مذبذب بلوري الكوارتز

في دوراتنا التعليمية السابقة لمذبذب تحول الطور RC و Wein Bridge Oscillator ، حصلنا على فكرة عادلة حول ما هو المذبذب. المذبذب هو بناء ميكانيكي أو إلكتروني ينتج تذبذبًا بناءً على متغيرات قليلة. A مذبذب جيد السليم ينتج تيرة مستقرة.

في حالة المذبذبات RC (المقاوم-المكثف) أو RLC (المقاوم-الحث-المكثف) ، فهي ليست خيارًا جيدًا حيث يلزم وجود تذبذبات مستقرة ودقيقة. تؤثر التغيرات في درجة الحرارة على الحمل وخط الإمداد بالطاقة مما يؤثر بدوره على استقرار دائرة المذبذب. يمكن تحسين الثبات إلى مستوى معين في حالة دائرة RC و RLC ، ولكن لا يزال التحسين غير كافٍ في حالات محددة.

في مثل هذه الحالة ، يتم استخدام كريستال الكوارتز. الكوارتز معدن يتكون من ذرات السيليكون والأكسجين. يتفاعل عندما يتم تطبيق مصدر الجهد على بلورة الكوارتز. إنه ينتج خاصية تعرف باسم التأثير الكهربائي بيزو. عندما يتم تطبيق مصدر الجهد عبره ، فإنه سيغير شكله وينتج قوى ميكانيكية ، وتعود القوى الميكانيكية إلى الوراء ، وتنتج شحنة كهربائية.

نظرًا لأنه يحول الطاقة الكهربائية إلى الميكانيكية والميكانيكية إلى الكهرباء ، فإنه يشار إليه باسم المحولات. تنتج هذه التغييرات اهتزازًا مستقرًا للغاية ، وكتأثير كهربائي بيزو ينتج تذبذبات مستقرة.

بلورات الكوارتز والدائرة المكافئة لها

هذا هو رمز Crystal Oscillator. بلور الكوارتز مصنوع من قطعة رقيقة من رقاقة الكوارتز مثبتة بإحكام ويتم التحكم فيها بين سطحين متوازيين من المعدن. يتم تصنيع الأسطح المعدنية للتوصيلات الكهربائية ، ويتم التحكم في الحجم والكثافة الفيزيائية للكوارتز أيضًا بإحكام حيث أن التغيرات في الشكل والحجم تؤثر بشكل مباشر في تردد التذبذب. بمجرد تشكيله والتحكم فيه ، يتم إصلاح التردد الناتج ، ولا يمكن تغيير التردد الأساسي إلى ترددات أخرى. هذا التردد المحدد للبلورة المحددة يسمى التردد المميز.

في الصورة العلوية ، تمثل الدائرة اليسرى الدائرة المكافئة لكوارتز كريستال ، كما هو موضح في الجانب الأيمن. كما نرى ، يتم استخدام 4 مكونات سلبية ، مكثفان C1 و C2 ومحث واحد L1 ، المقاوم R1. يتم توصيل C1 و L1 و R1 في سلسلة ويتم توصيل C2 بالتوازي.

ترمز دارة السلسلة التي تتكون من مكثف واحد ومقاوم واحد ومحث واحد إلى السلوك المتحكم به والعمليات المستقرة للبلورة والمكثف المتوازي ، تمثل C2 السعة المتوازية للدائرة أو البلورة المكافئة.

عند تردد التشغيل ، يتردد صدى C1 مع الحث L1. يشار إلى تردد التشغيل هذا بتردد سلسلة البلورات (fs). بسبب تردد السلسلة هذا ، يتم التعرف على نقطة تردد ثانوية بالرنين المتوازي. يتردد صدا L1 و C1 أيضًا مع المكثف المتوازي C2. غالبًا ما يصف المكثف المتوازي C2 باسم C0 ويسمى Shunt Capacitance من بلورة الكوارتز.

مقاومة خرج الكريستال مقابل التردد

إذا طبقنا صيغة المفاعلة عبر مكثفين ، إذن ، بالنسبة للمكثف المتسلسل C1 ، ستكون المفاعلة السعوية: -

X _C1 = 1/2πfC ₁

أين،

F = التردد و C1 = قيمة سعة السلسلة.

تنطبق نفس الصيغة على المكثف المتوازي أيضًا ، ستكون المفاعلة السعوية للمكثف المتوازي: -

X _C2 = 1 / 2πfC ₂

إذا رأينا الرسم البياني للعلاقة بين مقاومة الإخراج مقابل التردد ، فسنرى التغييرات في المعاوقة.

في الصورة العلوية نرى منحنى مقاومة المذبذب البلوري ونرى أيضًا كيف يتغير هذا المنحدر عندما يتغير التردد. هناك نقطتان إحداهما هي نقطة تردد طنين متسلسلة والأخرى هي نقطة تردد طنين متوازية.

عند نقطة تردد الطنين التسلسلي ، تصبح المقاومة عند الحد الأدنى. ينتج مكثف السلسلة C1 وسلسلة Inductor L1 سلسلة رنين تساوي المقاوم المتسلسل.

لذلك ، عند نقطة تردد الطنين هذه ، ستحدث الأشياء التالية: -

المعاوقة هي الحد الأدنى مقارنة بأوقات التردد الأخرى.
المقاومة تساوي المقاوم المتسلسل.
تحت هذه النقطة ، تعمل البلورة كشكل سعوي.

بعد ذلك ، يتغير التردد ويزداد الميل ببطء إلى أقصى نقطة عند تردد الرنين المتوازي ، في هذا الوقت ، قبل الوصول إلى نقطة تردد الطنين المتوازي ، تعمل البلورة كمحث سلسلة.

بعد الوصول إلى نقطة التردد المتوازية ، يصل منحدر المعاوقة إلى أقصى قيمة. ينشئ المكثف المتوازي C2 والمحث المتسلسل دائرة خزان LC وبالتالي أصبحت مقاومة الخرج عالية.

هذه هي الطريقة التي تتصرف بها البلورة كمحث أو كمكثف في سلسلة ورنين متوازي. يمكن أن تعمل البلورة في كلا ترددي الرنين ولكن ليس في نفس الوقت. يجب أن يتم ضبطه في أي واحد محدد للعمل.

المفاعلة البلورية ضد التردد

و مفاعلة سلسلة من الدوائر يمكن قياسها باستخدام هذه الصيغة: -

X _S = R2 + (XL ₁ - XC ₁) ²

حيث R هي قيمة المقاومة

Xl1 هو الحث المتسلسل للدائرة

Xc1 هي السعة التسلسلية للدائرة.

ستكون المفاعلة السعوية الموازية للدائرة: -

X _CP = -1 / 2πfCp

ستكون المفاعلة المتوازية للدائرة: -

Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp

إذا رأينا الرسم البياني فسيبدو كما يلي: -

كما نلاحظ في الرسم البياني العلوي أن مفاعلة السلسلة عند نقطة صدى السلسلة تتناسب عكسًا مع C1 ، عند النقطة من fs إلى fp ، تعمل البلورة كحثية لأنه في هذه المرحلة ، تصبح السعة المتوازية اثنين لا يكاد يذكر.

من ناحية أخرى ، ستكون البلورة في صورة سعوية عندما يكون التردد خارج نقطتي fs و fp.

يمكننا حساب تردد الطنين التسلسلي وتردد الرنين الموازي باستخدام هاتين الصيغتين -

عامل Q لكريستال الكوارتز:

Q هو الشكل المختصر للجودة. إنه جانب مهم من رنين بلورات الكوارتز. يحدد عامل Q هذا استقرار تردد Crystal. بشكل عام ، يتراوح عامل Q في البلورة من 20000 إلى أكثر من 100000. في بعض الأحيان ، يمكن ملاحظة عامل Q في البلورة أيضًا.

يمكن حساب عامل Q في البلورة باستخدام الصيغة التالية -

Q = X _L / R = 2πfsL ₁ / R.

حيث ، X _L هي مفاعلة الحث و R هي المقاومة.

مثال على مذبذب بلوري الكوارتز مع الحساب

سنقوم بحساب تردد طنين سلسلة بلورات الكوارتز ، وتردد الرنين الموازي وعامل جودة البلورة عند توفر النقاط التالية-

R1 = 6.8R

C1 = 0.09970pF

L1 = 3 مللي أمبير

و C2 = 30pF

تردد سلسلة الرنين من الكريستال -

تردد الرنين البلوري الموازي ، fp هو -

الآن ، يمكننا أن نفهم أن تردد الطنين التسلسلي هو 9.20 ميجاهرتز وأن تردد الرنين الموازي هو 9.23 ميجاهرتز

سيكون عامل Q لهذه البلورة-

Colpitts Crystal Oscillator

دارة مذبذب كريستال شيدت باستخدام ترانزستور ثنائي القطب أو أنواع مختلفة من FETs. في الصورة العليا ، يظهر مذبذب colpitts ؛ و مقسم الجهد بالسعة يستخدم ل ردود الفعل. الترانزستور Q1 في تكوين باعث مشترك. في الدائرة العليا ، يتم استخدام R1 و R2 لتحيز الترانزستور ويستخدم C1 كمكثف جانبي يحمي القاعدة من ضوضاء التردد اللاسلكي.

في هذا التكوين ، ستعمل البلورة بمثابة تحويلة بسبب الاتصال من المجمع إلى الأرض . إنه في تكوين طنين متوازي. يستخدم مكثف C2 و C3 للتغذية الراجعة. يتم توصيل البلورة Q2 كدائرة طنين متوازية.

تضخيم الخرج منخفض في هذا التكوين لتجنب تبديد الطاقة الزائدة في البلورة.

بيرس كريستال مذبذب

تكوين آخر يستخدم في مذبذب بلوري الكوارتز ، حيث يتم تغيير الترانزستور إلى JFET للتضخيم حيث يكون JFET في معاوقة دخل عالية جدًا عند توصيل البلورة في الصرف إلى البوابة باستخدام مكثف.

في الصورة العلوية تظهر دائرة بيرس كريستال مذبذب. يوفر C4 التغذية المرتدة الضرورية في دائرة المذبذب هذه. هذه التغذية الراجعة إيجابية وهي عبارة عن تحول طور 180 درجة عند تردد الرنين. يتحكم R3 في التغذية الراجعة وتوفر البلورة التذبذب الضروري.

يحتاج مذبذب بيرس الكريستالي إلى الحد الأدنى من عدد المكونات ، ولهذا فهو خيار مفضل حيث تكون المساحة محدودة. تستخدم الساعة الرقمية وأجهزة ضبط الوقت وأنواع مختلفة من الساعات دائرة مذبذب كريستالية مثقوبة. إن ذروة سعة الموجة الجيبية للخرج إلى قيمة الذروة محدودة بنطاق جهد JFET.

مذبذب CMOS

يمكن صنع مذبذب أساسي يستخدم تكوين بلوري متوازي الرنين باستخدام عاكس CMOS. يمكن استخدام عاكس CMOS لتحقيق السعة المطلوبة. وهو يتألف من مشغل شميت المقلوب مثل 4049 أو 40106 أو شريحة منطق الترانزستور والترانزستور (TTL) 74HC19 إلخ.

في الصورة العلوية ، تم استخدام 74HC19N الذي يعمل كمحفز لشميت في التكوين العكسي. ستوفر البلورة التذبذب الضروري في تردد الرنين المتسلسل. R1 هو المقاوم الارتجاعي لـ CMOS ويوفر عامل Q عاليًا مع إمكانات كسب عالية. 74HC19N الثاني هو معزز لتوفير مخرجات كافية للحمل.

يعمل العاكس بإخراج إزاحة طور 180 درجة ويوفر Q1 و C2 و C1 تحولًا إضافيًا بمقدار 180 درجة. أثناء عملية التذبذب ، يظل تحول الطور دائمًا 360 درجة.

هذا يوفر وضوح الشمس مذبذب CMOS الناتج موجة مربع. يتم تثبيت الحد الأقصى لتردد الخرج من خلال خاصية التحويل الخاصة بعاكس CMOS. يمكن تغيير تردد الخرج باستخدام قيمة المكثفات وقيمة المقاوم. يجب أن تكون C1 و C2 هي نفسها في القيم.

توفير الساعة للمعالج الدقيق باستخدام البلورات

نظرًا لأن الاستخدام المتنوع لمذبذب بلوري الكوارتز يشمل الساعات الرقمية والمؤقتات وما إلى ذلك ، فهو أيضًا خيار مناسب لتوفير ساعة تذبذب ثابتة عبر المعالجات الدقيقة ووحدات المعالجة المركزية.

يحتاج المعالج الدقيق ووحدة المعالجة المركزية إلى إدخال ثابت على مدار الساعة للتشغيل. الكريستال الكوارتز يستخدم على نطاق واسع لهذه الأغراض. توفر بلورات الكوارتز دقة عالية واستقرارًا مقارنة بمذبذبات RC أو LC أو RLC الأخرى.

بشكل عام ، يتم استخدام تردد الساعة لوحدة التحكم الدقيقة أو تتراوح وحدة المعالجة المركزية من KHz إلى Mhz. يحدد تردد الساعة هذا مدى سرعة المعالج في معالجة البيانات.

لتحقيق هذا التردد ، يتم استخدام سلسلة بلورية مع شبكتين من نفس القيمة من المكثفات عبر إدخال المذبذب لوحدة MCU أو وحدة المعالجة المركزية المعنية.

في هذه الصورة ، يمكننا أن نرى أن البلورة ذات المكثفين تشكل شبكة ومتصلة عبر وحدة متحكم أو وحدة معالجة مركزية عبر دبوس الإدخال OSC1 و OSC2. يتكون كل متحكم أو معالج بشكل عام من هذين الدبوسين. في بعض الحالات ، يتوفر نوعان من دبابيس OSC. أحدهما لمذبذب أولي لتوليد الساعة والآخر للمذبذب الثانوي الذي يستخدم لأعمال ثانوية أخرى حيث يلزم تردد ساعة ثانوي. تتراوح قيمة المكثف من 10pF إلى 42 pF ، أي شيء بينهما ما عدا 15pF ، 22pF ، 33pF يستخدم على نطاق واسع.