- Quartz Crystal dan Litar Setara
- Impedansi Output Crystal terhadap Kekerapan
- Reaksi Kristal terhadap Kekerapan
- Faktor Q untuk kristal kuarza:
- Contoh Pengayun Kristal Kuarza dengan Pengiraan
- Pengayun Kristal Colpitts
- Pengayun Pierce Crystal
- Pengayun CMOS
- Menyediakan Jam ke Mikroprosesor menggunakan Kristal
Dalam tutorial RC Phase Shift Oscillator dan Wein Bridge Oscillator kami sebelum ini, kami mendapat idea yang adil mengenai apa itu Oscillator. Pengayun adalah pembinaan mekanikal atau elektronik yang menghasilkan ayunan bergantung pada beberapa pemboleh ubah. A pengayun baik betul menghasilkan kekerapan stabil.
Sekiranya RC (Resistor-Capacitor) atau RLC (Resistor-Inductor-Capacitor) Oscillators, mereka bukan pilihan yang baik di mana ayunan stabil dan tepat diperlukan. Perubahan suhu mempengaruhi garis beban dan bekalan kuasa yang seterusnya mempengaruhi kestabilan litar Oscillator. Kestabilan dapat ditingkatkan ke tahap tertentu dalam kasus rangkaian RC dan RLC, tetapi tetap saja peningkatannya tidak mencukupi dalam kes tertentu.
Dalam keadaan seperti itu, Quartz Crystal digunakan. Kuarza adalah mineral yang terdiri daripada atom silikon dan Oksigen. Ia bertindak balas apabila sumber voltan digunakan pada kristal kuarza. Ia menghasilkan ciri, yang dikenali sebagai kesan elektrik Piezo. Apabila sumber voltan digunakan di atasnya, ia akan berubah bentuk dan menghasilkan daya mekanikal, dan daya mekanik kembali ke belakang, dan menghasilkan cas elektrik.
Oleh kerana ia menukar tenaga elektrik menjadi mekanikal dan mekanikal ke elektrikal ini disebut sebagai Transduser. Perubahan ini menghasilkan getaran yang sangat stabil, dan sebagai kesan elektrik Piezo menghasilkan ayunan stabil.
Quartz Crystal dan Litar Setara
Ini adalah simbol Crystal Oscillator. Kristal kuarza diperbuat daripada kepingan wafer kuarza nipis yang dipasang dengan ketat dan dikendalikan di antara dua permukaan bersalut selari. Permukaan yang diperbuat daripada logam dibuat untuk sambungan elektrik, dan ukuran dan ketumpatan fizikal kuarza juga ketebalannya dikendalikan dengan ketat kerana perubahan bentuk dan ukuran langsung mempengaruhi frekuensi ayunan. Setelah dibentuk dan dikawal, frekuensi yang dihasilkan tetap, frekuensi asas tidak dapat diubah menjadi frekuensi lain. Frekuensi khusus untuk kristal tertentu ini disebut frekuensi ciri.
Pada gambar atas, litar kiri mewakili litar setara Quartz Crystal, ditunjukkan di sebelah kanan. Seperti yang kita lihat, 4 komponen pasif digunakan, dua kapasitor C1 dan C2 dan satu Induktor L1, Resistor R1. C1, L1, R1 disambungkan secara bersiri dan C2 disambungkan secara selari.
Litar siri yang terdiri daripada satu kapasitor, satu perintang dan satu induktor, melambangkan tingkah laku terkawal dan operasi stabil Crystal dan kapasitor selari, C2 mewakili kapasiti selari litar atau kristal yang setara.
Pada frekuensi operasi C1 bergema dengan induktansi L1. Kekerapan operasi ini disebut sebagai frekuensi siri kristal (fs). Oleh kerana frekuensi siri ini, titik frekuensi sekunder dikenali dengan resonans selari. L1 dan C1 juga bergema dengan kapasitor selari C2. Kapasitor C2 selari sering digambarkan sebagai nama C0 dan disebut Shunt Capacitance of a Quartz Crystal.
Impedansi Output Crystal terhadap Kekerapan
Sekiranya kita menggunakan formula reaktansi pada dua kapasitor, maka, untuk kapasitor siri C1, reaktansi kapasitif adalah: -
X C1 = 1 / 2πfC 1
Di mana, F = Frekuensi dan C1 = nilai kapasitansi siri.
Rumus yang sama berlaku untuk kapasitor Paralel, reaktansi kapasitif kapasitor selari adalah: -
X C2 = 1 / 2πfC 2
Sekiranya kita melihat grafik hubungan di antara impedans Output vs Frekuensi, kita akan melihat perubahan impedans.
Pada gambar atas kita melihat keluk impedans osilator kristal dan juga melihat bahawa, bagaimana cerun ini berubah apabila frekuensi berubah. Terdapat dua titik satu adalah titik frekuensi resonan siri dan satu lagi adalah titik frekuensi resonan selari.
Pada titik frekuensi resonan siri, impedans menjadi minimum. Kapasitor siri C1 dan siri Induktor L1 mencipta resonans siri yang sama dengan perintang siri.
Jadi, pada titik frekuensi resonan siri ini, perkara berikut akan berlaku: -
- Impedansi minimum berbanding pada masa frekuensi lain.
- Impedans sama dengan perintang siri.
- Di bawah titik ini kristal bertindak sebagai bentuk kapasitif.
Selanjutnya frekuensi berubah dan cerun perlahan-lahan meningkat ke titik maksimum pada frekuensi resonan selari, pada masa ini, sebelum mencapai titik frekuensi resonan selari, kristal bertindak sebagai induktor siri.
Setelah mencapai titik frekuensi selari, cerun impedans mencapai nilai maksimum. Kapasitor selari C2 dan Seri Induktor membuat litar tangki LC dan dengan itu impedans output menjadi tinggi.
Ini adalah bagaimana kristal berkelakuan sebagai induktor atau seperti kapasitor secara bersiri dan resonans selari. Kristal dapat beroperasi dalam frekuensi resonans ini tetapi tidak pada masa yang sama. Ia perlu diselaraskan pada yang khusus untuk beroperasi.
Reaksi Kristal terhadap Kekerapan
The regangan siri litar boleh diukur dengan menggunakan formula ini: -
X S = R2 + (XL 1 - XC 1) 2
Di mana, R adalah nilai rintangan
Xl1 adalah induktansi rangkaian litar
Xc1 adalah kapasiti siri litar.
Reaktansi kapasitif selari litar akan: -
X CP = -1 / 2πfCp
Reaktansi selari litar akan: -
Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp
Sekiranya kita melihat grafiknya, ia akan kelihatan seperti ini: -
Seperti yang dapat kita lihat di grafik atas bahawa reaktansi siri pada titik resonans siri berbanding terbalik dengan C1, pada titik dari fs hingga fp kristal bertindak sebagai induktif kerana pada ketika ini, dua kapasitans selari menjadi tidak dapat diabaikan.
Sebaliknya, kristal akan berada pada bentuk kapasitif apabila frekuensi berada di luar titik fs dan fp.
Kita boleh mengira Frekuensi Resonan Siri dan frekuensi Resonan Selari menggunakan dua formula ini -
Faktor Q untuk kristal kuarza:
Q adalah bentuk kualiti yang pendek. Ini adalah aspek penting dalam resonans kristal kuarza. Faktor Q ini menentukan kestabilan frekuensi Crystal. Secara amnya, faktor Q suatu kristal mempunyai julat antara 20, 000 hingga lebih daripada 100,000. Kadang kala, faktor Q suatu kristal lebih daripada 200,000 juga dapat dilihat.
Faktor Q bagi suatu kristal dapat dikira dengan menggunakan formula berikut -
Q = X L / R = 2πfsL 1 / R
Di mana, X L adalah Reaktansi induktor dan R adalah Rintangan.
Contoh Pengayun Kristal Kuarza dengan Pengiraan
Kami akan mengira frekuensi resonan siri kristal kuarza, frekuensi resonan selari dan faktor kualiti kristal apabila titik berikut tersedia-
R1 = 6.8R
C1 = 0.09970pF
L1 = 3mH
Dan C2 = 30pF
Kekerapan resonan siri kristal adalah -
Frekuensi resonan selari Crystal, fp adalah -
Sekarang, kita dapat memahami bahawa frekuensi resonan siri adalah 9,20 MHz dan frekuensi resonan selari adalah 9,23 MHz
The faktor Q kristal ini akan adalah-
Pengayun Kristal Colpitts
Litar pengayun kristal dibina menggunakan transistor bipolar atau pelbagai jenis FET. Pada gambar atas, pengayun colpitts ditunjukkan; yang pembahagi voltan kapasitif digunakan untuk maklum balas. Transistor Q1 berada dalam konfigurasi pemancar yang sama. Di litar atas R1 dan R2 digunakan untuk bias transistor dan C1 digunakan sebagai pemintas kapasitor yang melindungi dasar dari suara RF.
Dalam konfigurasi ini, kristal akan bertindak sebagai penyekat kerana hubungan dari pemungut ke tanah . Ia dalam konfigurasi resonan selari. Kapasitor C2 dan C3 digunakan untuk maklum balas. Kristal Q2 disambungkan sebagai litar resonan selari.
Penguatan output rendah dalam konfigurasi ini untuk mengelakkan pelesapan daya yang berlebihan pada kristal.
Pengayun Pierce Crystal
Konfigurasi lain yang digunakan dalam pengayun kristal kuarza, di mana Transistor diubah menjadi JFET untuk penguatan di mana JFET berada dalam impedansi input yang sangat tinggi ketika kristal disambungkan di Drain to Gate menggunakan kapasitor.
Pada gambar atas ditunjukkan litar Pierce Crystal Oscillator. C4 memberikan maklum balas yang diperlukan dalam litar pengayun ini. Maklum balas ini adalah maklum balas positif iaitu peralihan fasa 180 darjah pada frekuensi resonan. R3 mengawal maklum balas dan kristal memberikan ayunan yang diperlukan.
Pengayun kristal Pierce memerlukan bilangan komponen minimum dan kerana ini adalah pilihan yang lebih baik di mana ruang terhad. Jam digital, pemasa, dan pelbagai jenis Jam Tangan menggunakan litar pengayun kristal pierce. Nilai amplitud gelombang sinus Output hingga puncak dibatasi oleh julat voltan JFET.
Pengayun CMOS
Pengayun asas yang menggunakan konfigurasi kristal resonan selari boleh dibuat menggunakan penyongsang CMOS. Inverter CMOS boleh digunakan untuk mencapai amplitud yang diperlukan. Ia terdiri daripada membalikkan pencetus Schmitt seperti cip 4049, 40106 atau transistor-transistor logik (TTL) 74HC19 dll.
Pada gambar atas 74HC19N digunakan yang bertindak sebagai pencetus Schmitt dalam membalikkan konfigurasi. Kristal akan memberikan ayunan yang diperlukan dalam frekuensi resonans siri. R1 adalah perintang maklum balas untuk CMOS dan memberikan faktor Q yang tinggi dengan keupayaan memperoleh tinggi. 74HC19N kedua adalah penggalak untuk memberikan output yang mencukupi untuk beban.
Inverter beroperasi pada output peralihan fasa 180 darjah dan Q1, C2, C1 memberikan peralihan fasa 180 darjah tambahan. Semasa proses ayunan pergeseran fasa selalu kekal 360 darjah.
Ini CMOS pengayun kristal menyediakan output gelombang persegi. Kekerapan output maksimum ditetapkan oleh ciri pensuisan penyongsang CMOS. Kekerapan output boleh diubah menggunakan nilai Kapasitor dan nilai Resistor. C1 dan C2 perlu sama nilai.
Menyediakan Jam ke Mikroprosesor menggunakan Kristal
Oleh kerana pelbagai penggunaan pengayun kristal kuarza termasuk jam tangan Digital, Pemasa dll, ia juga merupakan pilihan yang sesuai untuk menyediakan jam ayunan stabil di seluruh mikropemproses dan CPU.
Mikroprosesor dan CPU memerlukan input jam yang stabil untuk beroperasi. Kristal kuarza digunakan secara meluas untuk tujuan ini. Kristal kuarza memberikan ketepatan dan kestabilan yang tinggi berbanding dengan pengayun RC atau LC atau RLC yang lain.
Secara umum frekuensi jam digunakan untuk mikrokontroler atau CPU berkisar dari KHz hingga Mhz. Kekerapan jam ini menentukan seberapa pantas pemproses dapat memproses data.
Untuk mencapai frekuensi ini, kristal siri yang digunakan dengan dua rangkaian kapasitor nilai yang sama digunakan di input osilator MCU atau CPU masing-masing.
Dalam gambar ini, kita dapat melihat bahawa Crystal dengan dua kapasitor membentuk rangkaian dan terhubung di seluruh unit Mikrokontroler atau unit pemprosesan Pusat melalui pin input OSC1 dan OSC2. Umumnya semua mikrokontroler atau pemproses terdiri daripada dua pin ini. Dalam beberapa kes terdapat dua jenis pin OSC yang tersedia. Salah satunya adalah untuk pengayun utama untuk menghasilkan jam dan yang lain untuk pengayun sekunder yang digunakan untuk kerja sekunder lain di mana frekuensi jam sekunder diperlukan. Nilai kapasitor berkisar antara 10pF hingga 42 pF, apa pun antara 15pF, 22pF, 33pF digunakan secara meluas.