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一文详解晶体振荡器

CHANBAEK 来源:网络整理 作者:网络整理 2024-02-06 11:18 次阅读

晶体振荡器的概念

晶体振荡器是一种电子振荡器电路,用于压电材料振动晶体的机械谐振。它将产生具有给定频率的电信号。该频率通常用于记录时间,例如手表用于数字集成电路中以提供稳定的时钟信号,也用于稳定无线电发射器和接收器的频率。石英晶体主要用于射频RF)振荡器。石英晶体是最常见的压电谐振器类型,在振荡器电路中,我们使用它们,因此被称为晶体振荡器。晶体振荡器的设计必须能够提供负载电容

由于石英晶体的物理特性,它能够在特定的频率下产生稳定的谐振。晶体振荡器利用这一点,通过振荡电路将石英晶体的谐振频率转化为电信号输出,从而提供一个高精度、高稳定度的频率源。

晶体振荡器具有多种封装形式,包括金属外壳封装、玻璃壳封装、陶瓷封装和塑料封装等。其频率稳定性受到多种因素的影响,如环境温度、电源电压等。因此,在使用晶体振荡器时,需要根据具体的应用场景选择适当的封装形式和频率稳定度等级。

总之,晶体振荡器是一种利用石英晶体的压电效应产生稳定频率信号的电子设备,广泛应用于各种需要高精度、高稳定度频率源的场合。

晶体振荡器的工作原理

晶体振荡器电路通常根据逆压电效应原理工作。施加的电场会在某些材料上产生机械变形。因此,它利用由压电材料制成的振动晶体的机械共振来产生特定频率的电信号。

通常,石英晶体振荡器高度稳定,具有良好的品质因数(Q),尺寸小,并且经济相关。因此,与LC电路、音叉等其他谐振器相比,石英晶体振荡器电路更加优越。通常,在微处理器微控制器中,我们使用 8MHz 晶体振荡器。

image.png

等效电路还描述了晶体的晶体作用。只要看看上面所示的等效电路图即可。电路中使用的基本元件,电感L代表晶体质量,电容C2代表柔量,C1代表因晶体机械成型而形成的电容,电阻R代表晶体内部结构摩擦力,石英晶体振荡器电路该图由串联和并联谐振等两个谐振组成,即两个谐振频率。

当电容 C1 产生的电抗与电感 L 产生的电抗大小相等且方向相反时,就会发生串联谐振。fr 和 fp 分别表示串联和并联谐振频率,‘fr’ 和‘fp’ 的值可以通过上面公式确定。

晶体振荡器的等效电路

例如,看下面的晶体振荡器的等效电路:

image.png

Rs是引线的电阻,Cp是镀银板的电容,L和Cs隐藏在石英内部。

使晶体在某一频率下非常稳定的特性是它的 Q 值,这个值很大,通常为 20 到 3 万。由于 Cp 和 Cs 非常小,为了使 L 产生共振,它必须很大,通常是几个亨利! Q 是电抗与电阻之比。

image.png

从上图中可以看出,晶体有两个谐振点。较低阻抗串联谐振主要由 Cs 和 L1 控制,而较大阻抗并联谐振主要由与 L1 串联且与 Cp 并联的 Cs 控制。

晶体振荡器电路图

1、反相门晶体振荡器电路图

您可以制作的最简单的振荡器是使用一个反相门,如下所示:

image.png

几乎所有反相门 CMOS 都可以在这里工作,包括4069、74HC04、74HC1)等。

不直观的是,所有数字门都有增益,如果您对它们施加偏置(如上面的 1M5电阻器,它们就会充当放大器。输出仅提供 180° 相移,因此电容器用于提供其余相移,以使反馈为正(360°)并引起振荡。这些组件都不是非常重要的。 R1 可以是 10k 到 10M 之间的任何值,C1 和 C2 可以是 10p 到 100p 之间的值。

这完全取决于晶体的频率和切割类型。上面的值是典型值,适用于我的面包板。我为 C1 使用了一个可变电容器,这样我就可以将计数器上的频率精确设置为 10.0000MHz。如果你不需要那么精确,你可以使用第二个 39p 电容器。

2、射频晶体振荡器电路图

无线电爱好者几十年来一直依赖如下电路的晶体振荡器。许多间谍发射机是在二战期间制造的,其电路如下所示(当然使用阀门)。

image.png

主晶振在左下角Q1、X1等,后面是一个1W的小型功率放大器(PA)Q3,驱动低通滤波器和匹配电路。振荡器的开启和关闭是通过一个关键整形电路(Q2)实现的,使其平稳地启动和停止。这可以防止点击被传输。

FET 振荡器的漏极电路是一个调谐电路 (L1 C3),可提供更多功率和更清晰的波形。这些都构成了业余频段 (40m) QRP CW(连续波或莫尔斯电码)发射机。

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