Kryształy, oscylatory i rezonatory. Co za różnica?


65

Próbuję ustalić różnicę między kryształami, oscylatorami i rezonatorami. Zaczynam to rozumieć, ale wciąż mam pytania.

Z mojego zrozumienia, oscylator jest zbudowany z kryształu i dwóch kondensatorów. Czym jest rezonator? Czy to jest różnica terminologiczna?

Jeśli oscylator i rezonator są podobne, dlaczego te dwa elementy:

http://www.digikey.com/product-detail/en/HWZT-16.00MD/535-9379-ND/675574

http://www.digikey.com/product-detail/en/FCR16.0M2G/445-1646-ND/653108

mają dwa bolce i brak uziemienia. Podczas gdy ten

http://www.digikey.com/product-detail/en/ZTT-16.00MX/X908-ND/170095

ma trzy piny, z których jeden jest uziemieniem?

Czy którekolwiek z tych trzech urządzeń będzie działać jako zegar zewnętrzny dla mikrokontrolera?

PS: Punkty bonusowe za wyjaśnienie, w jaki sposób kondensatory pomagają kryształowi działać poprawnie. :)


2
electronics.stackexchange.com/a/17894/638 Ta odpowiedź zawiera niektóre szczegóły, dlaczego kryształy potrzebują kondensatorów.
W5VO

Dyskusja o kryształach a rezonatorach tutaj: electronics.stackexchange.com/a/20893/4512
Olin Lathrop

Odpowiedzi:


50

Zarówno rezonatory ceramiczne, jak i kryształy kwarcu działają na tej samej zasadzie: wibrują mechanicznie, gdy do nich zostanie przyłożony sygnał prądu przemiennego. Kryształy kwarcu są bardziej dokładne i stabilne temperaturowo niż rezonatory ceramiczne. Rezonator lub sam kryształ ma dwa połączenia. Po lewej stronie kryształu, po prawej rezonator ceramiczny.

wprowadź opis zdjęcia tutaj wprowadź opis zdjęcia tutaj

Jak mówisz, oscylator potrzebuje dodatkowych komponentów, dwóch kondensatorów. Aktywną częścią, która sprawia, że ​​oscylator działa, jest wzmacniacz, który dostarcza energię, aby utrzymać oscylację w ruchu.

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Niektóre mikrokontrolery mają oscylator niskiej częstotliwości dla kryształu 32,768 kHz, który często ma wbudowane kondensatory, tak że potrzebujesz tylko dwóch połączeń dla kryształu (po lewej). Większość oscylatorów wymaga jednak kondensatorów zewnętrznie, a następnie masz połączenia: wejście ze wzmacniacza, wyjście do wzmacniacza i uziemienie kondensatorów. Rezonator z trzema pinami ma zintegrowane kondensatory.

Funkcja kondensatorów: aby oscylować w zamkniętej pętli wzmacniacz-kryształ musi mieć całkowite przesunięcie fazowe o 360 °. Wzmacniacz odwraca się, więc to 180 °. Wraz z kondensatorami kryształ dba o pozostałe 180 °.

edytuj
Kiedy włączysz oscylator kwarcowy, to tylko wzmacniacz, nie uzyskasz jeszcze żądanej częstotliwości. Jedyną rzeczą, jaką jest hałas o niskim poziomie w szerokim paśmie. Oscylator wzmacnia ten hałas i przepuszcza go przez kryształ, na który ponownie wchodzi do oscylatora, który wzmacnia go ponownie i tak dalej. Czy nie powinno to powodować zbyt dużego hałasu? Nie, właściwości kryształu są takie, że będzie on przekazywał tylko bardzo niewielką ilość szumu wokół częstotliwości rezonansowej. Cała reszta zostanie osłabiona. W końcu pozostaje tylko częstotliwość rezonansowa, a następnie oscylujemy.

Możesz to porównać z trampoliną. Wyobraź sobie grupę dzieci skaczących na nią losowo. Trampolina niewiele się porusza, a dzieci muszą się wysilić, aby skoczyć zaledwie 20 cm w górę. Ale po pewnym czasie zaczną się synchronizować, a trampolina podąży za skokiem. Dzieci będą skakać coraz wyżej przy mniejszym wysiłku. Trampolina będzie oscylować przy częstotliwości rezonansowej (około 1 Hz) i ciężko będzie skakać szybciej lub wolniej. To częstotliwości, które zostaną odfiltrowane.
Dziecko skaczące na trampolinie jest wzmacniaczem, dostarcza energię, aby utrzymać oscylację.

Dalszy odczyt
MSP430 32 kHz oscylatory kwarcowe


1
Dzięki za świetną odpowiedź. Teraz dostaję problem z kryształami, oscylatorami i rezonatorami. Otworzyło mi to kolejne pytanie. Czy mC dostarcza stały „tik” do oscylatora, który oscylator wzmacnia pod względem wielkości? Czy może mC wysyła sygnał do wejścia oscylatora, następnie oscylator czeka przez pewien czas, a następnie oscylator wysyła sygnał do mC, który rozpoczyna proces od nowa?
Alexis K,

@AlexisK - Nie, to nie tak. Wibracje trwają nieprzerwanie, a wzmacniacz wciąż przesuwa kryształ w tym samym tempie. Zobacz edycję mojej odpowiedzi.
stevenvh,

Nie mam na myśli, że musisz być zbyt rygorystyczny, ale twoje wyjaśnienie zasady działania oscylatora, jeśli nie jest całkowicie błędne, jest mylące. Kiedy mówisz: „Wzmacniacz odwraca się, więc to 180 °. Wraz z kondensatorami kryształ zajmuje się pozostałymi 180 °”. Tutaj pierwsze zdanie jest słuszne, ale drugie jest po prostu bzdurą. Ponieważ pytanie dotyczy różnic, wystarczy proste wyjaśnienie, więc nie musisz być bardzo wyczerpujący na temat zasady działania. Wyjaśnienie dotyczące uruchomienia oscylatora również ma swoje problemy: jest bardziej jak huśtawka :)
Krauss

15

Aby odpowiedzieć na twoje pytanie, rezonator jest zasadniczo niskobudżetowym kryształem.

Oscylator to obwód wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym, dzięki czemu oscyluje, oraz „element określający częstotliwość”, który utrzymuje oscylację na pożądanej częstotliwości. Kryształ może być wykonany dla precyzyjnej częstotliwości i będzie dryfował bardzo niewiele, jeśli zmieni się temperatura lub pojemność błądząca. Jest również bardzo wydajny i wymaga bardzo małej mocy, aby utrzymać oscylację. Kryształy są zwykle wykonane z kwarcu i płacisz za wszystkie powyższe funkcje.

Rezonatory wykonane są raczej z elementów ceramicznych niż z kwarcu. Nie utrzymują również swojej częstotliwości. Może to nie być ważne dla mikroprocesora, ale będzie ważne, jeśli obwód jest używany w radiu, zegarze lub innych aplikacjach o krytycznym czasie. Kosztują mniej i dlatego są stosowane tam, gdzie stabilność nie jest tak ważna.

Mikroprocesory często mają wbudowaną „część wzmacniacza”, więc wystarczy, że dodasz rezonator lub kryształ. W przeciwnym razie albo zbudujesz obwód oscylatora, albo możesz kupić „moduł oscylatora”, który zawiera wszystkie niezbędne elementy w puszce. Musisz dostarczyć zasilanie do modułu oscylatora.

W przypadku poziomów czasowych „nie przejmuj się” niektóre mikroprocesory pozwalają na zastosowanie obwodu RC (rezystor i kondensator) jako elementu determinującego częstotliwość. Microchip PIC ma nawet wszystko wbudowane.


Korzystając z naszej strony potwierdzasz, że przeczytałeś(-aś) i rozumiesz nasze zasady używania plików cookie i zasady ochrony prywatności.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.