Как работает Кристалл?

В частности, 2-контактный и 4-контактный кварцевый кварцевый генератор.

Что я знаю: ток подается, и кристалл колеблется, чтобы обеспечить колебательный сигнал.

Что я хочу знать: как вибрация вызывает колебательный ток? Чем отличаются 2/4-контактные кристаллы? И наконец, почему 4-контактный может работать в одиночку, а 2-контактный нужны конденсаторы.

Эти устройства с двумя штифтами не являются осцилляторами, они являются резонаторами (кристаллы), которые могут быть использованы в схеме генератора (например, Pierce oscillato г), а при использовании с правильной схемой будут колебаться в точке (или вблизи) отмеченную частота , Схема генератора Пирса, показанная ниже, использует два конденсатора (нагрузочные конденсаторы, C1 / C2), кристалл (X1) и усилитель (U1).

Эти устройства с четырьмя контактами являются полными схемы в том числе резонатора и активной схемы , которая колеблется. Они требуют питания и выводят прямоугольную или синусоидальную волну на (или около) отмеченной частоте.

Существуют также (керамические) резонаторы с тремя контактами, которые действуют как кристаллы с конденсаторами.

Принцип работы кристаллов (и керамических резонаторов) состоит в том, что они изготовлены из пьезоэлектрического материала, который создает напряжение при искажении формы. Подаваемое напряжение вызовет искажение формы. Кристалл сделан в форме, которая будет физически резонировать (например, камертон или тарелка) на желаемой частоте. Это означает, что кристалл будет действовать как фильтр - когда вы применяете желаемую частоту, после вибрации он будет выглядеть как высокий импеданс, а для частот, немного отличающихся, он будет более потерянным. При включении в цепь обратной связи усилителя колебание будет самоподдерживающимся. Гораздо больше и немного математики здесь .

Если вы думаете о кристалле как о крошечном колокольчике, легко увидеть, как, если вы ударите его крошечным молотком, он будет звучать чистым тоном, как большой колокол, если вы ударите по большому колоколу маленьким молоток.

Это именно то, что делает кристалл, но хитрость в том, что он сделан из пьезоэлектрического материала, который вырабатывает электричество при ударе по нему и меняет форму при ударе электрическим током.

Чтобы он непрерывно воспроизводил этот чистый колоколообразный звук, он подключен к усилителю, который работает так же, как кто-то толкает вас на свинге, так что, когда вы доберетесь чуть выше пика одного свинга, они дадут вам толчок к убедитесь, что вы вернулись на следующий.

Пьезоэлектрическая природа кристалла заставляет его менять форму, когда выходной сигнал усилителя «толкает» его электрическим сигналом, а затем, когда усилитель отпускает его, кристалл отскакивает назад и генерирует собственный сигнал, который говорит «толкни меня» и отправляет Это на вход усилителя в нужное время, чтобы усилитель генерировал еще один импульс и восстанавливал цикл навсегда.

Так что заставляет кристалл начать колебаться?

Шум.

Повсюду шум, и это как миллионы крошечных молотков, которые бьют все время.

Часть этого шума попадает в кристалл, и когда он подключается к усилителю и начинает немного звонить от шумовых ударов, усилитель получает электрический сигнал от физического звонка (частоты) кристалла, создает его и отправляет его вернуться к кристаллу. Это делает кристалл еще более изменяющим форму, посылая больший сигнал обратно в усилитель, когда форма кристалла возвращается назад, пока система не будет непрерывно колебаться и не станет стабильной.

Кристалл не колеблется сам по себе. Вы не просто прикладываете силу и не получаете колебаний. Думайте о кристалле как о очень точном и резком частотном фильтре. Вы правильно помещаете его в тракт обратной связи усилителя, и это вызывает колебание схемы на резонансной частоте кристалла. Это схема, которая вызывает колебания. Они кристалл убивает все частоты, кроме той, на которую он настроен, что позволяет только достаточному общему усилению контура колебаться на частоте кристалла.

Кристаллы ниже своей резонансной частоты выглядят в основном емкостными. Выше их резонансной частоты они кажутся в основном индуктивными. На своей резонансной частоте они выглядят в основном резистивными.

Повторно нарисуйте генератор Пирса три раза, заменив кристалл одним из этих компонентов. Это может помочь вам понять, как это работает.

Параллельные резонансные кристаллы фактически указаны немного ниже основной частоты. Это делает кристалл немного емкостным на заданной частоте. Дополнительная емкость добавляет немного дополнительного фазового сдвига, чтобы помочь генератору запуститься и работать.

Вход усилителя видит больший сигнал вблизи фундаментального кристалла (резистивный, как правило, при 100 Ом ESR). Меньшие несочастотные сигналы уменьшаются или блокируются, поэтому сигнал на основной частоте становится сильнее (после усиления) и доминирует.

Толкни кого-нибудь на качелях. Независимо от того, как сильно вы стараетесь, свинг действительно будет двигаться только вперед и назад на некоторой основной частоте.

Вообразите кристалл как поверхность воды. Теперь пошлите рябь (волны) по этой поверхности. Рябь перемещает поверхность вверх и вниз, эффективно сгибая поверхность. Кристалл тоже изгибается при вибрации.

Изгиб может быть вызван приложением электрического поля к кристаллу кварца, но и сам изгиб создает противоположное электрическое поле в кристаллической решетке. В состоянии покоя эти силы уравновешены, и у кристалла нет заряда.

Что легче вибрировать рукой: линейка 12x1 дюйма или фанерный лист 6x4 фута? Очевидно, что меньшая линейка может вибрировать быстрее!

Кристаллы одинаковы. Их размеры определяют их резонансную частоту; меньшие и / или более тонкие кристаллы вибрируют быстрее. Это также то, что ограничивает основную частоту кристалла: кристаллы становятся слишком маленькими или слишком тонкими, чтобы точно обрабатывать их механической обработкой или химическим травлением на более высоких частотах.

На очень низких частотах кристаллы становятся такими большими или толстыми, что им требуется слишком много энергии, чтобы заставить их изгибаться; следовательно, кристалл камертона используется для низкочастотных тактовых кристаллов 32,768 кГц.

Кристаллы могут колебаться на более чем одной частоте. Это обертоны, кратные основному, но они, как правило, слабее основного. Можно разработать схему, которая заставит кристалл колебаться при обертоне, обычно третьем или пятом. Обычно кристаллы с частотой выше 40 МГц предназначены для 3-го или 5-го обертона, а не для основного, поэтому внимательно читайте спецификации перед покупкой!