Cristalli, oscillatori e risonatori. Qual è la differenza?


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Sto cercando di capire la differenza tra cristalli, oscillatori e risonatori. Sto iniziando a coglierlo ma ho ancora alcune domande.

Da quanto ho capito, un oscillatore è costruito da un cristallo e due condensatori. Che cos'è un risonatore allora? È una differenza nella terminologia?

Se un oscillatore e un risuonatore sono simili, perché questi due elementi:

http://www.digikey.com/product-detail/en/HWZT-16.00MD/535-9379-ND/675574

http://www.digikey.com/product-detail/en/FCR16.0M2G/445-1646-ND/653108

hanno due perni fuori e senza terra. Considerando questo

http://www.digikey.com/product-detail/en/ZTT-16.00MX/X908-ND/170095

ha tre pin uno dei quali è un terreno?

Uno di questi tre dispositivi funzionerà come un clock esterno per un microcontrollore?

PS: punti bonus per una spiegazione di come i condensatori aiutano il cristallo a funzionare correttamente. :)


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electronics.stackexchange.com/a/17894/638 Questa risposta spiega alcuni dei motivi per cui i cristalli hanno bisogno di condensatori.
W5VO

Discussione di cristalli contro risonatori qui: electronics.stackexchange.com/a/20893/4512
Olin Lathrop

Risposte:


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Sia i risuonatori ceramici che i cristalli di quarzo funzionano secondo lo stesso principio: vibrano meccanicamente quando viene applicato un segnale CA. I cristalli di quarzo sono più precisi e stabili alla temperatura rispetto ai risuonatori ceramici. Il risonatore o il cristallo stesso ha due connessioni. A sinistra il cristallo, a destra il risonatore in ceramica.

inserisci qui la descrizione dell'immagine inserisci qui la descrizione dell'immagine

Come dici tu, l'oscillatore ha bisogno di componenti extra, i due condensatori. La parte attiva che fa funzionare l'oscillatore è un amplificatore che fornisce l'energia per mantenere l'oscillazione in corso.

inserisci qui la descrizione dell'immagine

Alcuni microcontrollori hanno un oscillatore a bassa frequenza per un cristallo a 32.768 kHz, che spesso ha i condensatori integrati, quindi sono necessari solo due collegamenti per il cristallo (a sinistra). La maggior parte degli oscillatori, tuttavia, ha bisogno dei condensatori esternamente e quindi si hanno connessioni: input dall'amplificatore, output all'amplificatore e terra per i condensatori. Un risonatore a tre pin ha i condensatori integrati.

La funzione dei condensatori: per oscillare il cristallo amplificatore ad anello chiuso deve avere uno sfasamento totale di 360 °. L'amplificatore si sta invertendo, quindi è di 180 °. Insieme ai condensatori il cristallo si prende cura degli altri 180 °.

modifica
Quando si accende un oscillatore a cristallo è solo un amplificatore, non si ottiene ancora la frequenza desiderata. L'unica cosa che c'è è un rumore di basso livello su un'ampia larghezza di banda. L'oscillatore amplifica quel rumore e lo fa passare attraverso il cristallo, sul quale entra di nuovo nell'oscillatore che lo amplifica di nuovo e così via. Non dovrebbe farti solo molto rumore? No, le proprietà del cristallo sono tali da far passare solo una piccolissima quantità di rumore, attorno alla sua frequenza di risonanza. Tutto il resto sarà attenuato. Quindi alla fine è rimasta solo quella frequenza di risonanza, e poi stiamo oscillando.

Puoi confrontarlo con un trampolino. Immagina un gruppo di bambini che ci saltano sopra a caso. Il trampolino non si muove molto e i bambini devono fare molti sforzi per saltare di soli 20 cm. Ma dopo qualche tempo inizieranno a sincronizzarsi e il trampolino seguirà il salto. I bambini salteranno sempre più in alto con meno sforzo. Il trampolino oscillerà alla sua frequenza di risonanza (circa 1Hz) e sarà difficile saltare più velocemente o più lentamente. Quelle sono le frequenze che verranno filtrate.
Il bambino che salta sul trampolino è l'amplificatore, fornisce l'energia per mantenere l'oscillazione in corso.

Ulteriori letture
MSP430 oscillatori a cristallo 32 kHz


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Grazie per la magnifica risposta. Ora ricevo il problema dei cristalli, degli oscillatori e dei risonatori. Adesso mi ha aperto un'altra domanda. L'MC fornisce un "tick-tock" costante all'oscillatore, che l'amplificatore amplifica in grandezza? Oppure l'MC sta inviando un segnale all'ingresso dell'oscillatore, quindi l'oscillatore attende un certo periodo di tempo, quindi l'oscillatore invia un segnale all'MC, che ricomincia il processo?
Alexis K,

@AlexisK - No, non è così. La vibrazione continua continuamente e l'amplificatore continua a spingere il cristallo allo stesso tempo. Vedi la modifica alla mia risposta.
Stevenvh,

Non voglio dire che devi essere eccessivamente rigoroso, ma la tua spiegazione sul principio di funzionamento di un oscillatore, se non del tutto sbagliato, è fuorviante. Quando dici: "L'amplificatore si sta invertendo, quindi quello è di 180 °. Insieme ai condensatori il cristallo si prende cura degli altri 180 °". Qui, la prima frase è giusta, ma la seconda è solo una sciocchezza. Poiché questa domanda pone delle differenze, è sufficiente una semplice spiegazione in modo da non dover essere molto comprensivi sul principio di funzionamento. Anche la spiegazione dell'avvio dell'oscillatore ha i suoi problemi: è più simile a un'oscillazione :)
Krauss,

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Per rispondere alla tua domanda, un risonatore è essenzialmente un cristallo a basso budget.

Un oscillatore è un circuito amplificatore, con feedback in modo che oscilli, e un "elemento che determina la frequenza" che lo fa oscillare alla frequenza desiderata. Un cristallo può essere creato per una frequenza precisa e si sposta molto poco se la temperatura o la capacità parassita cambiano. È anche molto efficiente e richiede pochissima energia per mantenerlo oscillante. I cristalli sono generalmente realizzati in quarzo e paghi per tutte le caratteristiche sopra.

I risonatori sono realizzati con elementi ceramici anziché con quarzo. Non tengono anche la loro frequenza. Questo potrebbe non essere importante per un microprocessore, ma lo sarà se il circuito viene utilizzato in una radio, un orologio o altre applicazioni critiche per il timing. Costano meno e quindi vengono utilizzati laddove la stabilità non è così importante.

I microprocessori avranno spesso la "parte amplificatore" incorporata, quindi tutto ciò che devi fare è aggiungere il risonatore o il cristallo. Altrimenti, o costruisci un circuito oscillatore, oppure puoi acquistare un "modulo oscillatore", che ha tutti i componenti necessari in una lattina. Devi fornire energia a un modulo oscillatore.

Per "non preoccuparsi" dei tempi, alcuni microprocessori consentono l'uso di un circuito RC (resistore e condensatore) come elemento di determinazione della frequenza. Microchip PIC ha persino tutto integrato.


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