Krystalloscillator
Denne artikkelen er for tiden kvalitetssikret i WikiProjekt Electrical Engineering til portalen Electrical Engineering . Hvis du er kjent med temaet, er du velkommen til å delta i gjennomgangen og mulig forbedring av artikkelen. Diskusjonen om dette finner du i diskusjonen ( skriv inn artikkelen "kvartsoscillator" ).
En kvartsoscillator er en elektronisk krets for å generere svingninger som inneholder en kvartsoscillator som en frekvensbestemmende komponent . I smalere forstand er en kvartsoscillator en ferdig oscillatorkrets som er innebygd i et hus sammen med den frekvensbestemmende kvartsoscillatoren og er tilgjengelig som en standardkomponent.
Krystalloscillatorer er veldig presise når det gjelder frekvensen (antall oscillasjoner per tidsperiode ) og har avvik på vanligvis mindre enn 100 ppm . Andre vanlige elektroniske oscillatorkretser, f.eks. B. de med LC-resonanskretser er mye mindre presise med avvik fra den nominelle frekvensen på mer enn 1% (10.000 ppm). I praksis kan kvartsoscillatoren ofte finnes som en klokkegenerator for prosessorer , mikrokontrollere , radioenheter og i kvartsklokker .
Billige, men mindre presise keramiske resonatorer er alternativer med identiske bruksområder . Videre er det programmerbare MEMS-oscillatorer tilgjengelig hvis frekvensbestemmende element er et mikrosystem integrert i halvlederbrikken.
teknisk struktur
.jpg)
De som brukes i krystalloscillatorkretser som oscillerer krystaller, er vanligvis krystallplater , stenger eller gafler (som en innstillingsgaffel ), som kan bringes av elektrisk strøm til mekaniske deformasjoner, som igjen genererer en elektrisk spenning. Reaksjonen er gitt av de mekaniske vibrasjonsmodusene til den piezoelektriske krystall.
En kvartsoscillator er begeistret for spesielt sterke resonansvibrasjoner ved en vekselspenning av en viss frekvens, dens resonansfrekvens ( piezoelektriske lydgivere har også denne egenskapen ). Med et passende krystallklipp er det nesten uavhengig av miljøpåvirkninger som temperatur eller amplitude og brukes derfor som en presis klokke med en langsiktig stabilitet bedre enn 0,0001%.
Oscillerende kvartsplater har to elektriske / mekaniske moduser som kan skilles elektrisk:
- Med serieresonans , er deres tilsynelatende motstand for vekselstrømmen spesielt lavt, og de oppfører seg som en seriekrets bestående av en spole og en kondensator.
- Ved parallell resonans er den tilsynelatende motstanden spesielt stor. Da oppfører de seg som en parallell forbindelse av kondensator og spole med den spesielle funksjonen at ingen likestrøm kan strømme (kvarts er en veldig god isolator).
Parallellresonansen er omtrent 0,1% høyere enn serieresonansen. En sammenlignbar vibrasjonsadferd kan også bli funnet ved tre, fem osv. Grunnfrekvenser. En kvarts med en resonansfrekvens på 9 MHz kan også fås til å svinge ved 27 MHz eller 45 MHz. Harmoniske krystaller som er spesielt egnet for dette, har en tilsvarende suspensjon for ikke å hindre disse overtonene.
Arbeidspunktet til kvartsoscillatoren i kvartsoscillatoren ligger mellom ovennevnte. Naturlig resonans. I dette frekvensområdet oppfører seg kvartskrystallet induktivt som en spole. Sammen med sin nominelle kapasitive belastning, svinger krystalloscillatoren ved sin nominelle lastresonansfrekvens. Mindre avvik fra den nominelle frekvensen kan genereres eller kompenseres ved å endre / avvike fra den nominelle lastekapasiteten.
Frekvensen er litt temperaturavhengig. For større krav til temperaturresponsen er det temperaturkompenserte oscillatorer (TCXO - engelsk temperaturkompensert krystalloscillator ). I de fleste tilfeller brukes termistorer , som genererer en kontrollspenning som motvirker den temperaturavhengige frekvensendringen til kvartset. Spenningen som genereres på denne måten blir vanligvis påført en kapasitansdiode slik at den endrede kapasitansen korrigerer frekvensen til kvartsoscillatoren.
Hvis det kreves enda høyere nøyaktighet, brukes en kvartsovn . Kvartset er innebygd i et temperaturstyrt hus for å minimere effekten av omgivelsestemperaturen. I den er kvartset elektrisk koblet til z. B. 70 ° C oppvarmet. Dette designet er OCXO ( engelsk ovnstyrt krystalloscillator ). "X" står for Xtal , den korte formen for Crystal .
arter
Integrert krets
Disse krystalloscillatorene er produsert med et metall- eller plasthus i nettdimensjonen til integrerte kretser . De leverer en logic- kompatible firkantbølge (et klokkesignal) med en meget presist definert frekvens. De krever en driftsspenning og inneholder alle komponentene som kreves for en oscillator. Hyppigheten av disse krystalloscillatorkomponentene er vanligvis trykt i megahertz på toppen av huset. Unøyaktigheten til frekvensen er gitt i ppm . Jo lavere denne unøyaktigheten er, desto mer kompleks (og derfor dyrere) komponenten er.
Vanlige design for push-through montering er DIP 14 (rektangulær, se bilde) og den kortere design DIP 8 (firkantet). Det er også krystalloscillatorer i mindre chiphus som overflatemonterte enheter (SMD). Vanlige forsyningsspenninger er basert på tilførselen av digitale kretser som 1,8 V, 2,5 V eller 3,3 V og 5 V som ofte ble brukt tidligere for transistor-transistorlogikk (TTL).
Pierce krets
Spesielt innen digital teknologi brukes logiske porter , vanligvis omformere med Schmitt trigger- innganger, for å generere kloksignaler . Den aktuelle kretsen kalles en Pierce-krets og er preget av en enkel struktur uten spoler . Invertertrinnet U 1 , som vist på figuren ved siden av, kan også være en del av integrerte kretser (IC), hvorved bare kontaktpinnene for den oscillerende krystall X for å bli koblet eksternt føres ut på IC- (vanligvis merket med betegnelser slike som XTAL ). Denne oscillatoren kan også implementeres ved hjelp av CMOS-omformerstadier , og det er derfor den er mye brukt i praksis.
I denne kretsen svinger kvartset i parallell resonans og tillater bare svingninger i henhold til dens grunnleggende frekvens. Kretsen kan brukes for alle krystallfrekvenser mellom omtrent 30 kHz og 10 MHz uten større endringer; den genererte frekvensen kan endres litt ved å variere de to kondensatorene C 1 og C 2 .
Den andre vekselretter fasen U 2 tjener som et forsterkertrinn og pulsform: U 2 genererer en firkantbølge ved utgangen , som kan anvendes direkte som et klokkesignal for digitale kretser, slik som klokkestyrt flip-flops eller mikroprosessorer .
Diskret struktur
Denne kretsen er dimensjonert for høyere frekvenser og genererer - avhengig av resonansfrekvensen til den oscillerende kretsen - enten 15 MHz eller 45 MHz. Resonanskretsen må innstilles til frekvensen til den merkelige harmonikken til kvartset du vil generere. Synkroniseringen av frekvensene til kvarts- og svingekretsen kan gjenkjennes av den plutselige endringen i spenningen mellom målepunktene A og B. Det som er slående med denne kretsen er mangelen på synlig tilbakemelding. Likevel fungerer denne kretsen fordi transistoren har interne kapasitanser mellom kollektor og emitter, så vel som mellom base og emitter.
Funksjon: Hvis du skulle erstatte kvartset med en kondensator med tilstrekkelig kapasitet (noen få nF), ville du ha en transistorforsterker i felles base , slik det ofte brukes i VHF-forsterkere. Denne kretsen har ingen faseforskyvning mellom inngangen på emitteren og utgangen på samleren. En liten kapasitans (noen få pF er tilstrekkelig) mellom samleren og emitteren kan brukes til å lage en tilbakemelding som gjør forsterkeren til en oscillator .
I den tilstøtende kretsen er den interne kapasitansen til transistoren mellom C og E tilstrekkelig for dette. Denne tilbakemeldingen skaper imidlertid en faseforskyvning som er mer ved 90 ° enn den nødvendige 0 °, fordi inngangsmotstanden til transistoren ikke også er en kondensator mellom basen og emitteren. Dette korrigeres med den lille 10 pF kondensatoren til venstre. Frekvensen til denne oscillatoren bestemmes av resonansfrekvensen til resonanskretsen ved samleren.
Hvis du nå bytter ut kondensatoren på basen - som vist - med en kvartsoscillator, kan oscillatoren bare svinge når basen er "kald" når det gjelder vekselstrøm , dvs. når kvartselementet har en spesielt lav vekselstrømmotstand . Dette er tilfelle med serieresonans og alle odde multipler. Ved alle andre frekvenser er forsterkningen av grunnkretsen for lav, og svingningene er ikke vifte.
Justerbare krystalloscillatorer
En kvartsoscillator ved å koble til en trimkondensator kan endres i frekvens i liten grad (noe ppm) er vanligvis VXO ( English Variable Crystal Oscillator - "X" står for Xtal, den korte formen for Crystal.) Kalt. Før tilgjengeligheten av nøyaktig produserte kvartsoscillatorer var slike trimmere nødvendige, for eksempel for å kalibrere nøyaktigheten til kvartsklokker . Hvis krystalloscillatoren ved hjelp av elektrisk spenning trimmer, er den (VCXO engelsk spenningsstyrt krystalloscillator , krystalloscillator med avskjærbar overspenningsfrekvens) nevnt. TCVCXO ( engelsk temperaturkompensert spenningsstyrt krystalloscillator ) eller OCVCXO ( engelsk ovnstyrt spenningsstyrt krystalloscillator ) står for temperaturkompenserte eller oppvarmede justerbare oscillatorer.
Kontrollspenningen kan, for. B. motvirke temperaturavhengighet eller aldring. Frekvensen kan vanligvis bare endres i størrelsesorden 100 spm. De brukes ofte i frekvensgeneratorer , kontrollerbare oscillatorer i faselåste sløyfer og andre høyfrekvente måle- og testutstyr.
litteratur
- Bernd Neubig, Wolfgang Briese: Den store kvarts kokebok . Franzis-Verlag, Feldkirchen 1997, ISBN 3-7723-5853-5 ( Kapitler som PDF [åpnet 12. september 2009] Tysk standardarbeid om kvartskrystaller og ledninger derav).
- Wes Hayward, Rick Campbell, Bob Larkin: Experimental Methods in RF Design . American Radio Relay League, Newington CT 2003, ISBN 0-87259-879-9 .
weblenker
- Eckart Moltrecht : oscillatorkretser med forklaring. Arkivert fra originalen 4. mars 2016 ; åpnet 13. februar 2017 .
- Grunnleggende om kvartsoscillatorer . (PDF, 256 kB); Søknadsnotat fra Hewlett-Packard (engelsk)
Individuelle bevis
- ↑ TCXOs - Informasjonsside for temperaturkompenserte krystalloscillatorer på Wenzel Associates-nettstedet, åpnet 6. september 2011
- ↑ Teknisk datablad ( siden er ikke lenger tilgjengelig , søk i nettarkiver ) Info: Linken ble automatisk merket som defekt. Sjekk lenken i henhold til instruksjonene, og fjern deretter denne meldingen. , Integrert krystalloscillator, Epson Toyocom
