Làm thế nào để một tinh thể thạch anh làm việc?

Bạn có thể giải thích làm thế nào một tinh thể thạch anh hoạt động, có thể với sơ đồ đơn giản với những thứ thiết yếu? Tôi biết nó hoạt động như một loại chất ổn định cho bộ tạo dao động, nhưng không có gì hơn thế.

Thạch anh là một vật liệu áp điện, có nghĩa là nếu bạn làm biến dạng cơ học nó, nó sẽ phát triển điện tích trên bề mặt của nó. Tương tự, nếu bạn đặt điện tích lên bề mặt của nó, nó sẽ gây ra ứng suất cơ học trong tinh thể. Cách mà tinh thể thạch anh mang lại lợi ích cho mạch là về mặt cơ học, tinh thể này hoạt động giống như một ngã ba điều chỉnh, với tần số cộng hưởng tự nhiên và tính chất áp điện cho phép ghép nó thành một mạch điện tử. Do tần số cộng hưởng chủ yếu được xác định bởi kích thước và hình dạng vật lý của thạch anh, bạn có được một tham chiếu tần số ít nhạy cảm hơn với nhiệt độ so với bạn chỉ sử dụng các mạch LC.

Đã có hai câu trả lời tuyệt vời, vì vậy tôi sẽ cố gắng đưa ra một lời giải thích khác nhau về cùng một điều.

Lý lịch

Vì vậy, trong bộ tạo dao động Pierce, bạn có một hệ thống kỹ thuật số được kết nối với bộ tạo dao động tinh thể.

Bây giờ bạn có thể đã thấy cách các cổng logic chuyển trạng thái, với thời gian tăng được chỉ định. Nếu bạn dành thời gian để tìm hiểu về Tương thích điện từ hoặc chỉ thiết kế kỹ thuật số tốc độ cao (cuốn sách hay nhất đang tồn tại là của Johnson ), bạn sẽ biết rằng điều này có thể được xem như một dải tần số rộng.

Tinh thể làm gì

Có hai cách để xem tinh thể làm gì, từ miền tần số và từ miền thời gian. Tôi sẽ bắt đầu với miền tần số do sở thích cá nhân. Tôi thúc đẩy mọi kỹ sư điện mà tôi làm việc để trở thành ở nhà với miền tần số; nhiều vấn đề trở nên đơn giản ở đây, và các phản ứng phức tạp có ý nghĩa.

Tần số khu vực

Từ quan điểm của miền tần số, tinh thể là một bộ lọc ở tần số rất cụ thể với hệ số Q (chất lượng) rất cao. Điều này có nghĩa là trong tất cả các tần số bạn tạo ra, bạn chỉ cho phép một tần số cụ thể mà tinh thể cho phép đi qua.

Miền thời gian

Một cách khác là nghĩ về một cánh cổng gắn liền với chính nó. Nếu không có gì ở đó, nó sẽ tạo ra một sóng vuông có tần số bằng độ trễ, nhưng tần số này không đáng tin cậy lắm, và cũng sẽ thay đổi dựa trên nhiều thông số sản xuất. Đây là nơi tinh thể ảnh hưởng đến nó. Nếu tinh thể có cạnh tăng lên được đặt trên nó, nó sẽ chỉ "truyền qua" tín hiệu ở tần số mà nó đã chọn. Đột nhiên, sóng vuông 100 MHz trở thành sóng hình sin 20 MHz do tinh thể.

Thêm một chút suy nghĩ

Tự hỏi tại sao dao động kéo rất nhiều hiện tại? Bạn đang sạc và xả điện dung trong mạch dao động 20 triệu lần mỗi giây. Ngoài ra, đối với tất cả các chu kỳ đồng hồ, nhiều bóng bán dẫn trong mạch của bạn cũng làm như vậy. nếu bạn không cần tốc độ, bộ tạo dao động 32KHz tốn rất ít năng lượng cho bộ vi điều khiển.

Hãy cho tôi biết nếu tôi có thể rõ ràng hơn.

Từ Wikipedia :

Một tinh thể dao động có hai tấm dẫn điện, với một lát hoặc nĩa tinh thể thạch anh kẹp giữa chúng. Trong quá trình khởi động, mạch xung quanh tinh thể áp dụng tín hiệu AC nhiễu ngẫu nhiên cho nó và hoàn toàn là tình cờ, một phần rất nhỏ của nhiễu sẽ ở tần số cộng hưởng của tinh thể. Tinh thể do đó sẽ bắt đầu dao động đồng bộ với tín hiệu đó. Khi bộ tạo dao động khuếch đại các tín hiệu ra khỏi tinh thể, các tín hiệu trong dải tần số của tinh thể sẽ trở nên mạnh hơn, cuối cùng chi phối đầu ra của bộ tạo dao động. Dải cộng hưởng hẹp của tinh thể thạch anh lọc ra tất cả các tần số không mong muốn.

Tôi muốn đề cập đến một số tính năng bổ sung - khá quan trọng -:

• Thạch anh có thể được vận hành theo chuỗi cũng như hoạt động cộng hưởng song song (tuy nhiên, cả hai tần số cộng hưởng đều khá gần nhau);

• Trong một số ứng dụng (đặc biệt đối với các bộ dao động dựa trên bóng bán dẫn như loại Pierce), thạch anh KHÔNG được sử dụng làm mạch cộng hưởng mà là một cuộn cảm chất lượng cao .