Як працює кристал?

Зокрема, 2піновий та 4пінний кварцовий кристалічний генератор.

Що я знаю: подається струм і кристал коливається, щоб подати коливальний сигнал.

Що я хочу знати: як вібрація викликає коливальний струм? Чим відрізняються кристали 2 / 4пін? Нарешті, чому 4-контактний запуск може працювати один, а 2-піновим потрібні конденсатори.

Ці пристрої з двома штифтами не є осцилляторами, вони є резонаторами (кристали), які можуть бути використані в схемі генератора (наприклад, Pierce oscillato г), а при використанні з правильною схемою будуть коливатися в точці (або поблизу) зазначену частота . Схема осцилятора Пірса, показана нижче, використовує два конденсатори (навантажувальні конденсатори, С1 / С2), кристал (X1) і підсилювач (U1).

Ці пристрої з чотирма контактами є повними схеми в тому числі резонатора і активної схеми , яка коливається. Вони вимагають живлення та виведення квадратичної або синусоїдальної сигналу на (або поблизу) позначеної частоти.

Є також (керамічні) резонатори з трьома штифтами, які діють як кристали з конденсаторами.

Те, як працюють кристали (і керамічні резонатори), полягає в тому, що вони виготовлені з п'єзоелектричного матеріалу, який створює напругу, коли вони спотворюються у формі. Напруга, що застосовується, призведе до спотворення форми. Кристал виконаний у формі, яка фізично резонуватиме (як камертон або тарілка) з потрібною частотою. Це означає, що кристал буде діяти як фільтр - коли ви застосуєте бажану частоту, він буде схожий на високий опір, коли він вібрує, а на частотах трохи інший, він буде більш втратим. Коли помістити в ланцюг зворотного зв'язку підсилювача, коливання будуть самостійкими. Набагато більше, і трохи математики, тут .

Якщо ви думаєте про кришталь як про крихітний дзвіночок, легко зрозуміти, як, якщо ви вдарите його крихітним маленьким молотком, він би дзвонив чистим тоном так само, як великий дзвін, якби вдарити по великому дзвонику маленьким молоток.

Це саме те, що робить кристал, але хитрість полягає в тому, що він виготовлений з п'єзоелектричного матеріалу, який робить електрику при попаданні на нього і змінює форму, коли ви ударяєте її електрикою.

Щоб змусити постійно випускати цей чистий дзвінкий дзвін, він підключений через підсилювач, який працює так, як хтось штовхає вас на гойдалці, так що коли вам доведеться трохи пройти пік одного гойдалки, вони підштовхнуть вас переконайтеся, що ти повернувся до наступного.

П'єзоелектрична природа кристала змушує його змінювати форму, коли вихід підсилювача "штовхає" його електричним сигналом, а потім, коли підсилювач відпускає, кристал пружиниться назад і генерує власний сигнал, який каже "штовхни мене", і посилає це на вхід підсилювача в потрібний час, щоб підсилювач назавжди генерував ще один натиск і регенерував цикл.

Отже, що змушує кристал починати коливатися?

Шум.

Скрізь шум, і він схожий на мільйони крихітних молоточків, які весь час ударяють.

Частина цього шуму потрапляє на кристал, і коли він підключений до підсилювача і починає трохи дзвонити від шумових ударів, підсилювач отримує електричний сигнал від фізичного тону (частоти) кристала, створює його і відправляє назад до кристала. Це ще більше змінює форму кристала, надсилаючи більший сигнал назад на підсилювач, коли форма кристала відскакує назад, поки система не коливатиметься постійно і не буде стабільною.

Кристал не коливається самостійно. Ви не просто застосовуєте живлення та отримуєте коливання. Подумайте про кристал як про дуже точний і різкий частотний фільтр. Ви ставите його в шлях зворотного зв’язку підсилювача правильно, і це змушує схему коливатися на резонансній частоті кристала. Саме схема викликає коливання. Вони кристалічно вбивають усі частоти, крім тієї, на яку він налаштований, що дозволяє лише загальному коефіцієнту підсилення циклу коливатися на частоті кристала.

Кристали нижче їх резонансної частоти виявляються переважно ємнісними. Вище резонансної частоти вони виявляються переважно індуктивними. За своєю резонансною частотою вони виявляються переважно резистивними.

Повторно намалюйте генератор Пірса тричі, замінивши кристал одним із цих компонентів. Це може допомогти вам зрозуміти, як це працює.

Паралельні резонансні кристали фактично задаються трохи нижче основної частоти. Завдяки цьому кристал здається трохи ємнісним на частоті спектру. Додаткова ємність додає трохи додаткового зсуву фази, щоб допомогти генератору запускатись і працювати.

Вхід підсилювача бачить більший сигнал біля основного кристала (резистивний, як правило, при 100 Ом ШОЕ). Менші сигнали частоти зменшуються або блокуються, тому сигнал на основній частоті посилюється (після посилення) і домінує.

Натиснути когось на гойдалку. Як би ви не намагалися, гойдалки дійсно рухатимуться лише вперед та назад з якоюсь основною частотою.

Уявіть собі кристал як поверхню води. Тепер надішліть брижі (хвилі) по всій поверхні. Пульсації переміщують поверхню вгору і вниз, ефективно згинаючи поверхню. Кристал теж вигинається, коли він вібрує.

Згинання може бути спричинене застосуванням електричного поля до кварцового кристала, але також саме вигин створює протилежне електричне поле в кристалічній решітці. У спокої ці сили врівноважені, а кристал не має заряду.

Що легше вібрувати рукою: лінійка розміром 12x1 дюймів або фанера 6x4 футів? Очевидно, що менша лінійка може вібрувати швидше!

Кристали однакові. Їх розміри визначають їх резонансну частоту; менші та / або тонші кристали вібрують швидше. Це також обмежує основну частоту кристала: кристали стають занадто маленькими або занадто тонкими, щоб точно обробити механічну обробку або хімічне травлення на більш високих частотах.

На дійсно низьких частотах кристали стають настільки великими або товстими, що потрібно занадто багато енергії, щоб змусити їх згинатися; отже, для низькочастотних кристалів 32,768 кГц із синхронізуючими кристалами використовується камертон.

Кристали можуть насправді коливатися на більш ніж одній частоті. Це обертони у кількох основоположних, але вони, як правило, слабкіші за основні. Можна створити ланцюг, щоб змусити коливатися кристал при обертоні, як правило, третьому чи п’ятому. Зазвичай кристали понад 40 МГц розроблені для 3-го чи 5-го обертонів, а не основних, тому уважно прочитайте характеристики перед покупкою!