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.

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.

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 (10⁴ ÷ 10⁵).

Уровень фазовых шумов

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

Тип выходного сигнала

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

Наличие и тип термостабилизации

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

Возможность перестройки частоты

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

Принцип работы

Внешнее напряжение на кварцевой пластинке вызывает её деформацию. А она, в свою очередь, приводит к появлению 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.

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

1. ↑ 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.

Работа и ее различные приложения

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.

Работающий кварцевый осциллятор

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 военных и аэрокосмических целях

Использование кварцевого генератора в военных и аэрокосмических целях для установления эффективной связи 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 астрономической навигации, слежения за космосом, в измерительных приборах и медицинских устройствах и т. д.

Промышленное применение кварцевого генератора

Существует огромное количество промышленных применений кварцевого генератора, таких как компьютеры, цифровые системы, контрольно-измерительные приборы, системы фазовой автоподстройки частоты, судостроение, модемы, датчики, телекоммуникации, дисководы и т.д.

Использование кварцевого генератора в автомобилестроении

Кварцевый генератор используется для управления двигателем, стереосистемой, часами и бортовым компьютером, а также в системе GPS.

Потребительские приложения 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.д.

Перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о генераторах Colpitts MCQ, 

Перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о кварцевых генераторах MCQ

Знаете ли вы типы схем кварцевых генераторов? Кроме того, техническая помощь может быть предоставлена ​​на основе ваших комментариев, размещенных в комментариях ниже.

Xtal Operation » Примечания по электронике

Работа кристаллов кварца зависит от пьезоэлектрического эффекта, который связывает 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 характер его вибрации.

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.