Site Loader

Содержание

Современная методика анализа и расчета кварцевых генераторов

Скачать: 

С.В. Богуславский, В.П. Литвинов

ООО «БМГ-Кварц», Московский государственный открытый университет

 

 

ВВЕДЕНИЕ

     В настоящее время существует значительное количество учебников, методических пособий и научных статей для расчета кварцевых генераторов. Однако им присущ один серьезный недостаток: все они в той или иной мере оторваны от практического применения за счет наличия большого числа математических выражений, изобилующих комплексными выражениями, дифференциальными уравнениями и системами и т.д.
     Но самое главное, решение все равно требует дополнительной коррекции при практической реализации, т.к. при расчете нелегко учесть разброс параметров элементов схемы, да и в справочниках приведены далеко не все необходимые параметры. В результате усилия, затраченные на расчет схемы, зачастую бывают сведены «на нет» при практической реализации.


     Целью настоящей и последующих работ является создание такой инженерной методики расчета кварцевых генераторов различных типов схем, при которой можно в короткие сроки произвести расчет генератора, имея под рукой всего лишь инженерный калькулятор.
     Предлагаемая методика предназначена для разработчиков радиоаппаратуры, имеющих некоторый практический опыт разработки аналоговых электронных схем, в частности автогенераторов или кварцевых генераторов, поэтому расчетные формулы приведены без выводов.
     Кроме того, в другой статье предложена методика более углубленного анализа кварцевых генераторов после ее инженерного расчета с использованием САПР Micro Cap.

1. Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора.

     Основным элементом схемы генератора, определяющим его стабильность является кварцевый резонатор, эквивалентная электрическая схема которого приведена на рис.1.

 

Рис.1. Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Поясним физический смысл электрических параметров эквивалентной схемы кварцевого резонатора:

— Lq – эквивалентная динамическая индуктивность – эквивалент колеблющейся массы под электродами резонатора, величина которой определяет величину добротности Q;

— Cq – эквивалентная динамическая емкость – эквивалент механической жесткости кварцевой пластины;

— Rq – эквивалентное динамическое сопротивление – величина, характеризующая активные потери в кристаллической решетке, демпфирование колебаний молекулами окружающего газа и электрические потери в подводящих электродах;

— C0 – статическая емкость кварцедержателя.

     Для диапазона частот от 5 до 30 МГц типовые значения элементов эквивалентной схемы следующие: Cq=0.008…0.02 пФ; Lq=5…30 мГн; Rq=5…50 Ом; C0=1,5…6 пФ.

     При проектировании генераторов, работающих на частотах выше 30 МГц применяют кварцевые резонаторы, работающие на нечетных механических гармониках (3-я, 5-я, 7-я и т.д.). При этом значения Cq уменьшаются пропорционально квадрату номера гармоники, т.е. на 3-ей механической гармонике резонатор будет иметь Cq порядка 0,01/3

2≈0,001 пФ. При этом эквивалентное сопротивление возрастает приблизительно прямо пропорционально номеру гармоники, т.е. 3xRq.

     Как видно из рис. 1, эквивалентная схема представляет собой сложный колебательный контур, имеющий последовательный и параллельный резонанс, причем частота последовательного резонанса определяется параметрами Lq и Cq, а параллельного – Lq и последовательно соединенных Cq и C0. Наличие резонансов иллюстрирует рис. 2, на котором приведены амплитудно-частотная (АЧХ) и фазо-частотная (ФЧХ) характеристики полного сопротивления Zq кварцевого резонатора частотой 10 МГц по 1-ой механической гармонике.

 

Рис.2. Характеристики полного сопротивления резонатора.

 

Из рисунка видно, что частотная характеристика имеет два экстремума, соответствующих последовательному (минимум) и параллельному (максимум) резонансу.

Разность частот между ними называется резонансным промежутком, который можно определить как

 

Особый интерес представляет область АЧХ между последовательным и параллельным резонансом, характеризующаяся увеличением полного сопротивления с ростом частоты, что соответствует индуктивному характеру сопротивления резонатора, величина которого зависит от отстройки от частоты последовательного резонанса.

 

2. Условие самовозбуждения генератора

В самом общем виде структурную схему автогенератора (рис. 3) можно представить состоящей из двух четырехполюсников – усилителя с коэффициентом усиления K и цепи положительной обратной связи с коэффициентом обратной связи β.

 

Рис. 3. Структурная схема автогенератора.

     Условие стационарного режима генератора можно представить в следующем виде:

     Выражение (2) состоит из двух уравнений – баланса фаз и баланса амплитуд.

     Баланс фаз – алгебраическая сумма сдвигов фаз по замкнутому колебательному контуру равна 0 или 2πn.

     Баланс амплитуд – условие, при котором в установившемся режиме произведение коэффициента усиления активной части схемы (усилителя) на коэффициент обратной связи, называемое фактором регенерации G, равно 1. Для уверенного возбуждения генератора начальное значение G выбирается в пределах от 2 до 4. При установлении колебаний величина G снижается до 1 – выполнения условия баланса амплитуд, за счет уменьшения средней крутизны при росте амплитуды колебаний.

 

3. Осцилляторные схемы кварцевых генераторов.

В технике стабилизации частоты, наиболее часто используют так называемые осцилляторные схемы, т.е. схемы, в которых кварцевый резонатор является элементом колебательного контура генератора – как правило, индуктивностью.

Эти генераторы выполняются обычно по схеме «емкостной трехточки» (Рис.3.),

 

Рис.3.1. Обобщенная схема емкостной трехточки.

     В зависимости от того, какой электрод транзистора VT1 будет заземлен, схема будет называться с общей базой, с общим эмиттером или с общим коллектором. Как было уже сказано выше, индуктивность в этой схеме можно заменить кварцевым резонатором. При этом рабочая частота генератора будет выше частоты последовательного резонанса кварцевого резонатора. Схема кварцевого генератора, построенного по схеме емкостной трехточки, будет иметь вид, показанный на рис.4.

 

Рис.4. Обобщенная схема кварцевого генератора

 

4. Методика расчета кварцевого генератора

В качестве примера проведем анализ и расчет, наиболее распространенной схемы управляемого напряжением кварцевого генератора (рис.5.), которая практически применяется в большей части радиотехнических устройств,. В ней RB1 и RB2 — сопротивления базового делителя, RC – коллекторная нагрузка, RE – резистор в цепи эмиттера, C1, C2, BQ1 и VD1 – элементы контура генератора и RV – резистор цепи управления варикапа.

Варикап RV может использоваться также для подстройки частоты в неуправляемом генераторе, расчет которого производится аналогичным образом.

 

Рис.5. Принципиальная схема управляемого кварцевого генератора.

 

Анализ и расчет работы генератора целесообразно начать с расчета режима работы по постоянному току. Для этого совсем необязательно иметь весь набор параметров и характеристик транзистора. Дело в том, что современные кремниевые транзисторы, используемые в качестве активного элемента кварцевых генераторов, как правило, имеют коэффициент усиления по току β≥100, а частоту единичного усиления ft ≥ 1500…2000 МГц, что позволяет пренебречь инерционными свойствами транзистора вплоть до частот порядка 100 МГц.

Прежде всего, найдем значение тока коллектора в рабочей точке. Так как напряжение перехода база-эмиттер транзистора в открытом состоянии составляет 0,6…0,75 В, ток коллектора (без учета тока базы) определяется по формуле:

Далее, находим крутизну вольтамперной характеристики:

где   — температурный потенциал;

k – постоянная Больцмана;

T – абсолютная температура;

q – заряд электрона.

Затем, определяем управляющее сопротивление Ry, равное произведению сопротивления нагрузки на коэффициент обратной связи резонансной цепи генератора:

где

 

Для проверки условия баланса амплитуд определяем фактор регенерации G:

Определение значения рабочей частоты генерации включает в себя:

— определение емкости варикапа при среднем значении напряжения перестройки;

— определение емкости генератора;

— расчет частоты генерации при различных напряжениях перестройки.

В перестраиваемых генераторах для получения больших пределов перестройки частоты и хорошей линейности ее характеристики обычно применяют варикапы со сверхрезким переходом. Аналитическая зависимость емкости варикапа от напряжения обратного смещения аппроксимируется следующим образом:

где Cv0- емкость варикапа при напряжении управления Ey=0.

Относительная отстройка от частоты последовательного резонанса

где 1/ =1/С1+1/С2+1/ .

Рабочая частота генератора 

После этого приступаем к анализу энергетических характеристик генератора.

Из анализа спектральной характеристики коллекторного тока известно, что амплитуда первой гармоники коллекторного тока Icm при G≥3 равна 2lc. Поэтому амплитуда переменного напряжения база-эмиттер Ube=Icm x Ry .

Ток, протекающий в контуре генератора, а также через кварцевый резонатор можно определить из следующего выражения:

Мощность, рассеиваемая на кварцевом резонаторе определяется как

Амплитуда первой гармоники выходного напряжения генератора равна

5. Пример расчета кварцевого генератора

В качестве примера рассчитаем кварцевый генератор, управляемый напряжением со следующими параметрами:

• Номинальная частота ,ƒ0                                                                                                 10 МГц;

• Перестройка частоты, δ                                                                                                   ±100×10-10;

• Диапазон изменения напряжения управления,                                                          Ey 0…5 В;

• Амплитуда 1-ой гармоники выходного напряжения,                                                Ucm≥250мВ;

• Сопротивление коллекторной нагрузки,                                                                      Rc 200 Ом;

• Напряжение питания,                                                                                                       Ep 5В≥10%.

Кварцевый резонатор берем со следующими типовыми параметрами:

Номинальная частота                                                                                                           10 МГц;

Динамическое сопротивление                                                                                            10 Ом;

Динамическая емкость                                                                                                         10 фФ;

Статическая емкость                                                                                                             3 пФ.

 

1. По формуле (3) определяем ток коллектора в рабочей точке

2. Крутизна коллекторного тока согласно формуле (4) будет равна

3. Для обеспечения широкого диапазона перестройки частоты генератора задаемся фактором регенерации G=5 и определяем управляющее сопротивление Ry

4. Определяем эквивалентную емкость генератора

Если С1=С2 то С1=С2=347х2=794 пФ. Из ряда Е24 выбираем ближайшие значения емкостей конденсаторов С1=С2=750 пФ

5. Определяем элементы схемы генератора, задающие режим по постоянному току.

Выбираем 

6. Определяем элементы цепи базового смещения

Выбираем ток делителя . 

Напряжение на базе транзистора , 

7. Для определения перестройки частоты из выражения (8) находим

тогда общая перестройка будет равна

Умножая левую и правую части равенства на получаем

где Kp – коэффициент перекрытия варикапа по емкости.

Выбрав Kp=3 определим .

При этом    

Выбираем варикап BB659, у которого =55 pF, а =18 pF.

8. В заключение определим также мощность рассеяния на кварцевом резонаторе

Подставляя в данное выражение значения параметров, получаем:

 

Допустимая мощность для данного типа резонаторов составляет 1 mW или 1000μW .

 

_______________________________________________________________________________________

Скачать: 

nomortogelku. xyz

Кое-что о кварцевых генераторах

Еще совсем недавно 10-15 лет назад на рынке кварцевых изделий стран бывшего СССР безраздельно господствовали 3-4 отечественных производителя кварцевых резонаторов, кварцевых генераторов и кварцевых фильтров со своей добротной, но, к сожалению, технически устаревшей продукцией. Несомненным плюсом для потребителей того времени была абсолютная определенность типов, технических требований, параметров качества и надежности, установленными в соответствии с ТУ и ГОСТами для большинства кварцевых изделий, имеющихся на рынке. Ситуация кардинально изменилась с открытием западных и, особенно, восточных рынков, когда на отечественных производителей электронной аппаратуры буквально обрушился поток предложений по поставке кварцевых изделий со всевозможных стоковых складов и разного рода малоизвестных производителей.

С одной стороны в этом был и есть очевидный прогресс, так как появился выбор – основа рыночных отношений. Ведь те потребители, которых не особо заботит качество и надежность выпускаемой продукции могут без проблем использовать дешевые генераторы со стоковых складов из числа тех, от которых, по понятным причинам, отказались зарубежные производители электронной техники. Такие кварцевые изделия, как правило, характеризуются низкой ценой (зачастую ниже себестоимости при их производстве), большой номенклатурой частот и корпусов, а также совершенно неопределенными параметрами, неизвестной датой выпуска (может превышать 15 и более лет) и отсутствием гарантии нормальной работоспособности. Отличительные особенности такого рода кварцевых генераторов приведены в таблице на примере сравнения их с кварцевыми генераторами немецкой фирмы JAUCH, философия которой основывается на следующих постулатах: технический прогресс – высочайшее качество – конкурентная цена – всеобъемлющий сервис.

Таблица предназначена прежде всего для производителей электронной аппаратуры, которые строят свою техническую политику на применении самых современных комплектующих, для которых качество, надежность и гарантии работоспособности аппаратуры являются основой для продвижения своего продукта на рынки и залогом дальнейшего развития. Приведенные в таблице сведения помогут конструкторам избежать многих ошибок при применении того или иного кварцевого генератора, а работникам служб комплектации — при их закупках.

Руководитель Бюро применения JAUCH QUARTZ GmbH.

Тел./факс 8-10-375-17-209-69-97, тел. 8-10-375-17-209-68-09

Характеристика

Дешевые кварцевые генераторы

Генераторы Jauch Quartz

Комментарии

Внешний вид

Нет видимых отличий по сравнению с высококачественными кварцевыми генераторами.

Внешний вид кварцевых генераторов Jauch Quartz должен соответсвовать требованиям каталога по типам, размерам, маркировке, упаковке и т.п.

Поверхностный контроль внешнего вида зачастую бывает ошибочным, так как не гарантирует работоспособности изделия в аппаратуре заказчика. Необходимо наличие дополнительного контроля на соответствие требованиям каталога.

Маркировка

• Присутствует только частота
• Нет обозначения:
— принадлежности фирмы-изготовителя;
— типа генератора;
— даты изготовления.
• Маркировка в основном наносится краской, частично размазана, плохо читается.Лазерная маркировка с нечеткими переходами, часто наблюдается наличие коррозии.

В маркировке кроме частоты присутствует кодовое обозначение типа генератора, принадлежность к Jauch Quartz, дата изготовления. Лазерная маркировка с четкими границами, легко читается , не стирается, отсутствует коррозия. Тип генератора предполагает наличие в маркировке кодового обозначения суммарной стабильности и напряжения питания, а для VCXO диапазона перестройки.

Маркировка краской может нарушаться воздействием температуры, активными средами, и т.д. Плохо читаемая маркировка способствует наличию ошибок при применении генераторов. Отсутствие в маркировке типа генератора способствует ошибочному применению его у потребителя. Некачественная маркировка, отсутствие принадлежности к производителю и даты выпуска исключает гарантийные претензии к производителю. Наносится ущерб потребителю.

Стандартные параметры (общие для всех типов)

Стабильность частоты

Производятся только с широким отклонением от номинальной частоты и низкой стабильностью. При этом отсутствует параметр суммарной стабильности частоты генератора при воздействии всех дестабилизирующих факторов. В этом случае истинную стабильность генератора можно определить только с помощью дополнительных специальных испытаний.

У генераторов Jauch указывается суммарная стабильность частот при воздействии всех дестабилизирующих факторов:
— точность настройки при +25С;
— температурная стабильность в рабочем диапазоне температур;
— старение;
— изменение напряжения питания;
— внешних воздействующих факторов и т.д.

Наличие у кварцевых генераторов Jauch параметра суммарная стабильность частоты генератора позволяет разработчику на стадии проектирования оптимизировать их применение в конкретной схеме. Отсутствие такового у дешевых кварцевых генераторов способствуют ошибочному их применению у потребителя, в результате чего наблюдается нарушение функционирования изделия в целом. Наносится ущерб потребителю.

«Старение»

Отсутствует параметр «старение» или его значение неопределено. Зачастую «старение» дешевых кварцевых генераторов превышают общепринятые значения.

Для генераторов Jauch параметр «старение» входит в состав суммарной стабильности и учитывается разработчиком в его составе.

Высокое значение параметра «старение» характеризует применение в таких кварцевых генераторах низкосортных кварцевых кристаллов и дешевых материалов. Применение кварцевых генераторов с неопределенным значением «старения» приводит к отказам аппаратуры заказчика с течением времени. Наносится ущерб потребителю.

Напряжение питания

Производятся лишь с двумя значениями напряжения питания 5V и 3. 3V, что ограничивает их применение в целом. Зачастую и условные обозначения не дают окончательного вывода о действительном напряжении питания для того или иного типа генератора.

Кварцевые генераторы Jauch изготавливаются со следующими значениями напряжения питания 1,8V; 2,5V; 2,8V; 3,0V; 3,3V; 5,0V, что позволяет использовать эти генераторы практически в любых электрических схемах.

Неизвестное значение Uпит у кварцевых генераторов может привести к неправильному их применению и, как привило, к отказу и нарушению функционирования электрической схемы прибора. Наносится ущерб потребителю.

Потребляемый ток

Зачастую потребляемый ток для таких кварцевых генераторов превышает установленные средние значения. В ряде случаев установить его можно лишь опытным путем в каждом конкретном случае.

У кварцевых генераторов Jauch потребляемый ток строго соответствует приведенным в каталоге таблицам в зависимости от частоты, нагрузочной способности, напряжения питания и типа корпуса, что позволяет разработчику на стадии проектирования выбрать оптимальный вариант для функционирования той или иной электрической схемы.

Превышение установочного значения тока потребления у кварцевого генератора приводит к его перегреву, что, в свою очередь. отрицательно сказывается не только на его работоспособности, но и на функционировании всего электрического прибора в целом. Наносится ущерб потребителю.

Выходной сигнал

В большинстве своем такие генераторы предполагают TTL-тип или HCMOS-тип, при этом задержки выхода на режим неопределены и превышают установочные значения. Симметричность сигнала в большинстве случаев 40-60%, наблюдается большой уровень шумов.

Производятся как совмещенные HCMOS/TTL тип, что значительно расширяет их применение в различных электрических схемах. Уровень задержки строго регламентирован в зависимости от типа генератораи частотного диапазона. Симметричность сигнала для большинства типов не превышает 45-55%. Определен уровень шумов для каждого типа.

Отсутствие современных требований к выходному сигналу значительно ограничивает применение таких генераторов, а зачастую делает это просто невозможным. Потребитель несет убытки.

Удары и вибрации

Параметры не определены, тестирование не проводится.Конструкция кварцевых генераторов не выдерживает повышенных механических нагрузок.

Эксплуатационные параметры при механических воздействиях определены, имеются в каталоге и соответствуют стандартам AEC-Q200-REV B: MIL-STD-202 Метод 213 MIL-STD-202 Метод 204

Устойчивость к ударам и вибрациям является важным фактором, связанным с внешними воздействиями, как то: транспортировка, автоматизированная установка, ультразвуковая очистка, работа в движущейся аппаратуре на транспортных средствах и т. д. Применение кварцевых генераторов не удовлетворяющих этим требованиям к возимой аппаратуре с повышенными механическими воздействиями приведет к непрогнозируемым. отказам при эксплуатации. Наносится ущерб потребителю.

Влагостойкость и герметичность

Параметры не определены, тестирование не проводится.

Влагостойкость уровень 1 MIL-STD-202 Метод 106 Проверка на герметичность конструкции проводится с помощью теста на утечку гелия и пробы на гигроскопичность.Постоянно проверяется вся продукция.

Влажность является причиной коррозии, утечек, постепенного ухудшения электрических параметров вследствие деградации внутриконструктивных соединений.Применение кварцевых генераторов без контроля на влагостойкость, герметичность и гигроскопичность недопустимо в изделиях, где возможна влажная среда. Наносится ущерб потребителю.

Тестирование в активных средах

Имеются следы коррозии. Корпус и основание генераторов – выполнены из никелированной стали. Выводы плохо паяются.

Устойчивость к коррозии. Корпус – нейзильбер (сплав меди с цинком и никелем). Выводы – Ковар + SnAgCu покрытие, которое обеспечивает великолепную паяемость.

Активная среда – причина окислений, коррозии, утечек, ухудшения электрических параметров. Наносится ущерб потребителю.

Тест на эксплуатационный срок службы

Нет данных.

MIL-STD-202 Метод 108 Тест установлен перед началом массового производства.

Функционирование и конструктив кварцевых изделий Jauch Quartz, верифицированы и согласованы. Отсутствие отказов кварцев, обеспечивает повышение надежности аппаратуры в целом. Отсутствие этого наносит ущерб потребителю.

Устойчивость к температуре пайки. Пригодность к пайке

Температура пайки до 230°C max.Точные параметры пайки не определены.

Допускаются любые виды пайки. Наличие точных режимов пайки: температура пайки до 260°C в соответствии с J-STD-002.

В соответствии с требованиями Европейского Союза о не применении свинца (RoHS) и WEEE + отсутствие свинца (Pb-free) установленными к исполнению на 1 июля 2006г., необходимо увеличение температуры пайки. Она вырастет до 260°C. Этим обеспечивается надежность соединения без причинения ущерба параметрам резонатора.

Упаковка

Упаковка россыпью в коробки (пластиковые пакеты). Частично на ленте в катушке.Отсутствие на упаковке принадлежности к конкретному производителю. Упаковочные коробки из неударопрочного дешевого картона. Отсутствие на упаковке ТХ на изделия.

Упаковка в коробки из специального ударопрочного картона. Упаковка на подложке. Упаковка на ленте в коробке. Упаковка на ленте в катушке. Jauch Quartz использует для упаковки только 100% экологически чистые материалы. Упаковочные материалы оптимизированы и предполагают защиту от ударов и вибраций, предназначены для длительной транспортировки.

Материалы и методы упаковки должны гарантировать сохранность и защиту от ударов при транспортировке, а также быть экологически чистыми.Упаковка должна иметь четкие признаки завода изготовителя, а также этикетку с указанием всех необходимых ТХ в соответствие с требованиями каталога.Отсутствие этого наносит ущерб потребителю.

Сервис и поддержка

Нет данных.

• Техническая поддержка по оптимальному применению;
• Информационная техническая поддержка и поддержка по качеству;
• Центр тестирования и измерений;
• Ежедневный буферный запас на складе;
• Оперативная отправка продукции заказчику.

Наличие набора сервисных услуг позволяет оптимизировать применение кварцевых изделий в аппаратуре заказчика с учетом критериев ТХ-КАЧЕСТВО-ЦЕНА-ДОСТУПНОСТЬ ПОСТАВКИ.Отсутствие этого вызывает дополнительным затраты у потребителя.

Зачем используются кварцевые генераторы, в каких сферах

Кварцевый генератор представляет собой устройство для создания колебаний, которые производятся специальным резонатором (относится к электронным компонентам), состоящим из заготовки, выполненной из кристалла соответствующего минерала, и электродов. Колебания отличаются значительной степенью стабильности частоты. Причиной является высокое качество резонатора.

Актуальные сведения

Такие устройства являются одними из наиболее популярных источников тактовых импульсов. Они применяются практических в любых схемах электронных приборов. Здесь стоит упомянуть системы транспортировки информации, радиолокации, навигации, вычислительную технику, устройства телеметрии и т. д. Помимо этого, кварцевые генераторы используются для измерения целого ряда различных физических параметров (давления, температуры, влажности и т. д.).

Частота колебаний кварцевого генератора может находиться в диапазоне от нескольких килогерц до сотен мегагерц. Этот параметр зависит от размеров резонатора, упругости кварца, пьезоэлектрической постоянной и формы заготовки.

Схема такого генератора, как правило, элементарна в настройках и регулировании. Многие кварцевые генераторы, используемые в цифровой технике производятся по одному и тому же принципу. Устройство, включает в себя один инвертор, резистор и пару конденсаторов. Чтобы не вызывать перегрузок на выходе, генератор нагружается только на один или два КМОП-входа. Также присутствует буферный элемент.

Параметры всех составляющих могут быть отрегулированы, причем пределы настройки весьма велики. Это касается емкости конденсаторов, сопротивления резистора. Схема не слишком энергоемкая, поэтому можно обеспечить экономию ресурсов.

Любые генераторы должны соответствовать следующим требованиям:

  • Быть работоспособными под влиянием различных внешних факторов, при старении.
  • Оставаться надежными и функционировать с требуемыми показателями при учете разброса параметров кварцевого резонатора.
  • Демонстрировать необходимую мощность, частоту, а также их стабильность.

Вышеприведенные нюансы помогут оценить особенности использования кварцевых генераторов.

Схема и работа кварцевого генератора

Кварцевый генератор — это схема электронного генератора, которая используется для механического резонанса колеблющегося кристалла из пьезоэлектрического материала. Он создаст электрический сигнал с заданной частотой. Эта частота обычно используется для отслеживания времени, например, наручные часы используются в цифровых интегральных схемах для обеспечения стабильного тактового сигнала, а также используются для стабилизации частот для радиопередатчиков и приемников. Кварцевый кристалл в основном используется в генераторах радиочастоты (RF). Кристалл кварца — самый распространенный тип пьезоэлектрический резонатор В схемах генераторов мы используем их, поэтому они стали известны как кварцевые генераторы. Кварцевые генераторы должны быть спроектированы так, чтобы обеспечивать нагрузочную емкость.


Есть разные типы осцилляторов электронные схемы которые используются, а именно: линейные осцилляторы — осциллятор Хартли, осциллятор с фазовым сдвигом, осциллятор Армстронга, осциллятор Клаппа, Генератор Колпитца . Осцилляторы релаксации — осциллятор Ройера, кольцевой осциллятор, мультивибратор и Генератор, управляемый напряжением (ГУН). Вскоре мы собираемся подробно обсудить кварцевые генераторы, такие как работа и применение кварцевого генератора.


Что такое кристалл кварца?

Кристалл кварца демонстрирует очень важное свойство, известное как пьезоэлектрический эффект. Когда механическое давление прикладывается к граням кристалла, на кристалле появляется напряжение, пропорциональное механическому давлению. Это напряжение вызывает искажение кристалла. Величина искажения будет пропорциональна приложенному напряжению, а также переменному напряжению, приложенному к кристаллу, который он заставляет вибрировать с собственной частотой.



Схема кварцевого кристалла

На рисунке ниже представлен электронный символ пьезоэлектрического кристаллического резонатора, а также кристалла кварца в электронном генераторе, который состоит из резистора, индуктора и конденсаторов.



Принципиальная схема кварцевого генератора

Вышеприведенный рисунок представляет собой новый кварцевый кварцевый генератор с частотой 20psc, 16 МГц, и это один из видов кварцевых генераторов, который работает с частотой 16 МГц.

Кристаллический осциллятор

В общем, биполярные транзисторы или полевые транзисторы используются в конструкции цепей кварцевого генератора. Это потому что операционный усилитель s может использоваться в различных схемах низкочастотного генератора, которые ниже 100 кГц, но работают усилители не имеют пропускной способности для работы. Это будет проблемой на более высоких частотах, которые соответствуют кристаллам с частотой выше 1 МГц.

Для решения этой проблемы разработан кварцевый генератор Колпитца. Он будет работать на более высоких частотах. В этом осцилляторе Контур резервуара LC который обеспечивает колебания обратной связи, заменен кристаллом кварца.

Принципиальная схема кварцевого генератора

Кристаллический осциллятор работает

Схема кварцевого генератора обычно работает по принципу обратного пьезоэлектрического эффекта. Приложенное электрическое поле вызывает механическую деформацию некоторых материалов. Таким образом, он использует механический резонанс вибрирующего кристалла, который сделан из пьезоэлектрического материала для генерации электрического сигнала определенной частоты.

Обычно кварцевые генераторы очень стабильны, имеют хорошую добротность (Q), они небольшие по размеру и экономически связаны. Следовательно, схемы кварцевых генераторов лучше по сравнению с другими резонаторами, такими как LC-схемы, камертоны. Обычно в Микропроцессоры и микроконтроллеры мы используем кварцевый генератор 8 МГц.

Эквивалент электрическая цепь также описывает кристаллическое действие кристалла. Просто посмотрите на эквивалентную электрическую схему, показанную выше. Основные компоненты, используемые в схеме, индуктивность L обозначает массу кристалла, емкость C2 обозначает податливость, а C1 обозначает емкость который образуется из-за механического формования кристалла, сопротивление R представляет трение внутренней структуры кристалла. Принципиальная схема кварцевого генератора состоит из двух резонансов, таких как последовательный и параллельный резонанс, то есть двух резонансных частот.

Кристаллический осциллятор работает

Последовательный резонанс возникает, когда реактивное сопротивление, создаваемое емкостью C1, равно реактивному сопротивлению, создаваемому индуктивностью L., и противоположно ему. Fr и fp представляют собой последовательные и параллельные резонансные частоты соответственно, а значения ‘fr’ и ‘fp’ могут быть определены с помощью следующие уравнения показаны на рисунке ниже.

Приведенная выше диаграмма описывает эквивалентную схему, график графика для резонансной частоты, формулы для резонансных частот.

Использование кристаллического осциллятора

В общем, мы знаем, что в конструкции микропроцессоров и микроконтроллеров кварцевые генераторы используются для обеспечения тактовых сигналов. Например, рассмотрим 8051 микроконтроллеры , в этом конкретном контроллере схема внешнего кварцевого генератора будет работать с частотой 12 МГц, что очень важно, хотя этот микроконтроллер 8051 (в зависимости от модели) способен работать на частоте 40 МГц (макс.), должен обеспечивать 12 МГц в большинстве случаев, потому что для Машинный цикл 8051 требует 12 тактовых циклов, чтобы обеспечить эффективную частоту цикла от 1 МГц (при тактовой частоте 12 МГц) до 3,33 МГц (при максимальной частоте тактовой частоты 40 МГц). Этот конкретный кварцевый генератор с частотой цикла от 1 МГц до 3,33 МГц используется для генерации тактовых импульсов, необходимых для синхронизации всех внутренних операций.

Применение кристаллического осциллятора

Существуют различные приложения кварцевого генератора в различных областях, и некоторые из приложений кварцевого генератора приведены ниже.

Применение кристаллического осциллятора Колпитца

Осциллятор Колпитца используется для генерации синусоидального выходного сигнала на очень высоких частотах. Этот генератор может использоваться в качестве датчиков различных типов, таких как датчики температуры Благодаря устройству на ПАВ, которое мы используем в схеме Колпитца, оно воспринимается непосредственно с его поверхности.

Кристаллический осциллятор Колпитца

Применение генераторов Колпитца в основном связано с использованием широкого диапазона частот. Также используется в условиях незатухающих и непрерывных колебаний. Используя некоторые устройства в схеме Колпитца, мы можем добиться большей температурной стабильности и высокой частоты.

Колпитц использовался для развития мобильной связи и радиосвязи.

Применение кварцевого генератора Армстронга

Эта трасса была популярна до 1940-х годов. Они широко используются в регенеративных радиоприемниках. На этом входе радиочастотный сигнал от антенны магнитно вводится в контур резервуара через дополнительную обмотку, и обратная связь уменьшается, чтобы регулировать усиление в контуре обратной связи. Наконец, он производит узкополосный радиочастотный фильтр и усилитель. В этом кварцевом генераторе резонансный контур LC заменен контурами обратной связи.

Кристаллический осциллятор Армстронга

В военной и авиакосмической промышленности

Кристальные генераторы используются в военной и авиакосмической промышленности для создания эффективной системы связи. В система связи заключается в установлении и для целей навигации и радиоэлектронной борьбы в системах наведения

В исследованиях и измерениях

Кварцевые генераторы используются в исследованиях и измерениях для астрономической навигации и отслеживания космического пространства, в медицинских устройствах и измерительных приборах.

Промышленное применение кварцевого генератора

Кварцевый генератор находит множество промышленных применений. Они широко используются в компьютерах, контрольно-измерительных приборах, цифровых системах, в системах с фазовой автоподстройкой частоты, модемах, морских судах, телекоммуникациях, в датчиках, а также в дисководах.

Кристаллический осциллятор также используется в управлении двигателем, часами и бортовом компьютере, стереосистеме и в системах GPS. Это автомобильное приложение.

Кварцевые генераторы используются во многих потребительских товарах. Например, системы кабельного телевидения, видеокамеры, персональные компьютеры, игрушки и видеоигры, сотовые телефоны, радиосистемы. Это потребительское приложение Crystal Oscillator.

Это все о том, что такое Кристаллический осциллятор , он работает, и Приложения. Мы считаем, что информация, представленная в этой статье, поможет вам лучше понять эту концепцию. Кроме того, любые вопросы по этой статье или помощь в реализации электротехнические и электронные проекты , вы можете связаться с нами, оставив комментарий в разделе комментариев ниже. Вот вам вопрос, какова основная функция кварцевого генератора?

Фото:

  • Схема кварцевого кристалла конденсаторы
  • Кристаллический осциллятор dhresource
  • Схема кварцевого генератора схема
  • Кристаллический осциллятор работает indiastudychannel
  • Кристаллический осциллятор Колпитца hqew
  • Кристаллический осциллятор Армстронга Викимедиа

Преимущества кварцевого генератора

Вы предпочитаете кварцевые часы или механические? Вы можете услышать, как некоторые поклонники часов говорят, что у кварцевых часов нет души или искусства. Но одна вещь, которую они не могут отрицать, — это превосходная точность кварцевых часов.

Секрет точности кварцевых часов не что иное, как сам кварц. Кварц является центральной частью кварцевого генератора внутри часов.

Эта электронная схема производит точные электрические колебания благодаря пьезоэлектрическим свойствам кварца.Это обрабатывает синхронизирующий сигнал часов.

Существуют и другие типы электронных генераторов, такие как RC- и LC-генераторы. В схемах синхронизации кварцевые генераторы имеют преимущество. Узнайте больше о преимуществах ниже.

Стабильность

Стабильность — одно из самых важных требований к любому генератору. Это относится к способности генератора генерировать постоянную частоту в различных условиях.

На стабильность частоты влияет несколько факторов.К ним относятся колебания температуры, напряжения питания и нагрузки.

Вот где сияет этот тип осциллятора. В LC и RC вы можете улучшить стабильность путем тщательного подбора компонентов схемы.

Тем не менее, стабильность частоты заложена в самом кристалле. Это связано с большой механической прочностью некоторых кристаллов, таких как кварц.

Температура и другие факторы все еще могут влиять на частоту генераторов. Мы используем несколько конструкций, чтобы уменьшить эти эффекты.Некоторые примеры включают управление печью (OCXO), регулирование температуры (TCXO) и управление напряжением (VCXO).

Высокая добротность

Фактор добротности или коэффициент качества описывает, насколько «недодемпфированы» генераторы. Генераторы с высокой добротностью вымирают медленнее. Это означает, что вам нужно меньше энергии для поддержания постоянной частоты сигнала.

Высокая добротность свидетельствует о превосходной эффективности этих генераторов.

Настройка частоты и диапазон

Вы можете настроить частоту вибрации кристалла.Это делается путем точной резки кристалла до определенной толщины, размера и формы. Частоты могут варьироваться от нескольких килогерц до более ста мегагерц.

Низкий фазовый шум

Фазовый шум — еще одна важная характеристика генератора. Фазовый шум — это случайные кратковременные колебания в частотной области. В системах связи фазовый шум может снизить качество сигнала.

Фазовый шум создается усилением общего шума в цепи.Это создаст несколько тонов в разных фазах.

Кристалл в основном колеблется по одной оси, поэтому преобладает только одна фаза. По этой причине кварцевый генератор может иметь очень низкий фазовый шум.

Кварцевый осциллятор компактен и недорог

Удачи в поиске механических часов, таких же точных, как кварцевые, которые не опустошат ваш банковский счет. Компактный размер и дешевизна кристаллов обуславливают их применение в различных отраслях промышленности.

Любой продукт, требующий точной синхронизации и измерения, может использовать преимущества этих генераторов.Мы видим их в потребительских устройствах, таких как смартфоны и персональные компьютеры. Они также применяются в военной, аэрокосмической, медицинской и исследовательской областях.

Свяжитесь с нами, если у вас есть общие вопросы или если вы хотите запросить предложение или образцы.

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.

Каталог

 


Ⅰ Определение кварцевого генератора

Кварцевый генератор является наиболее важным компонентом схемы синхронизации. 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 важные технические показатели кварцевого генератора, такие как отклонение частоты, температурная стабильность, скорость старения и герметичность, очень хорошие, и не так легко вызвать отказ, но качество кристалла еще можно заметить при выборе.Какова роль кварцевых генераторов в приложениях? Источники тактового сигнала микроконтроллера можно разделить на две категории: источники тактового сигнала на основе механических резонансных устройств, таких как кварцевые генераторы, керамические резонансные резервуары и RC-генераторы (сопротивления, емкости). 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.

 

Потребляемая мощность также должна учитываться при выборе генератора.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 генерируются высокий и низкий 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, включенным 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 частотному диапазону 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 кварцевых генераторов

Резонансные генераторы включают кварцевые (или его кристаллический материал) кристаллические резонаторы, керамические резонаторы, LC-резонаторы и т. д. 

 

Кварцевый генератор и резонансный генератор имеют собственное пересечение активных кварцевых резонансных генераторов.

 

Причина, по которой кварцевые пластины могут вызывать колебание контура (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 испытания кварцевого генератора

Метод испытания 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 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 могут быть удалены из гнезда маленького семиногого или маленького девятиногого трубчатого гнезда.Лучше выбрать высокую яркость светодиодной трубки.

 

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

Простой кварцевый тестер

 


Ⅵ Индекс стабильности кварцевого генератора

6.1 Суммарная разность частот

Максимальное отклонение частоты кварцевого генератора от заданной номинальной частоты обусловлено сочетанием заданных рабочих и нерабочих параметров 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.

Рисунок 2. Схематическая диаграмма зависимости выходной частоты кварцевого генератора от времени

Кривая 1 измеряется один раз в 0,1 секунды, показывая укороченность кристалла; 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 заданном диапазоне температур без подразумеваемой эталонной температуры или с предполагаемой эталонной температурой.

ft=±(fmax-fmin)/(fmax+fmin)
ftref = ±MAX[|(fmax-fref)/fref|,,|(fmin-fref)/fref|]

фута:Температурно-частотная стабильность (без подразумеваемой эталонной температуры)

 

ftref:Температурная стабильность частоты (с подразумеваемой эталонной температурой)

 

fmax :Максимальная частота, измеренная в указанном диапазоне температур

fmin:Самая низкая частота, измеренная в указанном диапазоне температур

fref:Укажите частоту, измеренную эталонной температурой

Примечание. Кварцевый генератор с индексом ftref изготовить сложнее, чем кварцевый генератор с индексом ft, поэтому кварцевый генератор с индексом ftref выше.

 


6.4 Характеристики включения (время стабильной частоты прогрева)

Относится к скорости изменения частоты за период времени (например, 5 минут) после включения питания к другому периоду (например, 1 час) после включения. 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 °). C) в качестве гетеродина используется OCXO, время стабильного прогрева частоты будет не менее 5 минут, а только MCXO необходимо десять секунд.

 


6.5 Частота старения частоты

Соотношение 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 цепи 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. Следовательно, скорость старения кварцевого генератора с низкой частотой лучше, чем у кварцевого генератора 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 ежедневного старения частоты, потому что даже в эксперимента, в условиях камеры изменение частоты, вызванное изменением температуры, также будет значительно превышать частоту старения кварцевого генератора с температурной компенсацией каждый день, поэтому этот показатель теряет свое практическое значение). Скорость старения частоты OCXO составляет ±0.от 5 до ±10 частей на миллиард 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, указанное конечное напряжение составляет +0,5 В и +4,5 В, а частотно-регулируемый кварцевый генератор имеет изменение частоты -2 ppm при +0.Напряжение управления частотой 5 В, а частота управляется 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 напряжением частоты

Выходная частота в сравнении с идеальной (линейной) функцией — Мера передаточной характеристики входного напряжения управления, которая представляет собой процент допустимой нелинейности всего диапазона смещения частоты.

 

Примечание: Типичная линейность регулирования напряжения частоты VCXO: ≤±10%, ≤±20%.Простой метод расчета линейного управления напряжением частоты VCXO (когда полярность управления напряжением частоты положительная):

Линейность регулирования напряжения частоты = ± ((fmax — fmin) / f0) × 100 %

Fmax: Выходная частота VCXO при максимальном управляющем напряжении

Fmin: Выходная частота VCXO при минимальном управляющем напряжении

F0: частота напряжения центра управления напряжением

 


6.11 Фазовый шум одной боковой полосы £(f)

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, будут вызывать ухудшение 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 два конденсатора соответственно подключаются к двум концы кварцевого генератора, а другой конец каждого конденсатора соединен.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 п или 12,5 п. 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

.

 

Рисунок 4 представляет собой схему кварцевого генератора

.

В этой цепи J, VD1, L1, C3~C5 и V1 образуют кварцевый колебательный контур.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 выбором частоты V3, L3, C9, чтобы получить идеальный сигнал 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 распространенных 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 не так просто заводится, должны подойти С1, С2.

 


Ⅸ Часто задаваемые вопросы

1. Какова функция кварцевого генератора?

Кварцевый генератор представляет собой схему электронного генератора, в которой используется 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. Также можно описать колебание как периодическое изменение материи между двумя значениями или ее центральным значением.

 

4. 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.

 

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 частей на миллион в широком диапазоне температур (например, от -40 до +85 °C) или всего ±3 части на миллион в более узких диапазонах (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 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?

Альтернативные модели

Часть Сравнить Производители Категория Описание
Произв.Номер детали: 1N6303ARL4G Сравните: 1.5KE200A VS 1N6303ARL4G Производители: ON Semiconductor Категория: Стабилитроны Описание: 171 В 1500 Вт
ПроизводительДеталь №: 1.5KE200CA-TP Сравните: Текущая часть Производители: Микрокоммерческие компоненты Категория:Диоды для ТВС Описание: Подавляющий диод Trans Voltage, 1500 Вт, 171 В В (RWM), двунаправленный, 1 элемент, кремний, DO-201AE, СООТВЕТСТВУЕТ ROHS, ПЛАСТИКОВЫЙ УПАКОВКА-2
ПроизводительДеталь №: 1.5KE200CA Сравните: 1.5KE200CA-TP VS 1.5KE200CA Производитель: Good-Ark Electronics Категория: Описание: Диодный TVS Single Bi-Dir 171V 1.5кВт 2-контактный DO-201AE
Изготовитель Деталь №:1.5KE200CA Сравните: 1.5KE200CA-TP VS 1.5KE200CA Производители: Fairchild Категория:Диоды для ТВС Описание: ДИОД TVS, 1.5кВт, 200В, ДО-201АЭ

Основы генератора для телекоммуникационных приложений

Самым основным строительным блоком цифровой связи является синхронизация.Синхронизация имеет много точек зрения. В цифровой передаче синхронизация заключается в управлении передачей и приемом без ошибок путем управления средней скоростью передачи и приема по узлам. В сотовой связи синхронизация позволяет пользовательскому оборудованию надежно работать во время движения и при перемещении из одной соты в другую. В передовых сетях, таких как 5G, синхронизация имеет основополагающее значение для работы и высокой производительности сетей.

Синхронизация цифровой сети является иерархической; атомарные исходные часы из ядра сети распределяют синхронизацию по всем узлам.Каждый узел имеет сервосистему, которая будет получать информацию о синхронизации с более высокого уровня и управлять локальным опорным генератором синхронизации в системе. В зависимости от уровня точности, требуемого системой, сервосистема будет усреднять входящую информацию синхронизации. Чем больше усреднение, тем выше точность вывода. Однако в течение этого времени усреднения выходной тактовый сигнал управляется локальным заданием. Следовательно, для определенного уровня точности выходного сигнала требуется определенный уровень стабильности гетеродина опорной частоты.

Генераторы

обеспечивают такты для работы цифровых цепей. Метки продвигают цифровые состояния и делают возможными цифровые переходы. Генераторные схемы стали возможными с использованием нескольких технологий, из которых генераторы на основе кварцевых кристаллов являются наиболее популярными. Кварцевые генераторы основаны на пьезоэлектрическом эффекте. К пьезоэлектрическому материалу прикладывается напряжение, вызывающее механическую деформацию материала. Когда напряжение снимается, материал возвращается в свою первоначальную форму и создает на нем обратное напряжение.Когда этот метод применяется к колебательной схеме, он создает устойчивые колебания.

Для данного осциллятора есть два ключевых параметра, на которые следует ссылаться; точность и стабильность. Точность генератора — это способность обеспечивать частоту, равную идеальной абсолютной опорной частоте. Для атомных часов, выступающих в качестве основного источника времени, важна точность. Для часов на транспортном оборудовании, которые всегда получают синхронизацию от верхней иерархии, точность не является существенной.Стабильность — это свойство генератора постоянно воспроизводить одну и ту же частоту без особых изменений. Эта функция соответствует требованиям для работы с сервосистемами, где система может поддерживать выходную частоту или минимальное отклонение между интервалами коррекции.

Кварцевый материал выращивается в автоклавах, после чего из слитков изготавливаются пластины. Заготовки изготавливаются под разными «углами среза», что приводит к специфическим характеристикам колебаний. Наиболее популярными типами огранки, используемыми в телекоммуникационном оборудовании, являются кристаллы огранки AT и SC.Заготовки соединяются с электродами для пропускания электричества и превращаются в резонаторы. Они упакованы по-разному, чтобы производить генераторы с разными технологиями и уровнями производительности.

Что внутри кварцевого генератора — Знания

Генераторы и функции часов являются ключами почти к любой электронной схеме, но в большинстве, если не во всех случаях, сердцем схемы генератора является крошечный кусочек кварца, называемый кристаллом. или пустая тарелка. Просто и банально рассматривать кристаллы как простой компонент, но, как и большинство компонентов, это заблуждение и ложь.Независимо от применения электроники существует ряд различий в способах использования самого материала. Этот FAQ посвящен тонкостям и вариациям, которым могут подвергаться кристаллы, а также их использованию в электронных схемах.

Генератор, кристаллы кварца заменяют контур LC, который обеспечивает обратную связь для генерации. Нет сомнения, что именно кристаллы на основе кварца завоевывают все большую долю рынка, но схемы кварцевых генераторов обычно работают по принципу обратного пьезоэлектрического эффекта.

Самое важное в кварце то, что он пьезоэлектрический; он вибрирует, когда вы подаете в него электричество, и излучает электричество, когда вы его вибрируете. Мы воспользуемся тем фактом, что механический резонанс колеблющегося кристалла состоит из пьезоэлектрического материала для генерации электрического сигнала определенной частоты.

То, как мы рисуем диаграмму выше, создает впечатление, что кварцевый кристалл представляет собой отдельную схему микрочипа, но на самом деле это интимная часть схемы, соединенная с ним двумя электродами.Таким образом, кварцевые кристаллы и генераторы одновременно используют пьезоэлектричество. Из цилиндрического металлического корпуса торчат две маленькие ножки серебристого цвета, и вы можете видеть их в правой части этой диаграммы.

Предлагаются различные режимы вибрации в зависимости от способа резки пластины и места прикрепления электродов, а также от размера и формы кристалла.

Этот тип компонента кристалла кварца наиболее известен, поскольку он составляет большинство кристаллов кварца в различных электронных устройствах, от компьютеров до мобильных телефонов и компьютеров.

Акцент на универсальные кварцевые генераторы, которые используются в широком спектре электроники. Компоненты из кварцевого кристалла используются в различных приложениях, от медицинских устройств до мобильных телефонов и компьютеров. Кварцевый генератор объединяет в своем блоке колебательные контуры в виде интегральной схемы.

Производство концентратов на универсальных кварцевых генераторах, которые применяются в широкой области электроники. Эти компоненты можно в широком смысле классифицировать как кварцевые кристаллы, и по мере того, как электроника будет получать больше функций и более продвинутых функций, они смогут использовать больше компонентов из кварцевых кристаллов.

Кварцевые генераторы используются в различных приложениях, таких как радио, телевидение, радиочастотные системы и даже компьютерные системы.

После Второй мировой войны спрос на кристаллы кварца резко возрос в связи с увеличением производства электронных устройств, таких как радиоприемники, телевизоры, компьютеры и компьютеры.

Такой высокий спрос означал необходимость разработки синтетических кристаллов кварца, чтобы идти в ногу со временем. Кварцевые кристаллы времени были произведены в Bell Laboratories в Нью-Йорке в 1950-х годах.До 1950 года Bell Labs разработала возможность выращивания кристаллов кварца в промышленных масштабах.

Скорость расширения и сжатия кварца является резонансной частотой и определяется размером огранки кристалла. Сигнал напряжения снимается с кварцевого резонатора, усиливается схемой кварцевого генератора и подается обратно в резонатор.

Обычный кварцевый резонатор содержит диск кварцевого камертона, зажатый между двумя электропроводящими пластинами. Есть два типа печей — управляемые кварцевые генераторы, тип генератора, который может достигать частоты выше, чем кварцевые кристаллы могут сами по себе.Они физически больше, требуют большей мощности для работы и предназначены для работы при более высокой температуре, чем печь с регулируемой температурой.

Изменения выходного сигнала кварца управляются напряжением постоянного тока, а напряжение, управляемое кварцевым генератором, соответствует выходному сигналу обычного синхронизирующего кристалла, но с более высокой частотой.

Кварц работает на основе пьезоэлектрического эффекта, т.е. когда к пластине из кристалла кварца прикладывается электрический заряд, он вибрирует. Это свойство используется для построения схемы, в которой листы кварца размещаются на подключенном к ним электроде.Здесь, в этой схеме, мы увидим, как использовать кристаллы кварца для создания сигналов прямоугольной формы, что является рабочим объяснением пьезоэффекта.

На приведенной выше схеме представлен пьезоэлектрический резонатор, состоящий из двух металлизированных электродов и кварцевого кристалла. На рисунке выше показан электронный генератор, состоящий из резистора, катушки и конденсатора, как показано на рисунке. Одним из наиболее распространенных методов настройки частоты цепи является использование резонансного элемента, физические свойства которого аналогичны свойствам электрической цепи, например источника питания или генератора радиочастот.

Применение технологии моделирования к дизайну кварцевого кристалла AT-Cut | Примечание по применению | Технический журнал Murata Metamorphosis № 19

Применение технологии моделирования в дизайне кварцевого кристалла AT-Cut

Кварцевые кристаллы являются одним из важных компонентов, составляющих эталонные часы для интегральных схем, таких как микроконтроллеры. Они широко используются в различных продуктах, начиная от терминальных устройств мобильной связи, таких как сотовые телефоны и смартфоны, и заканчивая автомобилями и бытовой техникой.Существует острая потребность в миниатюризации компонентов, особенно для терминальных устройств мобильной связи. Одной из проблем при разработке таких компонентов является достижение миниатюризации продуктов при сохранении их характеристик. В этой статье мы представляем, как мы эффективно проводим наши проектные работы с использованием метода моделирования, в котором используется метод конечных элементов (МКЭ).

1. Кварцевые кристаллы AT-Cut и схема генератора.

Кристаллы кварца

AT-среза представляют собой устройства, изготовленные из синтетического кристалла и использующие пьезоэлектрические свойства (колебания толщины сдвига) кристалла.На рис. 1 показана типичная структура продукта Мураты. На рис. 2 показана его эквивалентная схема. Это устройство является одним из важных компонентов, составляющих схему электронного генератора, служащего опорным тактовым генератором, который необходим, например, для работы микроконтроллеров. На рис. 3 представлена ​​типичная конфигурация схемы генератора. Схема генератора генерирует тактовые сигналы, усиливая электрические сигналы, проходящие через кварцевый кристалл. Сопротивление кварцевого кристалла зависит от частоты, как показано на рис.4. Сопротивление кристалла кварца принимает наименьшее значение на частоте основных колебаний кристаллической заготовки. Это наименьшее значение сопротивления называется эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR). Цепь генератора колеблется вблизи основной частоты колебаний кварцевой заготовки, генерируя тактовые сигналы.

Что важно в схеме генератора, так это стабильность колебаний. Одним из показателей устойчивости колебаний является запас по колебаниям , который показывает отношение коэффициента усиления сигнала (усиливающая способность входных сигналов) компонентов схемы, кроме кварца, к ESR (коэффициент демпфирования сигналов).Теоретически схема колеблется, когда запас по колебаниям больше 1; однако, когда запас по колебаниям близок к 1, схема редко колеблется или требуется очень много времени, чтобы начать колебание, что иногда может вызвать неисправность в устройствах, в которых установлен генератор. Подавление ESR может улучшить запас по колебаниям. Как правило, чем ниже частота, тем выше ESR, и чем меньше размер продукта, тем выше ESR. Продукты размером 2016 и 1612 были установлены в мобильных терминальных устройствах, но потребность в продукте еще меньшего размера растет.Таким образом, работа дизайнера становится все более сложной в наши дни.

Рис. 1. Структура продукта кристалла кварца

Рис. 2. Эквивалентная схема кварцевого кристалла

Рис. 3. Принципиальная схема генератора

Рис. 4. Частотная характеристика сопротивления кристалла кварца

2. Ключевые факторы при разработке характеристик продукта

Кристаллы кварца AT-среза имеют ряд ненужных вибраций, кроме вибрации сдвига по толщине; последний используется как основное колебание кристаллов кварца.При проектировании кристаллов кварца необходимо подобрать соответствующие геометрические параметры, чтобы эти ненужные вибрации не влияли на характеристики изделия в диапазоне рабочих температур. На рисунке 5 показана взаимосвязь между температурой и ESR, где сравниваются характеристики двух случаев: график (а) представляет случай, когда при проектировании выбрана подходящая геометрия, тогда как график (б) представляет случай неподходящей геометрии. При выборе неподходящих геометрических параметров ненужные вибрации накладываются друг на друга и увеличивают ESR.Поэтому важно выбрать соответствующие геометрические параметры, на которые не будут влиять ненужные вибрации на этапе проектирования. Однако существует огромное количество комбинаций геометрических параметров, и инженеры изо всех сил пытались найти оптимальные решения эмпирическим путем методом проб и ошибок в ряде случаев. Это было одной из основных причин проблем с сокращением времени исследований и разработок и улучшением качества продукции.

Рис.5. Характеристики ESR в диапазоне рабочих температур

3. Применение метода моделирования (метод конечных элементов, МКЭ) и новые задачи

Эффективный метод, который мы можем придумать, чтобы помочь нам найти оптимальные решения, заключается в проведении моделирования характеристик с использованием метода конечных элементов (МКЭ). Однако у этого метода есть недостаток: результаты моделирования плохо согласуются с реальными характеристиками образца. Недавние исследования показали, что источник этого несоответствия кроется в том факте, что не только геометрия, но и удерживающий материал, соединяющий кристаллическую заготовку и подложку, сильно влияет на соотношение частот между основной вибрацией (толщина-сдвиговая вибрация) и ненужные вибрации.

Рис. 6. Зависимость ширины бланка от ESR

На рис. 6 сравниваются фактические характеристики образца и результат моделирования МКЭ, когда моделирование моделировало только заготовку кристалла без учета удержания на подложке. В результате моделирования геометрии без удерживающего материала тренд характеристик ЭПР не совпадал с фактическими характеристиками образца; следовательно, соответствующие геометрические параметры не могут быть определены.

Таким образом, наша задача состояла в том, чтобы улучшить согласованность результатов моделирования с фактическими характеристиками образца и, таким образом, разработать более совершенную технику моделирования для эффективного поиска оптимальных решений.Теперь мы создали новую систему моделирования, которая может обеспечить решение этих проблем. Эта система позволила нам улучшить согласованность результатов моделирования с фактическими характеристиками образца.

4. Проблемы моделирования

Программное обеспечение Murata для аналитического моделирования метода конечных элементов под названием Femtet использовалось для повышения согласованности результатов моделирования с фактическими характеристиками образца. Фемтет улучшила следующие четыре пункта.

(1) Понимание абсолютной точности и сходимости вычислений

Метод конечных элементов делит геометрию модели на компьютере на конечное число частей или секций, называемых сеткой для вычислений.Хорошо известно, что чем большее количество элементов сетки мы создаем, разделяя область на подобласти, как показано на рис. 7, тем лучше сходится аналитический результат, как показано на рис. 8.

Однако степень сходимости зависит от вибрации. Изменение основной вибрации, то есть вибрации сдвига по толщине, сходится в меньшем числе элементов сетки, тогда как изменение ненужной вибрации вряд ли уменьшится даже в большом числе элементов сетки, проявляя тенденцию к плохой сходимость, которая была основной причиной плохой согласованности результатов моделирования.

Для точного моделирования ненужных режимов вибрации требуется достаточное количество элементов сетки. Необходимое количество элементов сетки зависит от толщины или размера хрустальной заготовки. Понимание количества элементов сетки, необходимых для каждого размера и частоты выпускаемой продукции, позволило нам провести моделирование с оптимальной точностью.

Рис. 7. Геометрия сетки

Рис. 8. Зависимость количества элементов сетки от частоты

(2) Моделирование геометрии, приближенной к реальному объекту

Предыдущее моделирование использовалось для объединения сферических моделей и других моделей для воспроизведения смоделированной геометрии хрустальных заготовок.Однако геометрия реально изготовленных кристаллических заготовок была сложной и существенно отличалась от геометрии, изготовленной при виртуальном прототипировании, что было одной из основных причин несоответствия прошлых моделей характеристикам реальных образцов.

Использование функции моделирования Femtet позволило нам точно воспроизвести геометрию заготовки на основе измеренных геометрических данных реальных заготовок кристалла. Femtet также позволяет свободно моделировать удерживающий материал, демонстрируя более высокую воспроизводимость фактической геометрии, как показано на рис.9.

Рис. 9. Модель Femtet (показана сторона с удерживающим материалом)

(3) Рассмотрение эффекта владения

Когда ненужные вибрации накладываются на основную вибрацию, в некоторых случаях вибрирует край хрустальной заготовки. В таких ситуациях модель, в которой нет удерживающего материала на кромке заготовки, не может рассчитать увеличение ESR, потому что она не может отразить демпфирующий эффект, как показано на рис. 10 (а). С другой стороны, модель с удерживающим материалом на кромке заготовки может рассчитать изменение ESR, поскольку оно может отражать демпфирующий эффект удерживающего материала, как показано на рис.10 (б).

Femtet облегчает моделирование удерживающего материала независимо от заготовки кристалла, позволяя моделировать изменение ESR аналогично реальным образцам.

Таким образом, моделирование удерживающего материала позволило нам понять, как ESR зависит от ширины бланка так же, как и у реальных образцов, как показано синей линией на рис. 11.

Рис. 10. Диаграмма распределения вибрации

Рис. 11. Зависимость ширины бланка от ESR

(4) Как найти оптимальные решения

Одновременная параметризация длины и ширины заготовки с помощью Femtet позволила нам представить взаимосвязь между геометрией заготовки и характеристиками ESR в матричной форме, как показано на рис.12. Этот подход позволил нам вычислить оптимальные геометрические параметры в виде площади определенной площади, которую в предыдущих моделях можно было вычислить только в виде точки.

Улучшение вышеупомянутых четырех пунктов позволило нам достичь более высокой степени согласованности моделируемых характеристик с реальными характеристиками образца, что позволило найти оптимальные геометрические параметры в качестве расчетной области. Центр этой расчетной области будет иметь очень стабильные расчетные значения, которые смогут поддерживать хорошие характеристики, даже если соответствующая геометрия нестабильна.Среди расчетных значений A, B и C на рис. 12 расчетное значение A в центре стабильно при изменении температуры по сравнению с температурными характеристиками реальных образцов (рис. 13) и демонстрирует ESR, удовлетворяющее целевому значению. значение, в то время как расчетное значение C демонстрирует высокое ESR, что не подходит в качестве модели. Расчетное значение B на границе области проблематично, так как ESR реального образца имеет тенденцию к увеличению в области более высоких температур. Расчетное значение B не продемонстрировало своей проблематичности в мелкосерийном производстве прототипов; однако по мере увеличения количества прототипов увеличивалось количество характерных дефектов из-за дисперсии и т. д., что заставляло нас в некоторых случаях переделывать продукт.Однако метод с использованием Femtet, наконец, позволил нам эффективно выполнять проектные работы, обладающие превосходной устойчивостью к геометрическим параметрам.

Рис. 12. Анализ ESR, показывающий оптимальную расчетную область

Рис. 13. Температурные характеристики ESR

5. Заключение

Мы считаем, что этот метод моделирования с использованием Femtet хорошо согласуется с фактическими характеристиками образца, что, по нашему мнению, поможет улучшить качество работы по проектированию устройства. Эффективно улучшая процесс проектирования продукции, мы стремимся сократить время подготовки образцов по запросам клиентов и время подготовки к массовым поставкам, а также обеспечить более стабильное качество продукции.

Глоссарий

*1 Метод конечных элементов:

Сокращенно FEM. Метод численного анализа для нахождения приближенных решений для всей структуры путем разделения структуры на набор меньших областей для вычислений.

*2 СОЭ:

Эквивалентное последовательное сопротивление. Сопротивление, в основном из-за потерь внутри кристалла или удерживающего материала.

*3 Диапазон колебаний:

Указывает запас, который существует от состояния колебания до момента, когда колебание прекращается.Это один из самых важных элементов схемы генератора, в котором используются кварцевые кристаллы.

*4 фемтет:

Аналитическая программная система, использующая метод конечных элементов, разработанная и продаваемая Murata. Он охватывает широкую область анализа, начиная от электромагнитного анализа электрических полей, магнитных полей и электромагнитных волн и механического анализа теплопроводности и напряжений до пьезоэлектрического анализа и анализа звуковых волн.

*5 Прочность:

Качество прочной (надежной) конструкции, т. е. конструкции, позволяющей справляться с различными внешними факторами, такими как различия в размерах.

Кварцевый кристалл и кварцевый осциллятор

Suntan — гонконгский производитель кварцевых кристаллов и кварцевых генераторов. Включая кварцевые генераторы и кварцевые кристаллы в различных типах корпусов. Кварц — это пьезоэлектрический материал, который движется в электрическом поле. Кристалл кварца представляет собой вибрирующий кусок кварца. Кристаллы кварца доступны во множестве форм и размеров и могут широко варьироваться в технических характеристиках.Пожалуйста, обратитесь к приведенному ниже списку продуктов кварцевого кристалла и кварцевого генератора.

Изображения кварцевого кристалла и кварцевого генератора

Список кварцевых резонаторов и кварцевых генераторов

  1. TSQ-HC49S Кварцевый кристалл TSQ-HC49S
  2. TSQ-HC49U Кварцевый кристалл TSQ-HC49U
  3. TSQ-HC49SMD Кварцевый кристалл TSQ-HC49SMD
  4. TSQ-1612SMD Кварцевый кристалл TSQ-1612SMD
  5. TSQ-2016SMD Кварцевый кристалл TSQ-2016SMD
  6. TSQ-2520SMD Кварцевый кристалл TSQ-2520SMD
  7. TSQ-3225SMD Кварцевый кристалл TSQ-3225SMD
  8. TSQ-5032SMD Кварцевый кристалл TSQ-5032SMD
  9. TSQ-OSC2520 Кварцевый осциллятор TSQ-OSC2520
  10. TSQ-OSC3225 Кварцевый осциллятор TSQ-OSC3225
  11. TSQ-OSC5032 Кварцевый осциллятор TSQ-OSC5032
  12. TSQ-OSC7050 Кварцевый осциллятор TSQ-OSC7050
  13. TSQ-2060DIP Хрустальный камертон TSQ-2060DIP
  14. TSQ-3080DIP Хрустальный камертон TSQ-3080DIP
Особенности кварцевого кристалла

и кварцевого генератора

  1. Низкая стоимость
  2. Широкий диапазон частот
  3. Хорошая устойчивость к старению и температуре
  4. PB — бесплатно и соответствует требованиям ROHS
  5. Металлические модели
  6. Доступны жесткие допуски / стабильность

Знание кварцевого кристалла и кварцевого генератора

Кристаллы кварца

широко используются в современных электронных схемах в качестве высококачественных настраиваемых схем или резонаторов.Такие как GPS, мобильные телефоны, потребительские товары, компьютеры, бурение нефтяных скважин и другие высоконадежные приложения. элемент синхронизации в цифровых часах, а также их более традиционные применения в радиочастотных приложениях, где они могут использоваться в качестве резонаторов в высокостабильных кварцевых генераторах высокоэффективных кварцевых фильтров.

Как следует из названия, кварцевые резонаторы сделаны из кварца, естественной формы кремния, хотя большая часть того, что используется в электронике, в наши дни производится синтетическим путем. Компоненты полагаются на замечательные свойства кварца в своей работе. При помещении в электронную схему кристалл действует как настроенная схема. Однако у него исключительно высокая добротность. Обычные LC-схемы могут иметь значения в несколько сотен, если они тщательно спроектированы и изготовлены, но кварцевые кристаллы имеют значения до 100 000.Помимо добротности кристаллы обладают рядом других преимуществ. Их стабильность удивительно хороша по отношению к температуре и времени. На самом деле для большинства кристаллов эти цифры указаны, и обычно они могут составлять 5 частей на миллион (частей на миллион) в год для старения и 30 частей на миллион в диапазоне температур от 0 до 60 градусов Цельсия.

Обзор кварцевого кристалла

и кварцевого генератора

Резонаторы на кристалле кварца

широко используются в электронной промышленности.Их можно использовать в кварцевых генераторах и кварцевых фильтрах, где они обеспечивают исключительно высокий уровень производительности. В дополнение к этому недорогие элементы с более низкими допусками широко используются в кварцевых генераторах для часов на плате микропроцессора, где они используются в качестве дешевых элементов резонатора. Независимо от того, где он используется, кварцевый резонатор обеспечивает исключительно высокий уровень производительности по стоимости его производства.

Кристаллы кварца, используемые в радио- и электронных схемах, являются прецизионными электронными компонентами, и при их покупке необходимо иметь возможность точно их указать.Обычно спецификация кристалла включает несколько элементов, многие из которых относятся к кристаллам кварца и не используются широко в других радиоприложениях. Также есть ряд элементов спецификации кристалла, которые могут быть установлены производителем для данного диапазона кристаллов, и при заказе компонента необходимо знать о них.

Все, что вам нужно знать об осцилляторах | Блог

Марк Харрис

|&nbsp Создано: 29 октября 2020 г. &nbsp|&nbsp Обновлено: 3 февраля 2021 г.

Практически на каждой печатной плате, изготовленной в последнее время, есть генератор той или иной формы, и большинство интегральных схем также содержат генераторы.Генераторы являются важными компонентами, которые производят периодический электронный сигнал, обычно синусоидальную или прямоугольную волну. Генераторы преобразуют сигнал постоянного тока в периодические сигналы переменного тока, которые можно использовать для установки частоты, для аудиоприложений или в качестве тактового сигнала. Все микроконтроллеры и микропроцессоры требуют генератора для установки тактового сигнала, чтобы функционировать. В некоторых устройствах они встроены, а для некоторых требуется внешний генератор или и то, и другое, имея внутренний генератор низкой точности с возможностью подачи внешнего сигнала.

Электронные устройства используют тактовый сигнал в качестве эталона времени, что позволяет последовательно выполнять действия. Другие устройства используют сигнал генератора для генерации других частот, которые могут обеспечивать звуковые функции или генерировать радиосигналы.

Понимание различных типов генераторов и их функционирования может помочь вам выбрать правильный генератор для вашего проекта. Если вы пытаетесь создать радиосигнал, вам понадобится гораздо более точный осциллятор, чем для других устройств.Генераторы — это то, что можно легко упустить из виду в проекте, с намерением просто взять любой старый генератор, который находится в диапазоне частот, указанном в техническом описании, который соответствует требованиям к пространству на плате и стоимости. Выбор может быть значительно больше; однако, в зависимости от требований к питанию платы, площади платы и требуемой точности частоты. Некоторые генераторы работают от микроампер или меньшей мощности, тогда как некоторым для работы требуется несколько ампер.

Осцилляторы делятся на две основные категории: гармонические и релаксационные.Гармонические генераторы создают синусоидальную форму волны, RC, LC, колебательные контуры, керамические резонаторы и кварцевые генераторы попадают в эту категорию.

В этой статье мы рассмотрим:

  • Резисторно-конденсаторные генераторы (RC)
  • Индуктивно-конденсаторные генераторы (LC)
  • Керамические резонаторы
  • Кварцевые генераторы
  • Модули кварцевого генератора
  • Генераторы МЭМС
  • Силиконовые осцилляторы

Хотя вы, возможно, и не хотите самостоятельно собирать RC- или LC-генераторы, а вместо этого читаете эту статью, где содержится информация о корпусных генераторах, которые можно просто добавить в схему, я начну с рассказа о RC- и LC-генераторах. .Важно понимать, как они работают и какие у них могут быть недостатки, поскольку многие ИС со встроенными генераторами используют RC- или LC-схему.

Поняв, как они работают, вы сможете лучше понять, когда уместно использовать встроенный генератор, а когда уместно добавить внешний источник синхронизации. Если вы хотите узнать больше об осцилляторах и тактовых генераторах, вы можете легко собрать RC- или LC-осциллятор на макетной плате и протестировать его с помощью осциллографа. Прежде чем мы углубимся в это, давайте кратко рассмотрим сравнение между каждым типом осциллятора.

Сравнение производительности генераторов

В приведенной ниже таблице стоит отметить, что каждый вариант имеет широкий спектр различных устройств, доступных на рынке. Например, при рассмотрении генераторов MEMS с фиксированной частотой варианты, которые регулярно продаются в DigiKey, варьируются от 150 частей на миллион до 50 частей на миллиард с точки зрения стабильности частоты. Этот огромный диапазон частотной стабильности также сопровождается огромным диапазоном цен, поэтому, если один тип генератора может иметь опции для чрезвычайно высокой стабильности или точности в широком диапазоне температур, это не означает, что другой вариант не может быть дешевле для вашей точности. требования.

В качестве яркого примера можно привести Connor-Winfield OX200-SC-010.0M 10 МГц VCOCXO — кварцевый генератор со стабильностью частоты всего +/- 1,5 части на миллиард. Атомный осциллятор IQD Frequency Products LFRBXO059244BULK 10 МГц стоит более чем в десять раз дороже в единичных количествах при той же стабильности частоты +/- 1,5 ppb. Несмотря на это, будут времена, когда атомный генератор за 2000 долларов будет лучшим выбором для чрезвычайно точного генератора.IQD Frequency Products также производит VCOCXO, который имеет потрясающую стабильность частоты +/- 1ppb в более широком диапазоне температур, чем атомный генератор. Менее чем в два раза дороже устройства Коннора-Уинфилда в единичных объемах, и все же менее чем в десять раз дешевле атомарного варианта. Для меня невероятно, что сегодня у нас есть источники атомных часов, и еще более безумно, что мы можем иметь кварцевый генератор, который является более точным за небольшую часть цены.

Источник часов

Частота

Точность

Преимущества

Недостатки

Кристалл кварца

от 10 кГц до 100 МГц

От среднего до высокого

Низкая стоимость

Чувствителен к электромагнитным помехам, вибрации и влажности.

Модуль кварцевого генератора

от 10 кГц до 100 МГц

От среднего до экстремального

Нечувствителен к электромагнитным помехам и влажности. Нет дополнительных компонентов или проблем с соответствием

Высокая стоимость, высокое энергопотребление, чувствительность к вибрации, большая упаковка

Керамический резонатор

от 100 кГц до 10 МГц

Средний

Более низкая стоимость

Чувствителен к электромагнитным помехам, вибрации и влажности

Встроенный кремниевый осциллятор

от 1 кГц до 170 МГц

От низкого до среднего

Нечувствительны к электромагнитным помехам, вибрации и влажности.Быстрый запуск, небольшой размер, отсутствие дополнительных компонентов или проблем с соответствием

Температурная чувствительность хуже, чем у керамики или кристалла. Высокий ток питания.

МЭМС-генератор

От десятков кГц до сотен МГц

От низкого до экстремального

Простая конструкция, меньшие размеры, отсутствие внешних компонентов, возможность управления несколькими нагрузками.

Дорогой

Радиоуправляемый осциллятор

От Гц до 10 МГц

Очень низкий уровень

Самая низкая стоимость

Обычно чувствителен к электромагнитным помехам и влажности. Плохая производительность подавления температуры и напряжения питания

LC Осциллятор

от кГц до сотен МГц

Низкий

Низкая стоимость

Обычно чувствителен к электромагнитным помехам и влажности.
Плохая работа отклонения температуры и напряжения питания

Теперь, когда у нас есть общий обзор опций, давайте перейдем непосредственно к самым основным генераторам и принципам, лежащим в их основе. RC-генератор — это тот, который вы можете легко собрать на макетной плате с очень простыми компонентами. RC-генератор (резисторно-конденсаторный) представляет собой тип генератора с обратной связью, который построен с использованием резисторов и конденсаторов, а также усилительного устройства, такого как транзистор или операционный усилитель.Усилительное устройство возвращается в RC-цепь, что вызывает положительную обратную связь и генерирует повторяющиеся колебания.

Большинство микроконтроллеров и многих других цифровых ИС, которым требуется тактовый сигнал для выполнения действий, содержат внутри себя сеть RC-генераторов для создания внутреннего источника тактовых импульсов.

RC Генератор с положительной обратной связью.

Принцип работы

RC-цепочка RC-генератора сдвигает фазу сигнала на 180 градусов.

Положительная обратная связь необходима для сдвига фазы сигнала еще на 180 градусов.Затем этот фазовый сдвиг дает нам 180 + 180 = 360 фазового сдвига, что фактически равно 0 градусов. Следовательно, общий фазовый сдвиг схемы должен быть равен 0, 360 или другому кратному 360 градусам.

Мы можем использовать тот факт, что фазовый сдвиг происходит между входом в RC-цепь и выходом из той же сети, используя взаимосвязанные RC-элементы в ветви обратной связи. На рисунке выше мы видим, что каждая каскадная RC-цепочка обеспечивает отставание напряжения фазы на 60 градусов.Вместе три сети производят фазовый сдвиг на 180 градусов.

Для идеальных RC-сетей максимальный фазовый сдвиг может составлять 90 градусов. Следовательно, для создания фазового сдвига на 180 градусов генераторам требуется как минимум две RC-цепочки. Однако добиться фазового сдвига точно на 90 градусов на каждом каскаде RC-цепи сложно. Нам нужно использовать больше каскадов RC-цепи, соединенных вместе, чтобы получить требуемое значение и желаемую частоту колебаний.

Чистая или идеальная однополюсная RC-цепочка будет давать максимальный фазовый сдвиг ровно 90 градусов.Для генерации нам требуется сдвиг фаз на 180 градусов, поэтому для создания RC-генератора мы должны использовать не менее двух однополюсных цепей.

Фактическая фаза RC-цепи зависит от выбранного номинала резистора и конденсатора для желаемой частоты.

Расчет фазового угла RC.

Соединяя несколько RC-сетей каскадом, мы можем получить 180-градусный фазовый сдвиг на выбранной частоте. Этот каскад сетей образует основу для RC-генератора, также известного как генератор фазового сдвига.Добавив усилительный каскад с использованием биполярного транзистора или инвертирующего усилителя, мы можем получить фазовый сдвиг на 180 градусов между его входом и выходом, чтобы обеспечить полный 360-градусный сдвиг обратно к 0 градусам, который нам требуется, как упоминалось выше.

Базовая схема RC-генератора

Первичная схема RC-генератора вырабатывает синусоидальный выходной сигнал, используя регенеративную обратную связь, полученную от RC-цепи. Регенеративная обратная связь возникает из-за способности конденсатора накапливать электрический заряд.


Сеть обратной связи резистор-конденсатор может быть подключена для получения опережающего фазового сдвига (сеть с опережением фазы) или может быть подключена для создания отстающего фазового сдвига (сеть с фазовой задержкой). Один или несколько резисторов или конденсаторов из схемы фазового сдвига RC могут быть изменено, чтобы изменить частоту сети. Это изменение можно осуществить, оставив резисторы одинаковыми и используя переменные конденсаторы, поскольку емкостное реактивное сопротивление зависит от частоты. Однако для новой частоты может потребоваться регулировка коэффициента усиления усилителя по напряжению.

Если подобрать резисторы и конденсаторы для RC-цепей, то частота RC-колебаний будет:


R — Сопротивление резисторов обратной связи
C — Емкость конденсаторов обратной связи
N — Количество каскадных цепей RC

Однако комбинация сети RC-генератора работает как аттенюатор и на некоторое количество ослабляет сигнал при прохождении через каждый RC-каскад. Таким образом, усиление по напряжению усилительного каскада должно быть достаточным для восстановления потерянного сигнала.

Наиболее распространенной схемой RC-генератора является RC-генератор с фазовым опережением на операционном усилителе.

[Фазовый RC-генератор операционного усилителя]

RC-цепь должна быть подключена к инвертирующему входу операционного усилителя, что делает его конфигурацией инвертирующего усилителя. Инвертирующая конфигурация дает 180 градусов фазового сдвига на выходе, что в сумме дает 360 градусов в сочетании с RC-цепочками.

Другой конфигурацией RC-генератора является генератор фазовой задержки операционного усилителя.

[Операционный усилитель с фазовой задержкой RC-генератора]

 

[Уравнение RC-генератора с фазовой задержкой операционного усилителя]

LC-генератор

LC или индукторно-конденсаторный генератор представляет собой тип генератора, в котором используется колебательный контур для создания положительной обратной связи для поддержания колебаний. Схема содержит катушку индуктивности, конденсатор, а также усилительный компонент.

Принцип работы

Цепь бака представляет собой конденсатор и катушку индуктивности, соединенные параллельно, на приведенной выше схеме также показаны переключатель и источник напряжения для простоты демонстрации принципа работы, когда переключатель подключает конденсатор к источнику напряжения, конденсатор заряжается.


Когда переключатель соединяет конденсатор и катушку индуктивности, конденсатор разряжается через катушку индуктивности. Увеличивающийся ток через индуктор начинает накапливать энергию, индуцируя электромагнитное поле вокруг катушки.

Когда переключатель соединяет конденсатор и катушку индуктивности, конденсатор разряжается через катушку индуктивности. Увеличивающийся ток через индуктор начинает накапливать энергию, индуцируя электромагнитное поле вокруг катушки. После разрядки конденсатора энергия от него передается в катушку индуктивности в виде электромагнитного поля.По мере уменьшения потока энергии от емкости уменьшается ток через индуктор, что приводит к падению электромагнитного поля индуктора. Из-за электромагнитной индукции индуктор создаст обратную ЭДС, равную L(di/dt), противодействующую изменению тока. Затем эта обратная ЭДС начинает заряжать конденсатор. Как только конденсатор поглотил энергию магнитного поля индуктора, энергия снова сохраняется в виде электростатического поля внутри конденсатора.

Если бы у нас были идеальные катушка индуктивности и конденсатор, эта схема могла бы генерировать колебания вечно. Однако у конденсатора есть утечка тока, а у катушек индуктивности есть сопротивление. Однако в реальной жизни колебания будут выглядеть так, как показано ниже, поскольку энергия теряется. Эти потери называются демпфированием.

[Затухание генератора в моделировании]

Если мы хотим поддерживать колебания, нам необходимо компенсировать потерю энергии из колебательного контура путем добавления в контур активных компонентов, таких как биполярные транзисторы, полевые транзисторы или операционные усилители.Основная функция активных компонентов состоит в том, чтобы добавить необходимое усиление, помочь создать положительную обратную связь и компенсировать потерю энергии.

Настроенный коллекторный осциллятор


Настроенный коллекторный генератор представляет собой трансформатор и конденсатор, соединенные параллельно и переключаемые транзистором. Эта схема является самой простой схемой LC-генератора. Первичная обмотка трансформатора и конденсатор образуют колебательный контур, а вторичная обмотка обеспечивает положительную обратную связь, которая возвращает часть энергии, произведенной колебательным контуром, на базу транзистора.

Осциллятор Колпитца

Генератор Colpitts представляет собой LC-танковый генератор, который очень распространен в радиочастотных приложениях. Он подходит для приложений до нескольких сотен мегагерц. Эта схема состоит из двух последовательно соединенных конденсаторов, образующих делитель напряжения, обеспечивающий обратную связь с транзистором, с дросселем, включенным параллельно. Хотя этот осциллятор относительно стабилен, его может быть сложно настроить, и он часто реализуется со схемой эмиттерного повторителя, чтобы не нагружать резонансную цепь.


Генератор Клаппа

Чтобы преодолеть трудности с настройкой генератора Колпитца на определенную частоту в производстве, часто добавляют переменный конденсатор последовательно с катушкой индуктивности, образуя генератор Клаппа. Эта модификация позволяет настраивать схему во время производства и обслуживания на конкретную требуемую частоту. К сожалению, этот тип LC-генератора все еще весьма чувствителен к колебаниям температуры и паразитным емкостям.


Керамический резонатор

Пьезоэлектрический керамический материал с двумя или более металлическими электродами (обычно 3) образует основу керамического резонатора.В электронной схеме пьезоэлектрический элемент резонирует механически, что генерирует колебательный сигнал определенной частоты — как камертон. Керамические резонаторы имеют низкую стоимость; однако допуск по частоте керамических резонаторов составляет всего около 2500–5000 частей на миллион. Этот допуск от 0,25% до 0,5% заданной частоты не подходит для точных приложений, но может обеспечить значительную экономию средств, когда не требуется абсолютная точность.

[Керамические резонаторы Murata: источник]

При частотах от ниже 1 кГц до более 1 ГГц существует ряд различных материалов и режимов вибрации, которые используются в керамических резонаторах.Может быть важно понять метод резонанса, используемый в устройстве, которое вы размещаете в своем проекте. Факторы окружающей среды, такие как вибрация и удары, могут повлиять на работу резонатора в вашей схеме.

[Режим вибрации и диапазон частот: источник]

Кварцевый осциллятор

Кварцевый генератор является наиболее распространенным типом кварцевого генератора на рынке. Там, где важны точность и стабильность, в первую очередь выбирают кварцевые генераторы и их варианты.Стабильность кварцевого генератора измеряется в ppm (частях на миллион), и стабильность может составлять от 0,01% до 0,0001% при температуре от -20 до +70 градусов Цельсия, в зависимости от конкретного устройства. Стабильность RC-генератора может в лучшем случае составлять 0,1%, а LC 0,01%, чаще всего они составляют около 2% и очень чувствительны к изменениям температуры. Кварцевый кристалл может колебаться с очень небольшой мощностью, необходимой для его работы по сравнению со многими другими генераторами, что делает их идеальными для приложений с низким энергопотреблением.

Когда кристалл подвергается ударному возбуждению либо физическим сжатием, либо, в нашем случае, приложенным напряжением, он будет механически вибрировать с определенной частотой.Эта вибрация будет продолжаться некоторое время, создавая переменное напряжение между его выводами. Такое поведение является пьезоэлектрическим эффектом, таким же, как в керамическом резонаторе. По сравнению с LC-контуром колебания кристалла после начального возбуждения будут длиться дольше — результат естественного высокого значения добротности кристалла. Для высококачественного кварцевого кристалла добротность 100 000 не является редкостью. LC-схемы обычно имеют добротность около нескольких сотен. Однако даже при гораздо более высоком Q они не могут резонировать вечно.Есть потери от механической вибрации, поэтому ему нужна усилительная схема, такая как RC- и LC-генераторы. Для большинства устройств, которые используют внешний кварцевый источник тактового сигнала, он будет интегрирован в устройство, и единственными необходимыми дополнительными компонентами являются нагрузочные конденсаторы. Нагрузочные конденсаторы необходимы; если их емкость неверна, генератор не будет стабильным. Как правило, техническое описание генератора будет содержать рекомендуемые значения или уравнение для расчета правильного значения для вашей схемы.

Что еще нужно учитывать:

  1. Поместите конденсаторы и кристалл кварца как можно ближе к микроконтроллеру
  2. Используйте как можно более короткие и широкие дорожки для предотвращения паразитной индуктивности.

Существует множество вариантов кварцевого генератора; однако, помимо типичного кристалла или «XO», вы обычно будете использовать другие варианты только для специализированных приложений. Эти специализированные генераторы могут быть очень дорогими и иметь удивительно стабильные и точные колебания в невероятно сложных условиях, где требуется абсолютная точность.Подавляющему большинству проектов не потребуется ничего, кроме TCXO из списка ниже, но вы можете найти их интересными для дальнейшего изучения.

Этот список взят из Википедии:

Модули кварцевого генератора

Предположим, вы ищете точный источник тактового сигнала для приложения, в котором нет схемы усиления для использования кварцевого генератора. В этом случае модуль генератора может быть отличным решением. Эти модули имеют все необходимые встроенные схемы для обеспечения усиленных и буферизованных тактовых импульсов для любого требуемого приложения.Как и во многих полностью интегрированных устройствах, вы платите за удобство, цены обычно намного выше, чем у самого кварцевого генератора, и они занимают большую площадь. Несмотря на это, они все еще могут быть меньше, чем схема усиления генератора и буфера, и не беспокоятся о стабильности.

Большинство модулей генератора имеют кварцевый и инверторный затвор CMOS с использованием схемы генератора Пирса. Хотя КМОП-инверторы менее стабильны и имеют более высокое энергопотребление, чем генераторы на основе транзисторов, вентили на основе КМОП-инверторов просты и полностью применимы во многих приложениях.

Генераторы МЭМС

МЭМС или микроэлектромеханические системные генераторы представляют собой синхронизирующие устройства, основанные на технологии МЭМС, и являются относительно новой технологией. Генераторы MEMS состоят из резонаторов MEMS, операционных усилителей и дополнительных электронных компонентов для установки или регулировки их выходных частот. Генераторы MEMS часто включают в себя контуры фазовой автоподстройки частоты, которые создают выбираемые или программируемые выходные частоты.

Работа резонаторов MEMS похожа на крошечный камертон, который звенит на высоких частотах.Поскольку устройства МЭМС имеют небольшие размеры, они могут звонить на очень высоких частотах, а их настроенные резонансные структуры воспроизводят частоты от десятков кГц до сотен МГц.

Резонаторы МЭМС

имеют механический привод и делятся на две категории: электростатические и пьезоэлектрические. В первую очередь, генераторы MEMS будут использовать электростатическую трансдукцию, поскольку резонаторы с пьезоэлектрической трансдукцией недостаточно стабильны. Резонаторы MEMS с пьезоэлектрическим преобразованием находят применение в приложениях фильтрации.

Одним из основных преимуществ генераторов MEMS является то, что они могут использоваться для нескольких нагрузок, заменяя несколько кварцевых генераторов в цепи. Эта функция может значительно снизить цену и площадь платы, используемую схемой генератора. По сравнению с другими схемами генератора, даже с кварцевыми генераторами, энергопотребление устройств MEMS чрезвычайно низкое из-за меньшего потребляемого тока ядра. Низкое энергопотребление может позволить устройствам, работающим от батареи, работать значительно дольше или свести на нет необходимость отключать первичную цепь генератора для экономии энергии.Генераторы MEMS, в отличие от других генераторов, не требуют для работы каких-либо внешних компонентов, что обеспечивает дополнительную экономию места и средств. Ранние генераторы MEMS несколько боролись со стабильностью, и на рынке есть варианты со стабильностью частоты +/- 8 частей на миллиард, если вы готовы за это платить.

Кремниевые осцилляторы

Как упоминалось в начале статьи, многие устройства имеют встроенные в кремний генераторы. Кремниевые генераторы в основном такие же, только в отдельном корпусе.Эта интегральная схема представляет собой полную схему RC-генератора, построенную из кремния. Он обеспечивает лучшее согласование и компенсацию, которые вы обычно можете получить с аналогичной стоимостью, используя пассивные компоненты в меньшем корпусе. Кремниевые генераторы могут быть отличным подспорьем для устройств, которые будут подвергаться ударам или вибрациям, поскольку они не имеют механически резонансных элементов. На большинстве веб-сайтов поставщиков вы найдете их в категории «Интегральные схемы», а не в категории «Генераторы».

В дополнение к преимуществам по сравнению с другими генераторами в суровых условиях, кремниевый генератор обычно является программируемым. Возможности программирования зависят от конкретного устройства; однако обычно используется резистор для задания частоты или интерфейс SPI / I2C. Хотя кремниевые генераторы обычно имеют относительно низкую погрешность частоты около 1-2%, они компактны и требуют только внешнего блокирующего конденсатора источника питания. Они могут быть недорогой альтернативой другим типам генераторов в неточных приложениях.

Резюме

Выбрать оптимальный источник синхронизации непросто. Есть много факторов, таких как общая стабильность, чувствительность к температуре, вибрации, влажности, электромагнитным помехам, стоимость, размер, энергопотребление, сложная компоновка и дополнительные компоненты.

Существует множество приложений, в которых подходят встроенные RC- или кремниевые генераторы, поскольку эти приложения не требуют дополнительной точности. Использование внутреннего генератора может сэкономить время проектирования, затраты и снизить инженерные риски.Однако современные приложения все чаще требуют высокой точности, что требует использования внешнего генератора, такого как кварцевый, керамический или МЭМС.

Например, для высокоскоростного USB требуется минимальная точность частоты 0,25 %, в то время как некоторые другие внешние средства связи могут корректно работать с источниками тактовых импульсов со стабильностью 5 %, 10 % или даже 20 %. Другие высокоскоростные шины и радиочастотные приложения часто требуют гораздо большей точности частоты, чем USB.

Потребляемая мощность генераторов для микроконтроллеров зависит от тока питания усилителя обратной связи и используемых значений емкости.Потребляемая мощность этих усилителей в основном зависит от частоты, поэтому, если вы хотите разработать устройство с очень низким энергопотреблением, рассмотрите возможность снижения тактовой частоты до минимума, при котором ваше устройство все еще может выполнять свою работу. Часто вы обнаружите, что микроконтроллер имеет много оставшихся тактов, и все они потребляют ненужную энергию.

Цепи с керамическими резонаторами обычно имеют более высокие значения емкости нагрузки, чем схемы с кварцевыми резонаторами, и потребляют еще больший ток, чем схемы с кварцевыми резонаторами, использующие тот же усилитель.Для сравнения, модули кварцевых генераторов обычно потребляют от 10 мА до 60 мА тока питания из-за включенных функций температурной компенсации и управления.

На рынке доступно множество типов осцилляторов, каждый из которых имеет свои плюсы и минусы. Для приложений общего назначения, где синхронизация не является абсолютно критичной, вы можете использовать практически любое генераторное устройство или схему, которая удовлетворяет требованиям по частоте. Для более точных схем вы можете рассмотреть более дорогие устройства, такие как генераторы MEMS, которые могут обеспечить стабильность частоты частей на миллиард даже в большом диапазоне температур, однако рассчитывайте заплатить десятки или сотни долларов за генератор.

Если вы создаете контроллер светодиодов или аналогичные схемы, которым нужен только микроконтроллер для запуска некоторого кода управления или пользовательского интерфейса, встроенный RC-генератор предоставит вам все, что вам нужно. Предположим, вы работаете над глубоководным аппаратом, который может точно отслеживать свое местоположение. В этом случае осциллятор со стабильностью всего несколько частей на миллиард в широком диапазоне температур может быть минимумом, который вам может сойти с рук. Чем теснее вы хотите интегрировать данные датчиков или чем более узкую полосу частот вы хотите использовать для радиосвязи, тем более стабильным должен быть ваш осциллятор.Предположим, вы существенно увеличиваете свою частоту, например. В этом случае вы создаете гигагерцовый сигнал от мегагерцового генератора, тем более стабильным вам потребуется генератор, поскольку любая ошибка будет увеличиваться.

Есть еще вопросы? Позвоните специалисту Altium.

 

.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.