе в резонансном состоянии. В нормальных условиях работы абсолютная точность частоты обычного кристалла может достигать 50 частей на миллион. Используя эту особенность, кварцевый генератор может обеспечить более стабильный импульс, что широко используется в тактовой схеме микросхемы. Пластины в основном представляют собой кварцевые полупроводниковые материалы, а оболочка заключена в металл.
Кварцевый генератор часто используется в сочетании с материнской платой, южным мостом, звуковой картой и другими схемами. Кварцевый осциллятор можно сравнить с генератором «сердцебиения» каждой платы. Если есть проблема с «пульсом» основной карты, это наверняка вызовет сбои в работе других цепей.
Ⅲ Классификация
1. Параллельный кварцевый генератор
Параллельный кварцевый генератор показан на рисунке. Транзистор VT и R1, R2, R3, R4 образуют усилительную цепь; C3 — конденсатор обхода переменного тока, который эквивалентен короткому замыканию для сигналов переменного тока; X1 представляет собой кварцевый кристалл, эквивалентный индуктивности в цепи. Из эквивалентной схемы переменного тока видно, что схема представляет собой емкостной трехточечный генератор, C1, C2 и X1 составляют схему выбора частоты. Частота выбора частоты в основном определяется X1, и частота близка к fp. 9Рис. 5. Параллельный кварцевый генератор до ∞. Эти сигналы добавляются в схему выбора частоты, образованную конденсаторами С1, С2 и Х1, и схема выбора частоты выбирает из нее сигнал f0. На обоих концах X1, C1 и C2 есть напряжение сигнала f0, а напряжение сигнала f0 на обоих концах C2 возвращается и усиливается между базой и эмиттером VT. После усиления выходной сигнал добавляется в схему выбора частоты. Напряжение сигнала на обоих концах С1 и С2 увеличивается, а напряжение на обоих концах С2 снова поступает на базу-эмиттер ТН. Повторяем, чем больше сигнал, выдаваемый ТН. Чем больше значение, тем больше усиление схемы усиления ТН постепенно уменьшается. Когда усиление усилительной цепи равно коэффициенту ослабления цепи обратной связи, амплитуда выходного сигнала остается стабильной и не будет увеличиваться, а сигнал направляется в другие цепи.
2. Серийный кварцевый генератор
Серийный кварцевый генератор показан на рисунке. В генераторе используется двухкаскадная усилительная схема. Помимо формирования цепи обратной связи кварцевый кристалл X1 также имеет функцию выбора частоты. Частота выбора частоты f0=fs и потенциометр RP1 используются для регулировки амплитуды сигнала обратной связи.

Рисунок 6. Серийный кварцевый генератор
3. Классификация кварцевых генераторов
Кварцевые генераторы подразделяются на кварцевые генераторы без температурной компенсации, кварцевые генераторы с температурной компенсацией (TCXO), кварцевые генераторы с регулируемым напряжением (VCXO), кварцевые генераторы с термоуправлением (OCXO) и цифровые / μp- кварцевый генератор с компенсацией (DCXO/MCXO) и так далее. Среди них самым простым является кварцевый генератор без температурной компенсации, который в японских промышленных стандартах (JIS) называется стандартным кварцевым генератором (SPXO).
① Кварцевый генератор, управляемый печью. Кварцевый генератор, управляемый печью (OCXO), представляет собой кварцевый генератор, который использует ванну с постоянной температурой для поддержания постоянной температуры кварцевого или кварцевого генератора и сводит к минимуму изменение выходной частоты генератора, вызванное изменением температуры окружающей среды. , как показано на рисунке. В OCXO некоторые помещают кварцевый генератор только в ванну с постоянной температурой, некоторые помещают кварцевый генератор и связанные с ним важные компоненты в ванну с постоянной температурой, а некоторые помещают кварцевый генератор во внутреннюю ванну с постоянной температурой. Цепь колебаний помещена во внешнюю ванну с постоянной температурой для температурной компенсации, и реализован метод управления двойной ванной с постоянной температурой. Использование пропорционально регулируемой ванны с постоянной температурой может повысить температурную стабильность кристалла более чем в 5000 раз и сохранить стабильность частоты генератора не менее 1×10-9.. OCXO в основном используется в оборудовании и инструментах, таких как базовые станции мобильной связи, национальная оборона, навигация, счетчики частоты, анализаторы спектра и сети. OCXO состоит из схемы управления термостатической ванной и схемы генератора. Обычно для контроля температуры люди используют дифференциальный последовательный усилитель, состоящий из термисторного «моста». Цепь колебаний Клаппа с автоматической регулировкой усиления (АРУ) является идеальным техническим решением для получения высокой стабильности частоты колебаний. В последние годы технический уровень OCXO значительно повысился.

Рис. 7. Внешний вид кварцевого генератора с термоуправлением
② Кварцевый генератор с температурной компенсацией. Кварцевый генератор с температурной компенсацией (TCXO) представляет собой кварцевый генератор, который уменьшает величину изменения частоты колебаний, вызванного изменением температуры окружающей среды, за счет дополнительной схемы температурной компенсации, как показано на рисунке. В TCXO в основном используются два типа методов компенсации частотного и температурного дрейфа кварцевого генератора: прямая компенсация и косвенная компенсация:

Рис. 8. Кварцевый генератор с температурной компенсацией
a. Тип прямой компенсации. Тип прямой компенсации TCXO представляет собой цепь температурной компенсации, состоящую из термистора и резистивно-емкостного элемента, который последовательно соединен с кварцевым генератором в генераторе. При изменении температуры соответственно изменяются сопротивление термистора и емкость эквивалентной последовательной емкости кристалла, тем самым компенсируя или уменьшая температурный дрейф частоты колебаний. Схема компенсации проста, недорога, экономит размер и место на печатной плате (PCB) и подходит для небольших, низковольтных и слаботочных случаев. Но когда требуется, чтобы точность кварцевого генератора была меньше ±1×10-6, метод прямой компенсации не подходит.
б. Тип косвенной компенсации. Существует два типа косвенной компенсации: аналоговая и цифровая. Аналоговая непрямая температурная компенсация использует чувствительные к температуре элементы, такие как термисторы, для формирования схемы преобразования температуры в напряжение и подает напряжение на варакторный диод, соединенный последовательно с кварцевым генератором, и изменяет емкость последовательно через кварцевый генератор для компенсации нелинейного Дрейф частоты кварцевого генератора. Этот метод компенсации может обеспечить высокую точность ±0,5×10-6, но он ограничен при низком напряжении ниже 3 В. Цифровая косвенная температурная компенсация заключается в добавлении аналого-цифрового (A/D) преобразователя после схемы преобразования температуры в напряжение в цепи аналоговой косвенной температурной компенсации для преобразования аналоговой величины в цифровую. Этот метод может реализовать автоматическую температурную компенсацию, так что стабильность частоты кварцевого генератора очень высока, но конкретная схема компенсации более сложна, а стоимость также высока. Он подходит только для базовых станций и радиовещательных станций, требующих высокой точности.
③ Простой кварцевый генератор. Простой корпусный кварцевый генератор. (SPXO) представляет собой простой кварцевый генератор, обычно называемый тактовым генератором. Это кварцевый осциллятор, работа которого полностью выполняется за счет бескристаллических колебаний. Этот тип кристалла в основном используется в тех случаях, когда стабильность не требуется. На рисунке показан обычный кварцевый генератор.
④ Кварцевый генератор, управляемый напряжением. Управляемый напряжением кварцевый генератор (VCXO) представляет собой кварцевый генератор, частота колебаний которого может быть изменена или модулирована путем подачи внешнего управляющего напряжения. В типичном VCXO частота кварцевого генератора обычно «вытягивается» за счет изменения емкости варакторного диода путем настройки напряжения. VCXO допускает широкий диапазон регулирования частоты, а фактический диапазон тяги составляет около +200×10-6 или даже больше. Если требуется, чтобы выходная частота VCXO была выше частоты, которую может достичь кварцевый генератор, можно использовать схему удвоения частоты. Еще один способ расширить диапазон настройки — смешать выходной сигнал кварцевого генератора с выходным сигналом VCXO. По сравнению с одиночным генератором, этот гетеродинный двухтактный генератор значительно расширил диапазон перестройки сигнала.
Поделиться этой публикацией
Часто задаваемые вопросы
1 Каковы преимущества кварцевого генератора?
Стабильность. Стабильность — одно из важнейших требований любого осциллятора. ... Высокая добротность. Фактор добротности или добротность описывает, насколько «недостаточно демпфированы» генераторы. ... Настройка частоты и диапазона. ... Низкий фазовый шум. ... Кварцевый осциллятор компактен и недорог.
2 Есть ли у кварцевого генератора полярность?
Кристаллические осцилляторы имеют два вывода, для кристаллов нет полярности, поэтому их можно подключать в обоих направлениях.
3 Каков принцип работы кварцевого генератора?
Кристаллические генераторы работают по принципу обратного пьезоэлектрического эффекта, при котором переменное напряжение, приложенное к поверхности кристалла, заставляет его вибрировать с собственной частотой. Именно эти вибрации в конечном итоге преобразуются в колебания.
4 Почему кварц используется в кварцевых генераторах?
Для получения очень высокого уровня стабильности генератора кварцевый резонатор обычно используется в качестве устройства, определяющего частоту, для создания схемы генератора другого типа, известного как кварцевый резонатор (XO).
5 В чем разница между кристаллом и генератором?
Генератор – это любое устройство или схема, которая генерирует периодически колеблющийся электрический сигнал (обычно синусоидальный или прямоугольный). Кристалл представляет собой кусок пьезоэлектрического материала, который генерирует колеблющийся синусоидальный электрический сигнал из-за механической вибрации своей структуры.
6 Какова функция генератора?
Электронный осциллятор представляет собой электронную схему, которая генерирует периодический колебательный электронный сигнал, часто синусоидальный или прямоугольный. Генераторы преобразуют постоянный ток (DC) от источника питания в сигнал переменного тока (AC).
7 Какие бывают типы осцилляторов?
Генератор венского моста. Генератор фазового сдвига RC. Осциллятор Хартли. Генератор, управляемый напряжением. Осциллятор Колпитца. Осцилляторы Клэппа. Кристаллические осцилляторы. Осциллятор Армстронга.
8 Есть ли у кристаллов частоты?
Кристаллы, с другой стороны, имеют сверхстабильную энергетическую частоту, которая не меняется. Почему? Они состоят из фиксированного, регулярно повторяющегося идеального геометрического рисунка молекул.
9 Почему в кварцевом генераторе используются два конденсатора?
Конденсаторы резонируют с индуктивностью кристалла и заставляют кристалл колебаться в его основном параллельно-резонансном режиме. С точки зрения анализа керамический резонатор эквивалентен кристаллу и двум конденсаторам, за исключением того, что кристалл имеет более высокую добротность и лучшую стабильность частоты.
10 Что такое кварцевый генератор на 16 МГц?
Модуль кварцевого генератора с частотой 16 МГц предназначен для работы с внешними кварцевыми резонаторами с частотой от 4 до 16 МГц. Конструкция генератора создает низкочастотный и фазовый джиттер, что рекомендуется для работы через USB.
Посмотреть больше
Работа и ее различные применения
Электронная схема или электронное устройство, которое используется для генерации периодически колеблющегося электронного сигнала, называется электронным генератором. Электронный сигнал, создаваемый генератором, обычно представляет собой синусоидальную или прямоугольную волну. Электронный генератор преобразует сигнал постоянного тока в сигнал переменного тока. Радио- и телевизионные передатчики транслируются с использованием сигналов, генерируемых генераторами. Электронные звуковые сигналы и звуки видеоигр генерируются сигналами генератора. Эти генераторы генерируют сигналы, используя принцип колебаний.
Существуют различные типы электронных схем генераторов, такие как линейные генераторы — генератор Хартли, генератор с фазовым сдвигом, генератор Армстронга, генератор Клаппа, генератор Колпитца и т. д., релаксационные генераторы — генератор Ройера, кольцевой генератор, мультивибратор и т. д. и Генератор, управляемый напряжением (VCO). В этой статье давайте подробно обсудим кварцевый генератор, например, что такое кварцевый генератор, схему кварцевого генератора, работу и использование кварцевого генератора в электронных схемах.
Кварцевый осциллятор
Электронная схема, используемая для генерации электрического сигнала точной частоты за счет использования механического резонанса вибрирующего кристалла, изготовленного из пьезоэлектрического материала. Существуют различные типы пьезоэлектрических резонаторов, но обычно в этих типах генераторов используется кварцевый кристалл. Следовательно, эти электронные схемы генератора называются кварцевыми генераторами.
Принципиальная схема кварцевого генератора
Принципиальная схема кварцевого генератора может быть представлена следующим образом:
Электронное обозначение пьезоэлектрического кристаллического резонатора
На приведенной выше схеме представлено электронное обозначение пьезоэлектрического кристаллического резонатора, состоящего из двух металлизированных электродов и кварцевого кристалла.
Эквивалентная принципиальная схема кварцевого кристалла
На приведенном выше рисунке показана эквивалентная принципиальная схема кварцевого кристалла в электронном генераторе, который состоит из резистора, катушки индуктивности и конденсаторов, соединенных, как показано на рисунке.
Crystal Oscillator Working
Атомы, молекулы, ионы упакованы по порядку в трех пространственных измерениях с повторяющимся узором, образуя твердое тело, которое можно назвать кристаллом. Кристалл можно изготовить практически из любого предмета из эластичного материала с помощью соответствующих электрических преобразователей. Так как каждый объект состоит из собственной резонансной частоты вибрации, сталь состоит из высокой скорости звука, а также очень эластична.
Так, сталь часто используется вместо кварца в механических фильтрах. Эта резонансная частота зависит от различных параметров, таких как размер, эластичность, скорость звука и форма кристалла. Как правило, форма высокочастотных кристаллов представляет собой простую прямоугольную пластину, а форма низкочастотных кристаллов имеет форму камертона, как показано на рисунке ниже.
Высокочастотные прямоугольные пластинчатые кристаллы и низкочастотные камертонные кристаллы
Схема кварцевого генератора работает по принципу обратного пьезоэлектрического эффекта, т. е. механическая деформация возникает при приложении электрического поля к определенным материалам. Таким образом, он использует механический резонанс вибрирующего кристалла, изготовленного из пьезоэлектрического материала, для генерации электрического сигнала определенной частоты.
Эти генераторы на кварцевом кристалле очень стабильны, имеют хороший коэффициент качества, малы по размеру и очень экономичны. Следовательно, схемы кварцевых генераторов превосходят другие резонаторы, такие как LC-схемы, поворотные вилки и т. Д. Как правило, кварцевый генератор с частотой 8 МГц используется в микропроцессорах и микроконтроллерах.
Эквивалентная электрическая схема также представляет действие кристалла. Основные компоненты, используемые в схеме, индуктивность L1 представляет собой массу кристалла, емкость C1 представляет собой податливость, сопротивление R1 представляет собой трение внутренней структуры кристалла, а C0 используется для представления емкости, которая формируется из-за механического формования кристалла.
Принципиальная схема кварцевого генератора состоит из последовательного резонанса и параллельного резонанса, т. е. двух резонансных частот. Если реактивное сопротивление, создаваемое емкостью C1, равно и противоположно реактивному сопротивлению, создаваемому индуктивностью L1, возникает последовательный резонанс. Последовательная и параллельная резонансные частоты представлены fs и fp соответственно, а значения fs и fp можно определить с помощью следующих уравнений, показанных на рисунке ниже.
Последовательная резонансная частота и параллельная резонансная частота
Таким образом, импеданс приблизительно равен сопротивлению R1 в этом состоянии. Если реактивное сопротивление последовательного резонансного плеча равно реактивному сопротивлению, обусловленному емкостью C0, возникает параллельный резонанс. Таким образом, внешняя цепь имеет очень высокий импеданс кристалла в этом состоянии.
График зависимости импеданса от частоты
На приведенном выше рисунке показан график зависимости импеданса от частоты схемы кварцевого генератора. Обычно кварцевые генераторы имеют диапазон частот от 32 кГц до 200 МГц.
Использование кварцевого генератора
Как правило, мы знаем, что кварцевые генераторы используются в микропроцессорах и микроконтроллерах для обеспечения тактовых сигналов. Давайте рассмотрим микроконтроллер 8051, для которого необходим внешний кварцевый генератор с частотой 12 МГц, хотя (в зависимости от модели) микроконтроллер 8051 способен работать на частоте 40 МГц (макс.). 8051 требует 12 тактовых циклов для одного машинного цикла, чтобы обеспечить эффективную частоту цикла от 1 МГц (с учетом тактовой частоты 12 МГц) до 3,33 МГц (с учетом максимальной тактовой частоты 40 МГц). Этот кварцевый генератор используется для генерации тактовых импульсов, необходимых для синхронизации всех внутренних операций.
Существует множество применений кварцевого генератора в различных областях, и несколько применений кварцевого генератора показаны ниже:
Применение кварцевого генератора в военной и аэрокосмической промышленности
Использование кварцевого генератора в военной и аэрокосмической промышленности, чтобы установить эффективную связь системы, для целей навигации, радиоэлектронной борьбы, в системах наведения и так далее.
Использование кварцевого генератора в исследованиях и измерениях
Кварцевый генератор используется в исследованиях и измерениях для астронавигации, слежения за космосом, в измерительных приборах и медицинских приборах и т.д.
Промышленное применение кварцевого генератора
Существует огромное количество промышленных применений кварцевого генератора, например, в компьютерах, цифровых системах, контрольно-измерительных приборах, системах фазовой автоподстройки частоты, морских судах, модемах, датчиках, телекоммуникациях, дисководах и т. д.
Использование кварцевого генератора в автомобилестроении
Кварцевый генератор используется для управления двигателем, стереосистемой, часами и бортовым компьютером, а также в системе GPS.
Потребительское применение кварцевого генератора
Кварцевые генераторы используются во многих потребительских товарах, таких как системы кабельного телевидения, персональные компьютеры, видеокамеры, игрушки и видеоигры, радиосистемы, сотовые телефоны и т.
Навигация по записям
Pic программатор своими руками. Как сделать USB программатор для PIC микроконтроллеров своими руками
Компьютерный блок питания распиновка. Распиновка блока питания компьютера: назначение разъемов и цветовая маркировка проводов
Похожие записи

21.11.2024 0
Особенности питания кормящей мамы: что можно и нельзя есть при грудном вскармливании

19.11.2024 0
Новорожденный какает слизью: причины появления слизи в кале грудничка

19.11.2024 0
Гемангиома у новорожденных: причины, виды, лечение и профилактика
Добавить комментарий Отменить ответ
Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *
Комментарий *
Имя *
Email *
Сайт

Рубрики
Автолюбителям
Датчик
Лайфхаки
Преобразователь
Своими руками
Схемы
Усилитель
Разное
Карта сайта
© M-Gen