Một số yếu tố ảnh hưởng tác động đến độ không thay đổi tần số của bộ xê dịch nói chung gồm có : sự biến hóa về nhiệt độ, sự đổi khác của tải, cũng như những đổi khác so với điện áp nguồn DC của nó .Độ không thay đổi tần số của tín hiệu đầu ra hoàn toàn có thể được cải tổ đáng kể bằng cách lựa chọn thích hợp những thành phần được sử dụng cho mạch phản hồi cộng hưởng, gồm có cả bộ khuếch đại. Nhưng có một số lượng giới hạn so với sự không thay đổi hoàn toàn có thể nhận được từ những mạch thông thường LC và RC .
Bộ dao động tinh thểBộ xê dịch tinh thể
Để có được mức độ ổn định rất cao của bộ dao động, Tinh thể thạch anh thường được sử dụng làm thiết bị xác định tần số để tạo ra Mạch tạo xung gọi là Mạch tạo xung thạch anh , (XO).
Khi một nguồn điện áp được đặt vào một mảnh tinh thể thạch anh, nó bắt đầu thay đổi hình dạng tạo ra một đặc tính được gọi là hiệu ứng điện Piezo. Hiệu ứng điện Piezo này là đặc tính của tinh thể mà điện tích tạo ra lực cơ học bằng cách thay đổi hình dạng của tinh thể và ngược lại, lực cơ học tác dụng lên tinh thể tạo ra điện tích.
Các thiết bị điện áp hoàn toàn có thể được phân loại là Bộ chuyển đổi khi chúng quy đổi nguồn năng lượng của loại này thành nguồn năng lượng của loại khác ( điện thành cơ hoặc cơ thành điện ). Hiệu ứng piezo-điện này tạo ra giao động cơ học hoặc xê dịch hoàn toàn có thể được sử dụng để sửa chữa thay thế mạch LC tiêu chuẩn trong những bộ xê dịch trước đó .Có nhiều loại chất tinh thể khác nhau hoàn toàn có thể được sử dụng làm bộ giao động, trong đó quan trọng nhất trong số này cho những mạch điện tử là thạch anh, một phần do độ bền cơ học của chúng lớn hơn .
Tinh thể thạch anh được sử dụng trong Mạch tạo xung thạch anh là một mảnh hoặc phiến thạch anh cắt rất nhỏ, mỏng với hai bề mặt song song được luyện kim loại để tạo ra các kết nối điện cần thiết. Kích thước vật lý và độ dày của một mảnh tinh thể thạch anh được kiểm soát chặt chẽ vì nó ảnh hưởng đến tần số cuối cùng hoặc tần số cơ bản của dao động. Tần số cơ bản thường được gọi là “tần số đặc trưng” của tinh thể.
Sau khi được cắt và tạo hình, tinh thể không hề được sử dụng ở bất kể tần suất nào khác. Nói cách khác, size và hình dạng của nó quyết định hành động tần số giao động cơ bản của nó .Đặc tính hoặc tần số đặc trưng của tinh thể tỷ suất nghịch với độ dày vật lý của nó giữa hai mặt phẳng sắt kẽm kim loại. Một tinh thể giao động cơ học hoàn toàn có thể được trình diễn bằng một mạch điện tương tự gồm điện trở thấp R, độ tự cảm L lớn và điện dung C nhỏ như hình bên dưới .
Mạch tạo xung thạch anh
Mạch điện tương tự của tinh thể thạch anh cho thấy một mạch RLC tiếp nối đuôi nhau, đại diện thay mặt cho những xê dịch cơ học của tinh thể, song song với một điện dung, Cp đại diện thay mặt cho những link điện với tinh thể. Bộ xê dịch tinh thể thạch anh có xu thế hoạt động giải trí theo hướng “ cộng hưởng tiếp nối đuôi nhau ” .Trở kháng tương tự của tinh thể có cộng hưởng tiếp nối đuôi nhau trong đó Cs tụ cộng hưởng với độ tự cảm Ls ở tần số hoạt động giải trí của tinh thể. Tần số này được gọi là tần số tiếp nối đuôi nhau tinh thể ƒs. Cũng như tần số tiếp nối đuôi nhau này, có một điểm tần số thứ hai được thiết lập là tác dụng của cộng hưởng song song được tạo ra khi Ls và Cs cộng hưởng với tụ điện song song Cp như hình vẽ .
Trở kháng mạch tạo xung thạch anh chống lại tần số
Đường dốc trở kháng tinh thể ở trên cho thấy rằng khi tần số tăng trên những đầu của nó. Ở một tần số đơn cử, tương tác giữa tụ điện tiếp nối đuôi nhau C và cuộn cảm Ls tạo ra một mạch cộng hưởng tiếp nối đuôi nhau làm giảm trở kháng của những tinh thể xuống nhỏ nhất và bằng Rs. Điểm tần số này được gọi là tần số cộng hưởng của chuỗi tinh thể ƒs và dưới ƒs là điện dung .Khi tần số tăng lên trên điểm cộng hưởng tinh thể hoạt động giải trí giống như một cuộn cảm cho đến khi tần số đạt đến tần số cộng hưởng song song của nó ƒp. Tại điểm tần số này, tương tác giữa cuộn cảm tiếp nối đuôi nhau, Ls và tụ điện song song, Cp tạo ra một mạch LC song song và như vậy trở kháng qua tinh thể đạt giá trị cực lớn .Chúng ta hoàn toàn có thể thấy rằng một tinh thể thạch anh là sự tích hợp của một chuỗi và những mạch cộng hưởng được kiểm soát và điều chỉnh song song, xê dịch ở hai tần số khác nhau với sự độc lạ rất nhỏ giữa chúng tùy thuộc vào mặt phẳng cắt của tinh thể. Ngoài ra, vì tinh thể hoàn toàn có thể hoạt động giải trí ở tần số cộng hưởng tiếp nối đuôi nhau hoặc song song của nó, nên một mạch xê dịch tinh thể cần được kiểm soát và điều chỉnh đến một hoặc tần số khác vì bạn không hề sử dụng cả hai cùng nhau .Vì vậy, tùy thuộc vào những đặc tính của mạch, một tinh thể thạch anh hoàn toàn có thể hoạt động giải trí như một tụ điện, một cuộn cảm, một mạch cộng hưởng tiếp nối đuôi nhau hoặc như một mạch cộng hưởng song song và để chứng minh điều này rõ ràng hơn, tất cả chúng ta cũng hoàn toàn có thể vẽ biểu đồ của những tinh thể phản kháng với tần số như hình bên .
Điện trở của tinh thể với tần số
Độ dốc của điện kháng so với tần số ở trên, cho thấy rằng điện kháng tiếp nối đuôi nhau ở tần số ƒs tỷ suất nghịch với Cs vì dưới ƒs và trên ƒp tinh thể Open điện dung. Giữa những tần số ƒs và ƒp, tinh thể Open cảm ứng khi hai điện dung song song triệt tiêu .Công thức cho tần số cộng hưởng của chuỗi tinh thể, ƒs được cho là :
Tần số cộng hưởng nối tiếp
Tần số cộng hưởng song song, ƒp xảy ra khi cảm kháng của chân LC tiếp nối đuôi nhau bằng với cảm kháng của tụ điện song song, Cp và được cho là :
Tần số cộng hưởng song song
Mạch tạo xung thạch anh Ví dụ No1
Một tinh thể thạch anh có những giá trị sau : Rs = 6,4 Ω, Cs = 0,09972 pF và Ls = 2,546 mH. Nếu điện dung trên đầu cực của nó, Cp được đo ở 28,68 pF, Tính tần số xê dịch cơ bản của tinh thể và tần số cộng hưởng thứ cấp của nó .Tần số cộng hưởng của chuỗi tinh thể, ƒ S
Tần số cộng hưởng song song của tinh thể, ƒ P.
Chúng ta hoàn toàn có thể thấy rằng sự độc lạ giữa ƒs, tần số cơ bản của tinh thể và ƒp là nhỏ vào lúc 18 kHz ( 10.005 MHz – 9.987 MHz ). Tuy nhiên trong dải tần số này, thông số Q. ( Hệ số chất lượng ) của tinh thể rất cao vì độ tự cảm của tinh thể cao hơn nhiều so với những giá trị điện dung hoặc điện trở của nó. Hệ số Q. của tinh thể ở tần số cộng hưởng chuỗi được cho là :
Hệ số Q
Hệ số Q. của ví dụ trên khoảng chừng 25.000, là do tỷ suất X L / R cao. Hệ số Q. của hầu hết những tinh thể nằm trong vùng từ 20.000 đến 200.000 so với mạch LC mà tất cả chúng ta đã luận bàn trước đây sẽ nhỏ hơn 1.000. Giá trị thông số Q. này cũng góp thêm phần vào độ không thay đổi tần số cao hơn của tinh thể ở tần số hoạt động giải trí của nó, khiến nó trở nên lý tưởng để thiết kế xây dựng những mạch xê dịch tinh thể .Vì vậy, tất cả chúng ta đã thấy rằng một tinh thể thạch anh có tần số cộng hưởng tựa như như tần số cộng hưởng của một mạch LC nhưng với thông số Q. cao hơn nhiều. Điều này hầu hết là do điện trở tiếp nối đuôi nhau thấp Rs. Do đó, những tinh thể thạch anh trở thành một lựa chọn linh phụ kiện tuyệt vời để sử dụng trong những bộ xê dịch, đặc biệt quan trọng là những bộ giao động tần số rất cao .
Các bộ dao động tinh thể điển hình có thể có tần số dao động từ khoảng 40kHz đến hơn 100MHz tùy thuộc vào cấu hình mạch của chúng và thiết bị khuếch đại được sử dụng. Vết cắt của tinh thể cũng xác định cách nó sẽ hoạt động vì một số tinh thể sẽ dao động ở nhiều hơn một tần số, tạo ra các dao động bổ sung được gọi là âm bội.
Ngoài ra, nếu tinh thể không có độ dày song song hoặc như nhau, nó hoàn toàn có thể có hai hoặc nhiều tần số cộng hưởng với tần số cơ bản tạo ra sóng hài, ví dụ điển hình như sóng hài bậc hai hoặc bậc ba .Nói chung, mặc dầu tần số xê dịch cơ bản của tinh thể thạch anh mạnh hơn hoặc rõ ràng hơn nhiều so với tần số xê dịch của và sóng hài thứ cấp xung quanh nó nên đây sẽ là tần số được sử dụng. Chúng ta đã thấy trong đồ thị trên rằng một mạch tương tự tinh thể có ba thành phần trở kháng, hai tụ điện và một cuộn cảm nên có hai tần số cộng hưởng, thấp nhất là tần số cộng hưởng tiếp nối đuôi nhau và cao nhất là tần số cộng hưởng song song .
Chúng ta đã thấy trong các hướng dẫn trước, rằng một mạch khuếch đại sẽ dao động nếu nó có độ lợi lớn hơn hoặc bằng một và phản hồi là dương. Trong Mạch tạo xung thạch anh, bộ dao động sẽ dao động ở tần số cộng hưởng song song cơ bản của tinh thể vì tinh thể luôn dao động khi có nguồn điện áp đặt vào nó.
Tuy nhiên, cũng có thể “điều chỉnh” một bộ dao động tinh thể thành bất kỳ sóng hài chẵn nào của tần số cơ bản, (bậc 2, 4, 8, v.v.) và chúng thường được gọi là Bộ dao động hài trong khi Bộ dao động Overtone dao động ở bội số lẻ của tần số cơ bản, bậc 3, bậc 5, bậc 11, v.v.). Nói chung, các bộ dao động tinh thể hoạt động ở tần số âm bội làm như vậy bằng cách sử dụng tần số cộng hưởng chuỗi của chúng.
Mạch tạo xung thạch anh Colpitts
Các mạch xê dịch tinh thể thường được kiến thiết xây dựng bằng cách sử dụng transistor lưỡng cực hoặc FET. Điều này là do mặc dầu những bộ khuếch đại thuật toán hoàn toàn có thể được sử dụng trong nhiều mạch giao động tần số thấp ( ≤ 100 kHz ) khác nhau, những bộ khuếch đại thuật toán không có dải thông để hoạt động giải trí được ở những tần số cao hơn tương thích với những tinh thể trên 1MH z .Thiết kế của Mạch tạo xung thạch anh rất giống với phong cách thiết kế của mạch tạo xung Colpitts, ngoại trừ mạch LC cung ứng giao động phản hồi đã được sửa chữa thay thế bằng một tinh thể thạch anh như hình dưới đây .
Mạch dao động tinh thể Colpitts
Mạch tạo dao động tinh thể này được thiết kế xung quanh một Mạch khuếch đại C chung (emitter-follower). Các điện trở R 1 và R 2 là mạch phân áp cung cấp điện áp cho cực B của transistor, điện trở R E đặt mức điện áp đầu ra. Điện trở R 2 được đặt càng lớn càng tốt để ngăn tải đến tinh thể được kết nối song song.
Transistor ; l2N4265 là một bóng bán dẫn NPN đa năng được liên kết trong một cấu hình bộ thu chung và có năng lực hoạt động giải trí ở vận tốc chuyển mạch vượt quá 100M hz, cao hơn nhiều so với tần số cơ bản tinh thể hoàn toàn có thể nằm trong khoảng chừng 1MH z đến 5MH z .
Sơ đồ mạch ở trên của mạch Dao động tinh thể Colpitts cho thấy rằng các tụ điện, C1 và C2 đóng ngắt đầu ra của transistor làm giảm tín hiệu phản hồi. Do đó, độ lợi của transistor giới hạn các giá trị lớn nhất của C1 và C2. Biên độ đầu ra phải được giữ ở mức thấp để tránh tiêu tán công suất quá mức trong tinh thể nếu không có thể tự phá hủy do dao động quá mức.
Mạch tạo xung thạch anh
Một thiết kế phổ biến khác của Mạch tạo xung thạch anh là của Bộ tạo dao động Pierce . Bộ tạo dao động Pierce có thiết kế rất giống với bộ tạo dao động Colpitts trước đây và rất phù hợp để thực hiện các mạch dao động tinh thể sử dụng một tinh thể như một phần của mạch phản hồi của nó.
Bộ tạo giao động Pierce hầu hết là một mạch kiểm soát và điều chỉnh cộng hưởng tiếp nối đuôi nhau ( không giống như mạch cộng hưởng song song của bộ giao động Colpitts ) sử dụng JFET để khuếch đại vì FET phân phối trở kháng đầu vào rất cao với tinh thể được liên kết giữa Drain và Gate trải qua tụ điện C1 như hiển thị bên dưới .
Bộ tạo dao động Pierce
Trong mạch đơn thuần này, tinh thể xác lập tần số xê dịch và hoạt động giải trí ở tần số cộng hưởng tiếp nối đuôi nhau của nó ƒs tạo ra một đường trở kháng thấp giữa đầu ra và nguồn vào. Có một sự dịch pha 180 o khi cộng hưởng, làm cho phản hồi tích cực. Biên độ của sóng sin đầu ra được số lượng giới hạn trong khoanh vùng phạm vi điện áp lớn nhất tại Drain .Điện trở, R1 điều khiển và tinh chỉnh lượng phản hồi và tinh thể trong khi điện áp trên cuộn cảm ở tần số vô tuyến, RFC đảo ngược trong mỗi chu kỳ luân hồi. Hầu hết đồng hồ đeo tay kỹ thuật số, đồng hồ đeo tay và bộ đếm thời hạn sử dụng Bộ xê dịch Pierce ở một số ít hình thức hoặc hình thức khác vì nó hoàn toàn có thể được triển khai bằng cách sử dụng tối thiểu những thành phần .Cũng như việc sử dụng những transistor và FET, tất cả chúng ta cũng hoàn toàn có thể tạo một bộ xê dịch tinh thể cộng hưởng song song cơ bản đơn thuần hoạt động giải trí tựa như như bộ tạo xê dịch Pierce bằng cách sử dụng CMOS làm thành phần khuếch đại. Bộ xê dịch tinh thể thạch anh cơ bản gồm có một cổng logic Schmitt trigger ( mạch so sánh ) hòn đảo như loại TTL 74HC19 hoặc CMOS 40106, 4049, một tinh thể cảm ứng và hai tụ điện. Hai tụ điện này xác lập giá trị của tải điện dung của tinh thể. Điện trở tiếp nối đuôi nhau giúp hạn chế dòng truyền động trong tinh thể và cũng cách ly đầu ra của bộ nghịch lưu khỏi trở kháng phức tạp được hình thành bởi tinh thể và tụ điện .
Bộ dao động tinh thể CMOS
Tinh thể giao động với tần số cộng hưởng tiếp nối đuôi nhau của nó. CMOS khởi đầu được đưa vào giữa vùng hoạt động giải trí của nó bởi điện trở phản hồi R1. Điều này bảo vệ rằng điểm Q. của Cmos nằm trong vùng có độ lợi cao. Ở đây, một điện trở giá trị 1M Ω được sử dụng, nhưng giá trị của nó không quan trọng miễn là nó lớn hơn 1M Ω. Một bộ quy đổi được sử dụng để đệm đầu ra từ bộ giao động đến tải được liên kết .Bộ chuyển đổi làm dịch pha 180 o và mạng tụ điện – tinh thể thêm 180 o thiết yếu cho giao động. Ưu điểm của bộ tạo giao động tinh thể CMOS là nó sẽ luôn tự động hóa kiểm soát và điều chỉnh lại chính nó để duy trì độ lệch pha 360 o này cho giao động .Không giống như những bộ xê dịch tinh dùng transistor trước kia tạo ra dạng sóng đầu ra hình sin, vì bộ tạo giao động CMOS sử dụng những cổng logic kỹ thuật số, đầu ra là một sóng vuông xê dịch giữa CAO và THẤP. Đương nhiên, tần số hoạt động giải trí tối đa nhờ vào vào đặc tính chuyển mạch của cổng logic được sử dụng .
Tạo dao động xung nhịp vi xử lý
Hầu như toàn bộ những bộ vi giải quyết và xử lý, bộ điều khiển và tinh chỉnh vi mô, PIC và CPU thường hoạt động giải trí bằng cách sử dụng Bộ tạo giao động tinh thể thạch anh làm thiết bị xác lập tần số của nó để tạo ra dạng xung clock do tại như tất cả chúng ta đã biết, bộ xê dịch tinh thể cung cấp độ đúng mực và không thay đổi tần số cao nhất so với tụ điện trở, ( RC ) hoặc cuộn cảm-tụ điện, ( LC ) xê dịch .Xung nhịp CPU cho biết bộ giải quyết và xử lý hoàn toàn có thể chạy và giải quyết và xử lý tài liệu nhanh như thế nào với bộ vi giải quyết và xử lý, PIC hoặc vi điều khiển và tinh chỉnh có vận tốc xung nhịp 1MH z có nghĩa là nó hoàn toàn có thể giải quyết và xử lý tài liệu nội bộ một triệu lần mỗi giây tại mỗi chu kỳ luân hồi xung nhịp. Nói chung, toàn bộ những gì thiết yếu để tạo ra dạng sóng xung nhịp của bộ vi giải quyết và xử lý là một tinh thể và hai tụ gốm có giá trị trong khoảng chừng từ 15 đến 33 pF như hình dưới đây .
Bộ tạo dao động vi xử lý
Hầu hết những bộ vi giải quyết và xử lý, vi điều khiển và tinh chỉnh và PIC đều có hai chân giao động có nhãn OSC1 và OSC2 để liên kết với mạch tinh thể thạch anh bên ngoài, mạng giao động RC tiêu chuẩn hoặc thậm chí còn là bộ cộng hưởng gốm. Trong loại ứng dụng vi giải quyết và xử lý này, Mạch tạo xung thạch anh tạo ra một nhóm những xung sóng vuông liên tục có tần số cơ bản được tinh chỉnh và điều khiển bởi chính tinh thể. Tần số cơ bản này pháp luật luồng lệnh điều khiển và tinh chỉnh thiết bị bộ giải quyết và xử lý. Ví dụ, xung clock chính và thời hạn mạng lưới hệ thống .
Ví dụ về bộ dao động tinh thể No2
Một tinh thể thạch anh sau khi bị cắt có những giá trị sau : Rs = 1 kΩ, Cs = 0,05 pF, Ls = 3H và Cp = 10 pF. Tính Tần số xê dịch tiếp nối đuôi nhau và tần số xê dịch song song .Tần số xê dịch tiếp nối đuôi nhau được cho là :
Tần số giao động song song được cho là :
Khi đó tần số giao động của tinh thể sẽ nằm trong khoảng chừng từ 411 kHz đến 412 kHz .
