Как работает кварцевый кристалл?

Не могли бы вы объяснить, как работает кварцевый кристалл, возможно, с простой схемой с основными вещами? Я знаю, что он действует как стабилизатор для генератора, но не более того.

Кварц является пьезоэлектрическим материалом, а это означает, что если вы механически деформируете его, он образует заряды на своей поверхности. Точно так же, если вы помещаете заряды на его поверхность, это вызывает механическое напряжение в кристалле. Способ, которым кварцевый кристалл приносит пользу схеме, состоит в том, что механически кристалл действует во многом как камертон с собственной резонансной частотой, и пьезоэлектрическое свойство позволяет этому быть связанным в электронную схему. Поскольку резонансная частота в основном определяется физическим размером и формой кварца, вы получаете опорную частоту, которая гораздо менее чувствительна к температуре, чем если бы вы использовали только LC-цепи.

Уже есть два отличных ответа, поэтому я просто попытаюсь дать другое объяснение одной и той же вещи.

Фон

Итак, в генераторе Пирса у вас есть цифровая система, подключенная к кварцевому генератору.

Теперь вы, наверное, видели, как логические элементы переключают состояние с заданным временем нарастания. Если вы потратите какое-то время на изучение электромагнитной совместимости или просто высокоскоростного цифрового дизайна (лучшей книгой из существующих является книга Джонсона ), вы поймете, что это можно рассматривать как широкий диапазон частот.

Что делает кристалл

Есть два способа взглянуть на то, что делает кристалл, из частотной области и из временной области. Я начну с частотной области из-за личных предпочтений. Я подталкиваю каждого электрика, с которым я работаю, к тому, чтобы стать дома с частотной областью; многие проблемы становятся простыми, а сложные ответы имеют смысл.

Частотная область

С точки зрения частотной области, кристалл - это фильтр на очень специфической частоте с очень высоким добротностью. Это означает, что из всех тех частот, которые вы генерируете, вы пропускаете только ту, которую пропускает кристалл.

Область времени

Другой способ - думать о воротах, привязанных к себе. Если бы там ничего не было, он бы создал прямоугольную волну с частотой, равной задержке, но эта частота не является чрезвычайно надежной, а также будет варьироваться в зависимости от многих производственных параметров. Вот где кристалл влияет на это. Если на кристалле расположен передний фронт, он будет «проходить» только через сигнал с выбранной частотой. Внезапно прямоугольная волна 100 МГц становится синусоидальной волной 20 МГц из-за кристалла.

Немного больше мысли

Интересно, почему генераторы тянут так много тока? Вы заряжаете и разряжаете емкость в цепи генератора 20 миллионов раз в секунду. Кроме того, для всех тактов многие транзисторы в вашей цепи делают то же самое. если вам не нужна скорость, то генератор на 32 кГц стоит очень мало энергии на микроконтроллерах.

Дайте мне знать, если я могу быть более ясным.

Из Википедии :

Кристалл генератора имеет две электропроводящие пластины, между которыми расположен срез или камертон кристалла кварца. Во время запуска цепь вокруг кристалла подает на него случайный шумовой сигнал переменного тока, и, случайно, крошечная доля шума будет на резонансной частоте кристалла. Поэтому кристалл начнет колебаться синхронно с этим сигналом. Когда осциллятор усиливает сигналы, выходящие из кристалла, сигналы в полосе частот кристалла будут становиться сильнее, в конечном итоге доминируя на выходе генератора. Узкая резонансная полоса кварцевого кристалла отфильтровывает все нежелательные частоты.

Я хотел бы упомянуть некоторые дополнительные - довольно важные - особенности:

• Кварц может работать как в последовательном, так и в параллельном резонансном режиме (однако, обе резонансные частоты довольно близки друг к другу);

• В некоторых приложениях (в частности, для транзисторных генераторов, таких как тип Пирса), кварц используется НЕ в качестве резонансного контура, а в качестве высококачественного индуктора .