Wie funktioniert ein Quarzkristall?

Könnten Sie erklären, wie ein Quarz funktioniert, vielleicht mit einem einfachen Schema mit den wesentlichen Dingen? Ich weiß, es wirkt wie eine Art Stabilisator für einen Oszillator, aber mehr nicht.

Quarz ist ein piezoelektrisches Material, das heißt, wenn Sie es mechanisch verformen, entwickelt es Ladungen auf seiner Oberfläche. In ähnlicher Weise verursacht es mechanische Spannungen im Kristall, wenn Sie Ladungen auf seine Oberfläche legen. Der Vorteil eines Quarzkristalls für eine Schaltung besteht darin, dass der Kristall mechanisch ähnlich wie eine Stimmgabel mit einer natürlichen Resonanzfrequenz wirkt und aufgrund der piezoelektrischen Eigenschaft in eine elektronische Schaltung eingekoppelt werden kann. Da die Resonanzfrequenz hauptsächlich durch die physikalische Größe und Form des Quarzes bestimmt wird, erhalten Sie eine Frequenzreferenz, die viel weniger temperaturempfindlich ist als bei Verwendung nur von LC-Schaltkreisen.

Da es bereits zwei gute Antworten gibt, werde ich nur versuchen, dieselbe Sache anders zu erklären.

Hintergrund

In einem Pierce-Oszillator ist also ein digitales System mit einem Quarzoszillator verbunden.

Jetzt haben Sie wahrscheinlich gesehen, wie Logikgatter mit einer festgelegten Anstiegszeit den Status wechseln. Wenn Sie sich mit elektromagnetischer Verträglichkeit oder digitalem Hochgeschwindigkeitsdesign beschäftigen (das beste Buch, das es gibt, ist das von Johnson ), werden Sie feststellen, dass dies als ein breites Spektrum von Frequenzen betrachtet werden kann.

Was der Kristall macht

Es gibt zwei Möglichkeiten, die Funktionsweise des Kristalls im Frequenzbereich und im Zeitbereich zu betrachten. Ich werde aus persönlichen Gründen mit dem Frequenzbereich beginnen. Ich treibe jeden Elektrotechniker, mit dem ich arbeite, dazu an, im Frequenzbereich zu Hause zu sein. viele probleme werden hier einfach und komplizierte antworten haben bedeutung.

Frequenzbereich

Aus Sicht des Frequenzbereichs ist ein Kristall ein Filter mit einer sehr spezifischen Frequenz und einem sehr hohen Q-Faktor (Qualitätsfaktor). Dies bedeutet, dass Sie von allen von Ihnen erzeugten Frequenzen nur die bestimmte zulassen, die der Kristall durchlässt.

Zeitbereich

Der andere Weg ist, sich ein Tor vorzustellen, das an sich selbst gebunden ist. Wenn nichts vorhanden wäre, würde eine Rechteckwelle mit einer Frequenz erzeugt, die der Verzögerung entspricht. Diese Frequenz ist jedoch nicht sehr zuverlässig und hängt auch von vielen Herstellungsparametern ab. Hier wirkt sich der Kristall aus. Wenn auf dem Kristall eine ansteigende Flanke platziert ist, wird das Signal nur mit der Frequenz "durchgelassen", für die es ausgewählt wurde. Plötzlich wird die 100-MHz-Rechteckwelle aufgrund des Kristalls zu einer 20-MHz-Sinuswelle.

Ein bisschen extra überlegt

Frage mich, warum Oszillatoren so viel Strom ziehen? Sie laden und entladen die Kapazität in der Oszillatorschaltung 20 Millionen Mal pro Sekunde. Außerdem tun viele Transistoren in Ihrer Schaltung für alle Taktzyklen dasselbe. Wenn Sie keine Geschwindigkeit benötigen, kostet ein 32-kHz-Oszillator auf Mikrocontrollern nur sehr wenig Strom.

Lassen Sie mich wissen, ob ich klarer sein kann.

Aus Wikipedia :

Ein Oszillatorkristall hat zwei elektrisch leitende Platten, zwischen denen eine Scheibe oder eine Stimmgabel aus Quarzkristall liegt. Während des Startvorgangs legt die Schaltung um den Kristall ein Wechselstromsignal mit zufälligem Rauschen an, und rein zufällig liegt ein winziger Bruchteil des Rauschens auf der Resonanzfrequenz des Kristalls. Der Kristall beginnt daher synchron mit diesem Signal zu schwingen. Wenn der Oszillator die aus dem Kristall kommenden Signale verstärkt, werden die Signale im Frequenzband des Kristalls stärker und dominieren schließlich den Ausgang des Oszillators. Das schmale Resonanzband des Quarzkristalls filtert alle unerwünschten Frequenzen heraus.

Ich möchte einige zusätzliche - eher wichtige - Features erwähnen:

• Der Quarz kann sowohl im Serien- als auch im Parallelresonanzbetrieb betrieben werden (beide Resonanzfrequenzen liegen jedoch ziemlich nahe beieinander);

• In einigen Anwendungen (insbesondere bei Transistor-Oszillatoren wie dem Pierce-Typ) wird der Quarz NICHT als Resonanzkreis, sondern als qualitativ hochwertiger Induktor verwendet .