準(zhǔn)確的時(shí)間是我們認(rèn)為理所當(dāng)然的大部分技術(shù)的最基本要求之一,但我們有多少人停下來(lái)考慮使我們擁有它的組件?當(dāng)我們的微處理器和其他數(shù)字電路需要經(jīng)濟(jì)實(shí) 惠,已知且穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率時(shí),石英晶振是我們的首選標(biāo)準(zhǔn).也許是時(shí)候我們仔細(xì)看看它了.
無(wú)線電頻率的第一個(gè)電子振蕩器依賴于具有電感器和電容器的調(diào)諧電路的電氣特性,以保持它們的頻率.調(diào)諧電路便宜且易于生產(chǎn),但其頻率穩(wěn)定性受外部因素(如溫度和振動(dòng))的影響很大.因此,使用調(diào)諧電路的RF振蕩器可以在其操作期間漂移許多kHz,并且不能依賴其定時(shí).早在計(jì)算機(jī)需要精確計(jì)時(shí)之前,20世紀(jì)20年代和30年代的無(wú)線電發(fā)射機(jī)需要保持頻率,并且必須保持相當(dāng)大的努力以使調(diào)諧電路發(fā)射機(jī)保持在目標(biāo)上.石英晶體正在等待,為我們節(jié)省了這筆費(fèi)用.
良好的振動(dòng)
調(diào)諧電路頻率穩(wěn)定性問(wèn)題的解決方案是使用貼片晶振,這是一種諧振元件,其物理特性比電感器或電容器對(duì)外部因素(如溫度)的影響要小得多.石英晶體是壓電的,也就是說(shuō),當(dāng)你使它們變形時(shí),它們會(huì)產(chǎn)生電荷,當(dāng)向它們施加電荷時(shí),它們又會(huì)變形.因此,您可以在精心切割的石英晶體中電氣設(shè)置物理振動(dòng).正如調(diào)諧叉,鑼和其他彈性固體可以顯示物理共振一樣,晶體可以用作電諧振器.

石英晶體的電等效模型是與電容器并聯(lián)的串聯(lián)調(diào)諧電路,具有并聯(lián)和串聯(lián)調(diào)諧電路的一些特性.它與由傳統(tǒng)元件制成的調(diào)諧電路的不同之處在于具有極高的Q因子或窄帶寬.它可以以與調(diào)諧電路相同的方式結(jié)合在石英晶體振蕩器的反饋電路中,然后振蕩器將以其諧振頻率快速運(yùn)行.
堅(jiān)如磐石
實(shí)用的晶體采用精密研磨的圓盤(pán)或合成石英晶片的形式,兩側(cè)都有化學(xué)沉積的金屬電極.它們安裝在密封的包裝中以確保其穩(wěn)定性.
有許多晶體振蕩器配置,但如果使用數(shù)字電路,最可能遇到的電路是Pierce振蕩器.您會(huì)發(fā)現(xiàn)它是使用離散邏輯門(mén)以及眾多微處理器和其他IC實(shí)現(xiàn)的.晶體配置有一對(duì)電容器和一個(gè)高值偏置電阻器,作為從反相器輸出到輸入的相移網(wǎng)絡(luò).其中一個(gè)電容器有時(shí)可以并聯(lián)一個(gè)小的可變電容器,允許進(jìn)行非常小的頻率調(diào)整以校正各個(gè)晶體的容差.在晶體的共振頻率下,晶體上需要180度的相移以維持振蕩.

這是所有在Overtones
石英晶體的共振頻率與其尺寸成比例.隨著晶體變薄,頻率增加.最終隨著頻率的增加,在沒(méi)有晶體破裂的情況下,材料的厚度不能進(jìn)一步減小,因此存在不能制造晶體的上限頻率.它取決于所采用的技術(shù),但通常在20MHz晶振以上.
當(dāng)然,你會(huì)指出晶體可以在這個(gè)頻率上多次使用,那么它是什么?答案是高于該數(shù)字的晶體頻率是通過(guò)諧波泛音實(shí)現(xiàn)的.低于20MHz的頻率僅僅是基本諧振,其他諧振可以在基頻的倍數(shù)處在同一晶體中實(shí)現(xiàn).通過(guò)系繩中的駐波,或者如圖所示的封閉管的聲學(xué)特性,可以容易地證明這種效果.
在實(shí)踐中,設(shè)計(jì)用于泛音的晶體將在其基頻的奇數(shù)倍處具有共振.因此,例如具有10MHz基頻的泛音晶振也將在30MHz和50MHz處具有泛音諧振.

在上面顯示的皮爾斯電路中放置一個(gè)泛音晶體不會(huì)導(dǎo)致它以泛音頻率振蕩,而是會(huì)在其基頻上運(yùn)行.泛音振蕩器必須包含一個(gè)額外的調(diào)諧電路,用于抑制基頻,留下最突出的諧波諧振來(lái)決定振蕩頻率.在我們的CMOS振蕩器邏輯應(yīng)用筆記示例中,逆變器輸出網(wǎng)絡(luò)中的電感執(zhí)行此任務(wù).
除振蕩器外還有另一種功能,您可能會(huì)遇到晶體.在無(wú)線電電路中,它們極窄的帶寬意味著它們可以菊花鏈?zhǔn)竭B接,以制作極具選擇性的濾波器.產(chǎn)生單邊帶傳輸?shù)囊环N方法是利用足夠窄的晶體濾波器從雙邊帶抑制載波AM信號(hào)中提取一個(gè)邊帶.

當(dāng)你需要一個(gè)水晶控制的時(shí)鐘時(shí),你可能會(huì)找到一個(gè)現(xiàn)成的普通有源晶振模塊,永遠(yuǎn)不需要?jiǎng)?chuàng)建自己的晶體振蕩器模塊.當(dāng)您需要更高頻率的時(shí)鐘時(shí),您將使用具有鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器芯片,因此您永遠(yuǎn)不需要制作泛音振蕩器.但是,對(duì)于任何常用組件而言,在基礎(chǔ)知識(shí)方面具有基礎(chǔ)并沒(méi)有任何害處,晶體也不例外.

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