Porozumění obvodům krystalového oscilátoru

Vyzkoušejte Náš Nástroj Pro Odstranění Problémů





Základní konfigurace obvodů krystalových oscilátorů v pevné fázi jsou dnes více rozvinuté, téměř všechny obvody jsou modifikacemi široce uznávaných vakuových trubicových systémů, jako je oscilátor Pierce, Hartley, Clapp a Butler a pracují s bipolárními i FET zařízeními.

Ačkoli všechny tyto obvody zásadně splňují svůj navržený cíl, existuje spousta aplikací, které vyžadují něco úplně jiného nebo kde je třeba přesně popsat funkčnost.



Níže je uvedena řada obvodů pro nejrůznější aplikace přímo od LF přes řadu VHF, které nejsou obvykle vidět v existujících amatérských použitích nebo knihách.

Základní techniky obvodů krystalových oscilátorů v pevném stavu jsou již dobře zavedené, přičemž většina obvodů je adaptací známé technologie vakuových trubic, jako je oscilátor Pierce, Hartley, Clapp a Butler, a používají jak bipolární, tak FET zařízení.



I když tyto obvody v zásadě plní svůj zamýšlený účel, existuje mnoho aplikací, které vyžadují něco jiného nebo u nichž je třeba spolehlivě charakterizovat výkon.

Zde jsou představeny různé obvody pro celou řadu aplikací od LF po řadu VHF, které běžně amatérské použití nebo literatura běžně nenachází.

REŽIMY PROVOZU

Bod, který se zřídka cení nebo jednoduše přehlíží, je skutečnost, že křemenné krystaly mohou kmitat v paralelním rezonančním režimu a sériovém rezonančním režimu. Tyto dvě frekvence jsou rozděleny s malým rozdílem, obvykle 2-15 kHz v celém frekvenčním rozsahu.

Sériová rezonanční frekvence je ve srovnání s paralelní menší.

Specifický krystal navržený pro použití v paralelním režimu může být vhodně použit v sériovém rezonančním obvodu, pokud je kondenzátor ekvivalentní velikosti jeho přesné zátěžové kapacity (typicky 20,30, 50 nebo 100 pF) připojen k sérii s krystalem.

Bohužel není možné invertovat úkol pro sériový rezonanční krystal v obvodech paralelního režimu. Krystal v sériovém režimu pravděpodobně osciluje nad svou kalibrovanou frekvenci v dané situaci a nemusí být možné jej dostatečně kapacitně načíst.

periodický okruh komorníka

Krystaly podtónu běží v sériovém režimu obecně na třetím, pátém nebo sedmém podtextu a výrobce obvykle kalibruje krystal ve frekvenci podtextu.

Spuštění krystalu v paralelním režimu a znásobení frekvence 3 nebo 5krát generuje spíše nový výsledek tím, že se v sériovém režimu pracuje přesně stejný krystal v jeho 3. nebo 5. podtextu.

Při nákupu krystalů podtónů se držte dál od dilematu a místo zdánlivé základní frekvence určete požadovanou frekvenci.

Základní krystaly v rozsahu 500 kHz až 20 MHz jsou obecně konstruovány pro fungování v paralelním režimu, lze však požádat o provoz v sériovém režimu.

U nízkofrekvenčních krystalů do 1 MHz lze zvolit jeden z režimů. Krystaly nadvertonu obvykle pokrývají rozsah 15 MHz až 150 MHz.

ŠIROKÝ ROZSAH nebo APERIODICKÉ OSCILÁTORY

Oscilátory, které nikdy nepoužívají vyladěné obvody, jsou často velmi užitečné, ať už jako „krystalová dáma“ nebo z jiného důvodu. Speciálně pro krystaly LF mohou být vyladěné obvody poměrně obrovské.

Na druhou stranu obvykle nejsou bez svých vlastních pastí. Několik krystalů je náchylných k oscilaci v nežádoucích režimech, zejména řezané krystaly DT a CT určené pro křemenné oscilátory LF.

Je opravdu dobrý nápad ujistit se, že výstup je na správné frekvenci a není patrná žádná „nestabilita režimu“. Toto obvykle řeší minimalizace zpětné vazby na vyšších frekvencích.

Ve zvláštních případech lze na výše uvedenou teorii zapomenout a jako alternativu použít oscilátor s laděným obvodem (krystalové oscilátory LF jsou poté přezkoumány).

Křišťálové obvody

První obvod níže je emitorem spojený oscilátor, variace Butlerova obvodu. Výstupem obvodu na obr. 1 je v podstatě sinusová vlna, snížení emitorového odporu Q2 zvyšuje harmonický výstup.

Výsledkem je, že 100 kHz krystal generuje vynikající harmonické přes 30 MHz. Jedná se o obvod sériového režimu.

Lze použít řadu tranzistorů. U krystalů nad 3 MHz se doporučují tranzistory s produktem s velkou šířkou pásma. U krystalů v sortimentu od 50 kHz do 500 kHz jsou preferovány tranzistory s vysokým ziskem LF, jako je 2N3565.

Navíc pro krystaly v rámci této selekce je povolený rozptyl obvykle nižší než 100 mikrowattů a může být nezbytné omezit amplitudu.

V kroku s účinným spuštěním se doporučuje snížit napájecí napětí. Změna obvodu začleněním diod, jak je znázorněno na obr. 3, je výhodnější technikou a zvyšuje se počáteční účinnost.

Obvod bude oscilovat až na 10 MHz pomocí vhodných hodnot tranzistorů a odporů emitoru. Obvykle se doporučuje sledovač emitoru nebo vyrovnávací paměť sledovače zdroje.

Stejné komentáře k výše uvedenému se vztahují k obr. 2. V tomto obvodu je zabudována vyrovnávací paměť sledovače emitorů.

Tyto dva obvody jsou poněkud citlivé na frekvenci a na změny napájecího napětí a specifikace zátěže. Doporučuje se zatížení 1 k nebo vyšší.

obvod sériového oscilátoru spojený s emitorem


TTL lC lze kombinovat s obvody krystalového oscilátoru, ačkoli mnoho publikovaných obvodů má strašnou počáteční účinnost nebo neopakovatelnost kvůli velkým parametrům v lc.

Obvod na obr. 4 byl autorem experimentován v rozsahu 1 MHz až 18MHz a bude podporován. Toto je oscilátor v sériovém režimu a doplňuje AT-cut krystaly.

Krystalový oscilátor TTL

Výstup je kolem 3 V špička-špička, obdélníková vlna až do asi 5 MHz, nad kterou se to promění na podobnější polosinusovým pulzům. Počáteční účinnost je vynikající, což se u oscilátorů TTL zdá být většinou kritickým faktorem.

KRYSTÁLNÍ OSCILÁTORY NÍZKOFREKVENČNÍ

Krystaly v rozsahu 50 kHz až 500 kHz vyžadují charakteristické faktory, které se neobjevují u převládajících HF krystalů řezaných AT nebo BT.

Podobný odpor série je mnohem větší a jejich přípustný rozptyl je omezen na méně než 100 mikropattů, ideálně 50 mikropattů nebo méně.

Obvod na obr. 5 je oscilátor v sériovém režimu. Nabízí výhodu v tom, že nepotřebujete laděný obvod, a nabízí výběr sinusového nebo obdélníkového výstupu. U krystalů ve spektru 50–150 kHz se doporučují tranzistory 2N3565, i když vydavatel považuje BC107 za přiměřený.

Obě varianty mohou být adekvátní pro krystaly v rozsahu 150 kHz až 500 kHz. Pokud si myslíte, že krystal obsahuje velký ekvivalentní sériový odpor, můžete zvýšit hodnotu R1 na 270 ohmů a R2 na 3,3 k.

Nízkofrekvenční sériový obvod oscilátoru

Pro operace s obdélníkovými vlnami je C1 1 uF (nebo možná velikost vedle nebo větší než to). Pro sinusový výstup není C1 v obvodu.

Ovládání amplitudy je zbytečné. Výstup sinusové vlny je přibližně 1 V rms, výstup se čtvercovým vzdáním se kolem 4 V mezi špičkami.

Obvod na obr. 6 je ve skutečnosti revidovaným typem Colpittsova oscilátoru se zahrnutím odporu Rf pro regulaci zpětné vazby. Kondenzátory C1 a C2 musí být minimalizovány vypočítanými velikostmi, jak se zvyšuje frekvence.

Při 500 kHz musí být hodnoty pro C1 a C2 odpovídajícím způsobem přibližně 100 pF a 1500 pF. Osvědčený obvod nabízí výstup sinusové vlny s použitím druhé harmonické přibližně o 40 dB nižší (nebo vyšší).

To je často minimalizováno pečlivým vyladěním Rf a C1. Pamatujte, že při sníženém množství je k dosažení zpětné vazby nezbytná zpětná vazba, aby oscilátor dosáhl plného výkonu, vyžaduje přibližně 20 sekund.

Výstup je přibližně 2 až 3 volty mezi špičkami. Pokud potřebujete výstup nabitý harmonickými, dosáhnete toho snadným začleněním kondenzátoru 0,1 uF přes odpor emitoru. Výstup se následně zvyšuje na přibližně 5 V mezi špičkami.

V takových případech lze snížit napájecí napětí, aby se snížil rozptyl krystalů. Lze použít i jiné tranzistory, i když bude pravděpodobně nutné vyladit zkreslení a zpětnou vazbu. U cantankerous krystalů určených k oscilaci v režimech kromě těch, které byste chtěli, obvod na obr.7 důrazně doporučoval

100 kHz laděný krystalový oscilátorový obvod

Zpětná vazba se řídí klepnutím podél zátěže kolektoru Q1. Omezení amplitudy je důležité pro udržení rozptylu krystalů uvnitř hranic. Pro krystaly 50 kHz musí být cívka 2 mH a její rezonanční kondenzátor 0,01 uF. Výstup je přibližně 0,5 V rms, v zásadě sinusová vlna.

Vysoce se doporučuje využití sledovače emitorů nebo vyrovnávací paměti sledovače zdroje.

V případě, že je použit krystal v paralelním režimu, musí být kondenzátor 1000 pF označený v sérii s krystalem změněn na zvolenou zatěžovací kapacitu krystalu (typicky 30, 50 až 100 pF pro tyto typy krystalů).

OBVODY HF CRYSTAL OSCILLATOR

Solid state designy pro dobře známé HF krystaly řezané AT bývají legie. Výsledky však nemusí nutně odpovídat očekáváním. Většina esenciálních krystalů do 20 MHZ je obvykle vybrána pro fungování v paralelním režimu.

Nicméně tento druh krystalů lze použít v oscilátorech sériového režimu umístěním požadované kapacitní zátěže do série s krystaly, jak bylo uvedeno výše. Níže jsou popsány dva typy obvodů.

Dobrý oscilátor pro rozsah 3 až 10 MHz, který nevyžaduje laděný obvod, je uveden na obr.8 (a). Je to přirozeně stejný obvod jako na obr.6. Obvod funguje extrémně dobře až do 1 MHz, když C1 a C2 jsou vyšší než 470 pF, respektive 820 pF. Může být využito na 15 MHz v případě, že C1 a C2 budou sníženy na 120 pF a 330 pF. resp.

obvod paralelního oscilátoru

Tento obvod se doporučuje pro nekritické účely, při kterých je požadován velký harmonický výstup, nebo není doplňkem. Zahrnutí laděného obvodu jako v 8b významně minimalizuje harmonický výstup.

Obvykle se doporučuje vyladěný obvod s podstatným Q. V 6 MHz oscilátoru jsme dosáhli níže uvedených výsledků. S cívkou Q 50 byla 2. harmonická úplně dolů 35 dB.

S Q 160 to bylo -50 dB! Rezistor Rf může být změněn (trochu zvýšen), aby to vylepšil. Výstup je dodatečně zvýšen pomocí vysoké Q cívky.

Jak již bylo dříve uvedeno, se sníženou zpětnou vazbou vyžaduje několik desítek sekund, než se dosáhne 100% výkonu při zapnutí, i tak je frekvenční stabilita fantastická.

Fungování na různých frekvencích lze dosáhnout efektivním nastavením kondenzátorů a cívky.

Tento obvod (obr.8) lze také změnit na extrémně užitečné VXO. Malá indukčnost je definována v sérii s krystalem a jeden z kondenzátorů v obvodu zpětné vazby se používá jako proměnný typ.

Běžný dvoukanálový ladicí kondenzátor vysílače 10-415 pF provede úkol dokonale. Každý gang je propojen paralelně.

oscilátor s proměnnou frekvencí VXO

Rozsah ladění je určen krystalem, indukčností L1 a frekvencí. Větší rozsah je obecně přístupný pomocí krystalů s vyšší frekvencí. Stabilita je extrémně dobrá, blíží se stabilitě krystalu.

NÁSOBIČ VKV OSCILÁTORU

Obvod na obr.10 je upravená verze overtonového oscilátoru „inverze impedance“. Typicky je použití impedančního invertujícího obvodu kolektor buď vyladěn, nebo uzemněn pro RF.

Kolektor může být naladěn na dvojnásobek nebo trojnásobek frekvence krystalu, aby se minimalizoval výstup na frekvenci krystalu, je navržen 2x laděný obvod.

NIKDY NESMÍTE naladit kolektor na frekvenci krystalu, jinak může obvod oscilovat s frekvencí, která může být mimo kontrolu krystalu. Musíte udržovat vedení kolektoru velmi malé a jeden na jednoho co nejvíce můžete.

Konečné výsledky při použití tohoto typu obvodu byly skvělé. Téměř všechny výstupy kromě požadovaného výkonu byly na -60 dB nebo vyšší.

Produkce šumu dosahuje minimálně 70 dB pod požadovaným výkonem. Tím se vytvoří vynikající konverzní oscilátor pro převaděče VHF / UHF.

Prakticky 2 V RF lze získat na horkém terminálu L3 (autorský originál na 30 MHz). Zenerovo regulované napájení důrazně doporučujeme.

Jak je uvedeno v diagramu, různé hodnoty obvodu jsou nezbytné pro různé tranzistory. Stray ve specifické struktuře mohou také vyžadovat úpravy. L1 lze použít k pohybu krystalu na frekvenci. Drobné úpravy frekvence (přibližně 1 ppm) probíhají při úpravách L2 a L3, stejně jako při používání variací zátěže. Řekl jsem, že při skutečném testování mohou být tyto věci nepodstatné.




Předchozí: Parametry datového listu komparátoru Další: Jak správně zapojit modul senzoru plynu MQ-135