Jak działa kryształ kwarcu?

Czy możesz wyjaśnić, jak działa kryształ kwarcu, może za pomocą prostych schematów z podstawowymi rzeczami? Wiem, że działa jak rodzaj stabilizatora oscylatora, ale nic więcej.

Kwarc jest materiałem piezoelektrycznym, co oznacza, że ​​po jego mechanicznym odkształceniu powstają ładunki na jego powierzchni. Podobnie umieszczenie ładunków na jego powierzchni powoduje naprężenia mechaniczne w krysztale. Sposób, w jaki kryształ kwarcu korzysta z obwodu, polega na tym, że mechanicznie kryształ działa podobnie jak kamerton, z naturalną częstotliwością rezonansową, a właściwość piezoelektryczna pozwala na połączenie tego w obwód elektroniczny. Ponieważ częstotliwość rezonansowa zależy głównie od wielkości fizycznej i kształtu kwarcu, otrzymujesz referencję częstotliwości, która jest znacznie mniej wrażliwa na temperaturę niż przy użyciu tylko obwodów LC.

Istnieją już dwie świetne odpowiedzi, więc postaram się podać inne wyjaśnienie tego samego.

tło

Tak więc w oscylatorze Pierce masz system cyfrowy podłączony do oscylatora kryształowego.

Prawdopodobnie już widziałeś, jak zmienia się stan bramek logicznych z określonym czasem narastania. Jeśli poświęcisz trochę czasu na poznanie kompatybilności elektromagnetycznej lub po prostu szybkiego projektowania cyfrowego (najlepsza książka na świecie autorstwa Johnsona ), dowiesz się, że można na to patrzeć jako na szeroki zakres częstotliwości.

Co robi kryształ

Są dwa sposoby patrzenia na to, co robi kryształ, z dziedziny częstotliwości i dziedziny czasu. Zacznę od dziedziny częstotliwości ze względu na osobiste preferencje. Naciskam na każdego inżyniera elektryka, z którym współpracuję, aby znalazł się w domu z dziedziną częstotliwości; wiele problemów staje się tutaj prostych, a skomplikowane odpowiedzi mają znaczenie.

Domena częstotliwości

Z punktu widzenia dziedziny częstotliwości kryształ jest filtrem o bardzo określonej częstotliwości z bardzo wysokim współczynnikiem Q (jakości). Oznacza to, że ze wszystkich generowanych częstotliwości, dopuszczasz tylko określoną częstotliwość, przez którą przepuszcza kryształ.

Domena czasu

Innym sposobem jest pomyślenie o przywiązanej do siebie bramie. Gdyby nic tam nie było, utworzyłoby falę kwadratową o częstotliwości równej opóźnieniu, ale ta częstotliwość nie jest wyjątkowo niezawodna, a także będzie się różnić w zależności od wielu parametrów produkcyjnych. Tutaj wpływa na to kryształ. Jeśli kryształ ma na sobie wznoszącą się krawędź, będzie „przepuszczał” sygnał tylko na częstotliwości, dla której wybrał. Nagle fala prostokątna 100 MHz staje się falą sinusoidalną 20 MHz z powodu kryształu.

Trochę dodatkowej myśli

Zastanawiasz się, dlaczego oscylatory pobierają tak duży prąd? Ładujesz i rozładowujesz pojemność w obwodzie oscylatora 20 milionów razy na sekundę. Ponadto dla wszystkich cykli zegara wiele tranzystorów w twoim obwodzie robi to samo. jeśli nie potrzebujesz prędkości, oscylator 32 kHz kosztuje bardzo mało mocy na mikrokontrolerach.

Daj mi znać, jeśli mogę być bardziej przejrzysty.

Z Wikipedii :

Kryształ oscylatora ma dwie elektrycznie przewodzące płytki, między którymi znajduje się plasterek lub kamerton z kryształu kwarcu. Podczas uruchamiania obwód wokół kryształu przykłada do niego losowy sygnał AC szumu, i przypadkowo niewielka część szumu będzie przy częstotliwości rezonansowej kryształu. Kryształ zacznie zatem oscylować w synchronizacji z tym sygnałem. Gdy oscylator wzmacnia sygnały wychodzące z kryształu, sygnały w paśmie częstotliwości kryształu stają się silniejsze, ostatecznie dominując na wyjściu oscylatora. Wąskie pasmo rezonansowe kryształu kwarcu odfiltrowuje wszystkie niepożądane częstotliwości.

Chciałbym wspomnieć o kilku dodatkowych - raczej ważnych - cechach:

• Kwarc może pracować szeregowo, jak również równolegle, rezonansowo (jednak obie częstotliwości rezonansowe są do siebie bardzo zbliżone);

• W niektórych zastosowaniach (w szczególności w oscylatorach opartych na tranzystorach, takich jak typ Pierce'a) kwarc jest używany NIE jako obwód rezonansowy, ale jako wysokiej jakości cewka indukcyjna .