准确的时间是我们认为理所当然的大部分技术的最基本要求之一,但我们有多少人停下来考虑使我们拥有它的组件?当我们的微处理器和其他数字电路需要经济实惠,已知且稳定的时钟频率时,石英晶振是我们的首选标准.也许是时候我们仔细看看它了.
无线电频率的第一个电子振荡器依赖于具有电感器和电容器的调谐电路的电气特性,以保持它们的频率.调谐电路便宜且易于生产,但其频率稳定性受外部因素(如温度和振动)的影响很大.因此,使用调谐电路的RF振荡器可以在其操作期间漂移许多kHz,并且不能依赖其定时.早在计算机需要精确计时之前,20世纪20年代和30年代的无线电发射机需要保持频率,并且必须保持相当大的努力以使调谐电路发射机保持在目标上.石英晶体正在等待,为我们节省了这笔费用.
良好的振动
调谐电路频率稳定性问题的解决方案是使用贴片晶振,这是一种谐振元件,其物理特性比电感器或电容器对外部因素(如温度)的影响要小得多.石英晶体是压电的,也就是说,当你使它们变形时,它们会产生电荷,当向它们施加电荷时,它们又会变形.因此,您可以在精心切割的石英晶体中电气设置物理振动.正如调谐叉,锣和其他弹性固体可以显示物理共振一样,晶体可以用作电谐振器.

石英晶体的电等效模型是与电容器并联的串联调谐电路,具有并联和串联调谐电路的一些特性.它与由传统元件制成的调谐电路的不同之处在于具有极高的Q因子或窄带宽.它可以以与调谐电路相同的方式结合在石英晶体振荡器的反馈电路中,然后振荡器将以其谐振频率快速运行.
坚如磐石
实用的晶体采用精密研磨的圆盘或合成石英晶片的形式,两侧都有化学沉积的金属电极.它们安装在密封的包装中以确保其稳定性.
有许多晶体振荡器配置,但如果使用数字电路,最可能遇到的电路是Pierce振荡器.您会发现它是使用离散逻辑门以及众多微处理器和其他IC实现的.晶体配置有一对电容器和一个高值偏置电阻器,作为从反相器输出到输入的相移网络.其中一个电容器有时可以并联一个小的可变电容器,允许进行非常小的频率调整以校正各个晶体的容差.在晶体的共振频率下,晶体上需要180度的相移以维持振荡.

这是所有在Overtones
石英晶体的共振频率与其尺寸成比例.随着晶体变薄,频率增加.最终随着频率的增加,在没有晶体破裂的情况下,材料的厚度不能进一步减小,因此存在不能制造晶体的上限频率.它取决于所采用的技术,但通常在20MHz晶振以上.
当然,你会指出晶体可以在这个频率上多次使用,那么它是什么?答案是高于该数字的晶体频率是通过谐波泛音实现的.低于20MHz的频率仅仅是基本谐振,其他谐振可以在基频的倍数处在同一晶体中实现.通过系绳中的驻波,或者如图所示的封闭管的声学特性,可以容易地证明这种效果.
在实践中,设计用于泛音的晶体将在其基频的奇数倍处具有共振.因此,例如具有10MHz基频的泛音晶振也将在30MHz和50MHz处具有泛音谐振.

在上面显示的皮尔斯电路中放置一个泛音晶体不会导致它以泛音频率振荡,而是会在其基频上运行.泛音振荡器必须包含一个额外的调谐电路,用于抑制基频,留下最突出的谐波谐振来决定振荡频率.在我们的CMOS振荡器逻辑应用笔记示例中,逆变器输出网络中的电感执行此任务.
除振荡器外还有另一种功能,您可能会遇到晶体.在无线电电路中,它们极窄的带宽意味着它们可以菊花链式连接,以制作极具选择性的滤波器.产生单边带传输的一种方法是利用足够窄的晶体滤波器从双边带抑制载波AM信号中提取一个边带.

当你需要一个水晶控制的时钟时,你可能会找到一个现成的普通有源晶振模块,永远不需要创建自己的晶体振荡器模块.当您需要更高频率的时钟时,您将使用具有锁相环的时钟发生器芯片,因此您永远不需要制作泛音振荡器.但是,对于任何常用组件而言,在基础知识方面具有基础并没有任何害处,晶体也不例外.

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