цифровая электроника
вычислительная техника
встраиваемые системы

 
» » Что такое кварцевый резонатор и какова роль кварца в генерации частоты

Что такое кварцевый резонатор и какова роль кварца в генерации частоты

Автор: Mike(admin) от 7-03-2018, 16:55

Википедия сообщает нам, что кварц является вторым наиболее распространенным минералом на Земле. Он состоит из кремния и кислорода (не совсем экзотических элементов) в непрерывном каркасе кремнекислородных тетраэдров SiO4. Основываясь на этой информации, могли бы вы подумать, что кристаллы кварца станут широко распространенными электронными компонентами, которые будут функционировать как центральный элемент в бесчисленных высокопроизводительных схемах генерации частоты?


Что такое кварцевый резонатор и какова роль кварца в генерации частоты

Нет сомнений в том, что вы можете использовать кристаллы кварца, не зная о том, что они на самом деле из себя представляют: вы просто подключаете кристалл к некоторым контактам микроконтроллера, добавляете пару конденсаторов, и у вас есть генератор частоты. Тем не менее, желательно знать иногда немного больше компонентах и подсхемах, которые мы постоянно используем в наших проектах.


Возможно, вам никогда не понадобится точно знать, почему кусок кварца может превратить цепь обратной связи в генератор, но эта информация является частью обширной сети знаний, которая ведет нас к подлинному пониманию фундаментальных принципов электроники. Другими словами, нам иногда приходится сопротивляться склонности игнорировать детали – они могут оказаться маленькими линиями, которые соединяют большие точки.


Итак, ниже на рисунке представлена эквивалентная схема кварцевого кристалла.


эквивалентная схема кварцевого кристалла

Поясним: кварцевый кристалл представляет собой кварцевый кристалл. Если вы ударите по кристаллу молотком, он не распадется на катушку индуктивности, резистор и два конденсатора. Однако кристаллы кварца имеют электромеханические характеристики, которые заставляют кристалл вести себя в контексте электронной схемы, как совокупность пассивных компонентов, показанных выше.


Все эти компоненты в эквивалентной схеме чрезвычайно распространены. Может быть, вам будет интересно, почему мы вообще применяем кварцевый кристалл. Почему бы просто не использовать конденсаторы, катушки индуктивности и резисторы в одном устройстве? Ну, как мы увидим позже, вы никогда не сможете достичь эквивалентной производительности с помощью пассивных компонентов, особенно если учесть, насколько небольшой кварцевый кристалл по сравнению с этим набором.


Индуктивности и конденсаторы запасают энергию. Если вы подключите индуктивность и конденсатор таким образом, чтобы энергия могла течь между двумя компонентами, у вас получится резонансная цепь. В идеализированной схеме этот поток энергии «туда-сюда» будет продолжаться всегда, и у вас будет генератор частоты. В реальной схеме колебания уменьшаются по амплитуде (и в конечном итоге прекращаются), поскольку энергия рассеивается резистивными элементами, такими как провода или дорожки. Большее сопротивление означает, что колебания более «затухают», то есть амплитуда уменьшается быстрее. Q-фактор (добротность резонансного контура) обратно пропорционален сопротивлению, что означает, что более низкая величина Q соответствует колебаниям, которые быстрее угасают.


Резонанс происходит как в последовательно соединенных LC-цепях, так и в параллельных LC-цепях, и если вы посмотрите на эквивалентную схему, вы увидите, что кристалл имеет как последовательный, так и параллельный резонансный контур. Резонансная частота для последовательно соединенного индуктора и конденсатора соответствует стандартной формуле:


Резонансная частота для последовательно соединенного индуктора и конденсатора

Параллельный резонанс несколько сложнее. Такая резонансная частота рассчитывается следующим образом:


Резонансная частота для параллельно соединенного индуктора и конденсатора

Однако оказывается, что Cp намного больше Cs (например, может быть, в 2000 раз больше), а это означает, что CsCp / (Cs + Cp) приблизительно равно CsCp / Cp. Затем мы сокращаем Cp-составляющие и оставляем следующее:


Резонансная частота

Таким образом, две резонансные частоты очень близки друг к другу. Когда вы покупаете кристалл, он рассчитан на определенную частоту. Для всех практических целей можно сказать, что рабочая частота кристалла равна fSR.


Как уже упоминалось выше, вы не можете просто заменить кристалл эквивалентным набором пассивных компонентов. Почему? Ну, вам понадобится большая величина индуктивности при очень малых размерах, которая может достигать сотни Гн, или даже тысячи. Катушка таким номиналом будет иметь большие размеры и немалый вес. Кроме того, большая индуктивность кристалла сочетается с относительно небольшим сопротивлением, что приводит к очень высокой добротности контура.


Как вы знаете, индукторы и конденсаторы имеют реактивное сопротивление. Кристалл кварца также имеет реактивное сопротивление, хотя это реактивное сопротивление немного сложно из-за взаимодействия между тремя реактивными компонентами. На низких частотах доминирует емкостное сопротивление. По мере увеличения частоты реактивность уменьшается по величине и в конечном итоге достигает нуля при частоте fSR. После того, как реактивное сопротивление проходит через нуль при fSR, оно быстро возрастает до бесконечности, поскольку fPR немного выше fSR, а импеданс идеальной параллельной LC-цепи бесконечен на резонансной частоте.


Следует помнить, что кристалл кварца представляет собой кристалл, а не сам осциллятор. Для создания колебаний кристалл должен быть включен в схему, которая имеет типичные характеристики, характерные для осцилляторных цепей, а именно: усиление и обратная связь. Если вы посмотрите на классические топологии осциллятора, такие как Colpitts или Hartley, вы увидите усилитель, схему LC-аккумулятора (чтобы обеспечить резонанс) и соединение обратной связи – в генераторе Colpitts, например, обратная связь идет от узла между двумя конденсаторами к эмиттеру транзистора.


Что такое кварцевый резонатор и какова роль кварца в генерации частоты

Это основная идея, которая применима к кварцевым осцилляторам, поскольку кварцевый кристалл по существу является очень высокоэффективным резонансным элементом. Осциллятор Pierce (или Pierce-Gate) является общей топологией, используемой для создания цифровых колебательных систем; это выглядит следующим образом.


Что такое кварцевый резонатор и какова роль кварца в генерации частоты

Надеемся, что теперь у вас есть более ясное представление о том, что такое кварцевый кристалл, и что он делает в контексте электроники, а также как характеристики кварцевого кристалла могут приводить к колебаниям в сочетании с правильно спроектированной схемой.




© digitrode.ru


Теги: резонатор



   Благодарим Вас за интерес к информационному проекту digitrode.ru.
   Если Вы хотите, чтобы интересные и полезные материалы выходили чаще, и было меньше рекламы,
   Вы можее поддержать наш проект, пожертвовав любую сумму на его развитие.


Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.

Комментарии:

Оставить комментарий