Kryształowy oscylator: Układ elektryczny Częstotliwość i zasada działania
Kwarcowe oscylatory działają na zasadzie odwrotnego efektu piezoelektrycznego, w którym napiecie przemiennicze zastosowane na powierzchniach kryształu powoduje jego drgania z naturalną częstotliwością. To są właśnie te drgania, które ostatecznie przekształcają się w oscylacje.
Te oscylatory są zazwyczaj wykonane z kwarcu, pomimo że inne substancje, takie jak sól Rochelle'a i turmalin, również wykazują efekt piezoelektryczny, ponieważ kwarc jest tańszy, dostępny naturalnie i mechanicznie silniejszy w porównaniu do innych.
W kwarcowych oscylatorach, kryształ jest odpowiednio przycięty i zamontowany między dwoma metalowymi płytami, jak pokazano na Rysunku 1a, którego odpowiednik elektryczny przedstawiony jest na Rysunku 1b. W rzeczywistości, kryształ zachowuje się jak szeregowy obwód RLC, utworzony przez komponenty
Niskoważony rezystor RS
Wielka cewka LS
Mały kondensator CS
który będzie równoległy do pojemności elektrod Cp.
Ze względu na obecność Cp, kryształ będzie rezonował na dwóch różnych częstotliwościach, mianowicie:
Częstotliwość szeregowego rezonansu, fs która występuje, gdy szeregowa pojemność CS rezonuje z szeregową cewką LS. W tym momencie impedancja kryształu będzie najmniejsza, a więc ilość sprzężenia zwrotnego będzie największa. Matematyczne wyrażenie dla tego samego jest podane jako
Częstotliwość równoległego rezonansu, fp która występuje, gdy reaktancja LSCS równa się reaktancji równoległego kondensatora Cp tj. LS i CS rezonują z Cp. W tym momencie impedancja kryształu będzie najwyższa, a więc sprzężenie zwrotne będzie najmniejsze. Matematycznie można to przedstawić jako
Zachowanie kondensatora będzie pojemnicze zarówno poniżej fS i powyżej fp. Jednak dla częstotliwości, które leżą między fS i powyżej fp, zachowanie kryształu będzie indukcyjne. Ponadto, gdy częstotliwość stanie się równa częstotliwości równoległego rezonansu fp, interakcja między LS i Cp utworzy równoległy obwód LC. Dlatego kryształ można traktować jako kombinację szeregowego i równoległego obwodu rezonansowego, co oznacza, że trzeba dostroić obwód do jednego z nich. Ponadto należy zauważyć, że fp będzie wyższa niż fs a bliskość między nimi będzie zależała od cięcia i wymiarów używanego kryształu.
Kwarcowe oscylatory można zaprojektować, łącząc kryształ w obwodzie tak, aby oferował niską impedancję przy pracy w trybie szeregowego rezonansu (Rysunek 2a) i wysoką impedancję przy pracy w trybie antyrezonansowym lub równoległego rezonansu (Rysunek 2b).
W przedstawionych obwodach, rezystory R1 i R2 tworzą sieć dzieląca napięcie, podczas gdy rezystor emiterowy RE stabilizuje obwód. Ponadto, CE (Rysunek 2a) działa jako kondensator pomijający prąd przemienny, podczas gdy kondensator sprzęgający CC (Rysunek 2a) służy do blokowania propagacji sygnału stałoprądowego między zbiornikiem a bazą.
Następnie, kondensatory C1 i C2 tworzą sieć dzielącą napięcie pojemniczo w przypadku Rysunku 2b. Ponadto, w obwodach (zarówno na Rysunku 2a i 2b) znajduje się także cewka radiofrequencyjna (RFC), która oferuje podwójną korzyść, dostarczając zarówno stałe napięcie, jak i uwolniając wyjście obwodu od wpływu sygnału przemiennego na liniach zasilania.
Po zasileniu oscylatora, amplituda oscylacji w obwodzie rośnie, aż do momentu, w którym nieliniowości w wzmacniaczu zmniejszą wzmocnienie pętli do jedności.
Następnie, po osiągnięciu stanu ustalonego, kryształ w pętli sprzężenia zwrotnego mocno wpływa na częstotliwość działania obwodu. Ponadto, częstotliwość samoczynnie dostosuje się tak, aby umożliwić kryształowi prezentowanie reaktancji do obwodu, spełniającej wymagania fazowe Barkhausena.
Ogólnie, częstotliwość kwarcowych oscylatorów jest ustalona na podstawową lub charakterystyczną częstotliwość kryształu, która zależy od fizycznego rozmiaru i kształtu kryształu.
Jednak, jeśli kryształ nie jest równoległy lub ma nierównomierne grubości, może rezonować na wielu częstotliwościach, powodując harmoniczne.
Ponadto, kwarcowe oscylatory mogą być nastawione na parzyste lub nieparzyste harmoniczne podstawowej częstotliwości, które nazywane są odpowiednio oscylatorami harmonicznymi i nadtonowymi.
Przykładem tego jest sytuacja, w której częstotliwość równoległego rezonansu kryształu jest obniżana lub podnoszona poprzez dodanie kondensatora lub cewki na kryształ, odpowiednio.
Typowy zakres działania kwarcowych oscylatorów wynosi od 40 kHz do 100 MHz, gdzie oscylatory o niskiej częstotliwości są projektowane za pomocą wzmacniaczy operacyjnych, a oscylatory o wysokiej częstotliwości są projektowane za pomocą tranzystorów (BJT lub FET).
Częstotliwość oscylacji generowanych przez obwód jest określana przez szeregową częstotliwość rezonansową kryształu i nie jest wpływowana przez zmiany napięcia zasilania, parametry tranzystora itp. W rezultacie, kwarcowe oscylatory cechują się wysokim czynnikiem Q oraz doskonałą stabilnością częstotliwości, co sprawia, że są one najbardziej odpowiednie dla zastosowań o wysokiej częstotliwości.
Jednak należy zachować ostrożność, aby kryształ był napędzany optymalną mocą. Jeśli do kryształu dostarczona zostanie zbyt duża moc, mogą zostać pobudzone parasitarne rezonanse, co prowadzi do niestabilnej częstotliwości rezonansowej.
Ponadto, nawet kształt sygnału wyjściowego może być zniekształcony ze względu na degradację wydajności szumu fazowego. Ponadto, może to nawet doprowadzić do zniszczenia urządzenia (kryształu) wskutek przeogrzania.
Kwarcowe oscylatory są kompaktowe i tanie, dlatego są szeroko stosowane w systemach walki elektronicznej, systemach komunikacyjnych, systemach nawigacyjnych, mikroprocesorach, mikrokontrolerach, systemach śledzenia kosmicznego, przyrządach pomiarowych, urządzeniach medycznych, komputerach, systemach cyfrowych, instrumentacji, systemach z pętlą fazowo-zamkniętą, modemach, czujnikach, napędach dyskowych, systemach telekomunikacyjnych, systemach kontroli silników, zegarach, systemach nawigacji satelitarnej (GPS), systemach telewizji kablowej, kamerach wideo, zabawkach, grach wideo, systemach radiowych, telefonach komórkowych, zegarach, itp.
