מתנד קריסטל קוורץ

בהדרכות הקודמות שלנו למתנד משמרות RC ו- Wein Bridge, אנו מקבלים מושג הוגן לגבי מהו מתנד. מתנד הוא מבנה מכני או אלקטרוני המייצר תנודה בהתאם למשתנים מעטים. מתנד טוב נאה מייצר תדר יציב.

במקרה של מתנדים RC (Resistor-Capacitor) או RLC (Resistor-Inductor-Capacitor), הם אינם בחירה טובה כאשר יש צורך בתנודות יציבות ומדויקות. שינויי הטמפרטורה משפיעים על קו העומס ועל אספקת החשמל אשר בתורו משפיע על יציבות מעגל המתנד. ניתן לשפר את היציבות לרמה מסוימת במקרה של מעגל RC ו- RLC, אך עדיין השיפור אינו מספיק במקרים ספציפיים.

במצב כזה משתמשים בקריסטל הקוורץ. קוורץ הוא מינרל המורכב מאטומי סיליקון וחמצן. זה מגיב כאשר מקור מתח מוחל על גביש קוורץ. הוא מייצר מאפיין, המזוהה כאפקט חשמלי פיזו. כאשר מוחל עליו מקור מתח, הוא ישנה צורה וייצור כוחות מכניים, והכוחות המכאניים חוזרים אחורה ומייצרים מטען חשמלי.

כאשר הוא ממיר אנרגיה חשמלית למכנית ומכנית לחשמלית הוא מכונה מתמרים. שינויים אלה מייצרים רטט יציב מאוד, וכאפקט פיזו-חשמלי מייצר את התנודות היציבות.

גביש קוורץ ומעגלו המקביל

זהו הסמל של מתנד הקריסטל. גביש הקוורץ עשוי מחתיכת דקיק של רקיק קוורץ המותאם היטב ונשלט בין שני משטחים מתכתיים מקבילים. המשטחים המתכתיים מיוצרים לחיבורים חשמליים, והגודל והצפיפות הקוורץ הפיזי וגם העובי נשלטים היטב כאשר שינויי הצורה והגודל משפיעים ישירות בתדירות התנודה. ברגע שהוא מעוצב ונשלט, התדר המיוצר קבוע, לא ניתן לשנות את התדר הבסיסי לתדרים אחרים. תדר ספציפי זה עבור הגביש הספציפי נקרא תדר אופייני.

בתמונה העליונה, המעגל השמאלי מייצג את המעגל המקביל של גביש קוורץ, המוצג בצד ימין. כפי שאנו רואים משתמשים בארבעה רכיבים פסיביים, שני קבלים C1 ו- C2 ואחד המשרנים L1, הנגד R1. C1, L1, R1 מחוברים בסדרה ו- C2 מחובר במקביל.

מעגל הסדרה שמורכב מקבל אחד, נגד ומשרן אחד מסמל את ההתנהגות המבוקרת ואת הפעולות היציבות של הקריסטל והקבל המקביל, C2 מייצג את הקיבול המקביל של המעגל או את הקריסטל המקביל.

בתדר ההפעלה C1 מהדהד עם ההשראות L1. תדר הפעלה זה מכונה תדר סדרת גבישים (fs). בשל תדר סדרה זה נקודת תדר משנית המוכרת עם התהודה המקבילה. L1 ו- C1 מהדהדים גם עם הקבל המקביל C2. הקבל המקביל C2 מתאר לעתים קרובות כשמו C0 ונקרא Capacitance Shunt of a Quartz Crystal.

עכבת תפוקת קריסטל כנגד תדר

אם אנו מיישמים נוסחת תגובתיות על פני שני קבלים, אז עבור קבלים הסדרה C1, תגובת הקיבול תהיה: -

X _C1 = 1 / 2πfC ₁

איפה, F = תדר ו- C1 = ערך קיבול הסדרה.

אותה נוסחה חלה גם על הקבל המקביל, התגובה הקיבולית של הקבל המקביל תהיה: -

X _C2 = 1 / 2πfC ₂

אם נראה את גרף היחסים בין עכבת הפלט לעומת התדר נראה את השינויים בעכבה.

בתמונה העליונה אנו רואים את עקומת העכבה של מתנד הקריסטל ורואים גם כיצד שיפוע זה משתנה כאשר תדר משתנה. ישנן שתי נקודות האחת היא נקודת תדר מהדהדת סדרה והשנייה היא נקודת תדר תהודה מקבילה.

בנקודת התדר המהדהדת של הסדרה העכבה הפכה למינימלית. קבלים הסדרה C1 וסדרת המשרנים L1 יוצרים תהודה סדרתית השווה לנגד הסדרה.

לכן, בנקודת התדר המהדהדת של הסדרה, הדברים הבאים יקרו: -

העכבה היא מינימלית בהשוואה לזמני תדרים אחרים.
עכבה שווה לנגד הסדרה.
מתחת לנקודה זו הגביש משמש כצורה קיבולית.

בהמשך התדר משתנה והמדרון גדל לאט לנקודה המקסימאלית בתדר תהודה מקביל, בשלב זה, לפני שהגיע לנקודת תדר התהודה המקבילה הגביש משמש כמשרן סדרתי.

לאחר הגעה לנקודת התדר המקביל שיפוע העכבה מגיע למקסימום בערכו. הקבל המקביל C2 ומשרן הסדרה יוצרים מעגל מיכל LC וכך עכבת המוצא הפכה גבוהה.

כך הקריסטל מתנהג כמשרן או כמו קבלים בסדרה ותהודה מקבילה. קריסטל יכול לפעול בשני תדרי התהודה אך לא בו זמנית. זה צריך להיות מכוון לכל אחד ספציפי שיפעל.

תגובת קריסטל כנגד תדר

ניתן למדוד את תגובת הסדרה של המעגל באמצעות הנוסחה הבאה: -

X _S = R2 + (XL ₁ - XC ₁) ²

איפה, R הוא ערך ההתנגדות

Xl1 הוא השראות הסדרה של המעגל

Xc1 הוא קיבול הסדרה של המעגל.

תגובתיות קיבולית מקבילה של המעגל תהיה: -

X _CP = -1 / 2πfCp

התגובה המקבילה של המעגל תהיה: -

Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp

אם נראה את הגרף זה ייראה כך: -

כפי שניתן לראות בגרף העליון כי תגובת הסדרה בנקודת התהודה הסדרתית פרופורציונלית הפוכה ל- C1, בנקודה מ- fs ל- fp הגביש פועל כ אינדוקטיבי מכיוון שבשלב זה, שני קיבולים מקבילים הופכים לזניחים.

מצד שני, הגביש יהיה בצורה קיבולית כאשר התדר נמצא מחוץ לנקודות fs ו- fp.

אנו יכולים לחשב את תדר התהודה הסדרתית ואת תדר התהודה המקבילה באמצעות שתי הנוסחאות הללו -

פקטור Q לגביש קוורץ:

ש 'הוא הצורה הקצרה של איכות. זהו היבט חשוב בתהודה של גביש קוורץ. גורם Q זה קובע את יציבות התדרים של קריסטל. באופן כללי, גורם ה- Q של גביש נע בין 20,000 ליותר מ- 100,000. לפעמים ניתן לראות את גורם ה- Q של גביש יותר מ- 200,000.

ניתן לחשב גורם Q של גביש באמצעות הנוסחה הבאה -

Q = X _L / R = 2πfsL ₁ / R.

איפה, X _L הוא תגובת המשרן ו- R הוא ההתנגדות.

דוגמה למתנד קריסטל קוורץ עם חישוב

אנו נחשב תדר תהודה של סדרת גבישי קוורץ, תדר תהודה מקביל ואת גורם האיכות של הגביש כאשר הנקודות הבאות זמינות-

R1 = 6.8R

C1 = 0.09970pF

L1 = 3mH

ו- C2 = 30pF

תדר התהודה של הקריסטל הוא -

תדר התהודה המקביל של קריסטל, fp הוא -

כעת אנו יכולים להבין שתדר התהודה בסדרה הוא 9.20 מגה - הרץ ותדר התהודה המקביל הוא 9.23 מגה-הרץ

גורם ה- Q של הגביש הזה יהיה-

מתנד קריסטל קולפיטס

מעגל מתנד קריסטל שנבנה באמצעות טרנזיסטור דו קוטבי או סוגים שונים של FET. בתמונה העליונה מוצג מתנד קולפיט; מחלק מתח קיבולי משמש משוב. הטרנזיסטור Q1 נמצא בתצורת פולט נפוצה. במעגל העליון R1 ו- R2 משמש להטיית הטרנזיסטור ו- C1 משמש כקבלים עוקפים המגנים על הבסיס מפני רעשי RF.

בתצורה זו, קריסטל ישמש כשאנט בגלל החיבור בין אספן לקרקע . זה בתצורת תהודה מקבילה. קבלים C2 ו- C3 משמשים למשוב. גביש Q2 מחובר כמעגל תהודה מקביל.

הגברה של הפלט נמוכה בתצורה זו כדי למנוע פיזור עודף כוח בגביש.

מתנד קריסטל פירס

תצורה נוספת המשמשת במתנד קריסטל קוורץ, שם הטרנזיסטור שונה ל- JFET לצורך הגברה כאשר ה- JFET נמצא בעכבות קלט גבוהות מאוד כאשר הגביש מחובר בניקוז לשער באמצעות קבלים.

בתמונה העליונה מוצג מעגל מתנד פירס קריסטל. ה- C4 מספק את המשוב הדרוש במעגל מתנד זה. משוב זה הוא משוב חיובי המהווה מעבר של 180 מעלות בתדר התהודה. R3 שולט במשוב והגביש מספק את התנודה הדרושה.

מתנד קריסטל פירס זקוק לספירת מרכיבים מינימליים ובשל כך זוהי בחירה עדיפה במקום בו מוגבל. שעון דיגיטלי, טיימרים וסוגים שונים של שעונים משתמשים במעגל מתנד קריסטל. שיא משרעת גל הסינוס פלט לערך שיא מוגבל על ידי מתח המתח JFET.

מתנד CMOS

מתנד בסיסי המשתמש בתצורת גביש מהדהדת מקבילה יכול להתבצע באמצעות מהפך CMOS. ניתן להשתמש בממיר CMOS להשגת משרעת נדרשת. זה מורכב מהופך טריגר של Schmitt כמו 4049, 40106 או שבב לוגיקה טרנזיסטור טרנזיסטור (TTL) 74HC19 וכו '.

בתמונה העליונה נעשה שימוש ב- 74HC19N אשר משמש כטריגר של שמיט בתצורה הפוכה. הגביש יספק תנודה הכרחית בתדירות תהודה סדרתית. R1 הוא נגד המשוב עבור ה- CMOS ומספק גורם Q גבוה עם יכולות רווח גבוהות. 74HC19N השני הוא בוסטר המספק תפוקה מספקת לעומס.

המהפך פועל בפלט משמרת פאזה של 180 מעלות ו- Q1, C2, C1 מספקים מעבר שלב נוסף של 180 מעלות. במהלך תהליך התנודה תזוזת הפאזה תמיד נשארת 360 מעלות.

מתנד קריסטל CMOS זה מספק תפוקת גל מרובע. תדר המוצא המרבי נקבע על ידי מאפיין המיתוג של מהפך ה- CMOS. ניתן לשנות את תדר המוצא באמצעות ערך הקבלים וערך הנגד. C1 ו- C2 צריכים להיות זהים בערכים.

מתן שעון למעבד באמצעות קריסטלים

מכיוון ששימוש שונה במתנד קריסטל קוורץ כולל שעונים דיגיטליים, טיימרים וכו ', הוא גם בחירה מתאימה לספק שעון תנודה יציב על פני מעבד ומעבדים.

המעבד והמעבד זקוקים לקלט שעון יציב להפעלה. קריסטל קוורץ נמצא בשימוש נרחב למטרות אלה. גביש קוורץ מספק דיוק ויציבות גבוהים בהשוואה למתנדים RC או LC או RLC אחרים.

באופן כללי תדר השעון משמש למיקרו-בקר או למעבד נע בין KHz ל- Mhz. תדר שעון זה קובע כמה מהר יכול המעבד לעבד נתונים.

כדי להשיג תדר זה נעשה שימוש בגביש סדרתי המשמש עם שתי רשת קבלים בעלי ערך זהה על פני קלט המתנד של ה- MCU או המעבד המתאימים.

בתמונה זו אנו יכולים לראות שקריסטל עם שני קבלים יוצר רשת ומחובר ביחידת מיקרו-בקר או יחידת עיבוד מרכזית באמצעות פין קלט OSC1 ו- OSC2. בדרך כלל כל המיקרו-בקר או המעבד מורכבים משני הסיכות האלה. במקרים מסוימים ישנם שני סוגים של סיכות OSC. האחד מיועד למתנד ראשוני להפקת השעון והשני למתנד המשני המשמש לעבודות משניות אחרות בהן יש צורך בתדר שעון משני. ערך הקבל נע בין 10pF ל -42 pF, כל מה שביניהם הוא 15pF, 22pF, 33pF בשימוש נרחב.