Come funziona un cristallo di quarzo?

Potresti spiegare come funziona un cristallo di quarzo, magari con semplici schemi con le cose essenziali? So che si comporta come una specie di stabilizzatore per un oscillatore, ma niente di più.

Il quarzo è un materiale piezoelettrico, il che significa che se lo deformi meccanicamente, sviluppa cariche sulla sua superficie. Allo stesso modo, se si posizionano cariche sulla sua superficie, provoca stress meccanico nel cristallo. Il modo in cui un cristallo di quarzo beneficia un circuito è che meccanicamente il cristallo si comporta in modo molto simile a un diapason, con una frequenza di risonanza naturale, e la proprietà piezoelettrica consente di accoppiarlo a un circuito elettronico. Poiché la frequenza di risonanza è determinata principalmente dalle dimensioni fisiche e dalla forma del quarzo, si ottiene un riferimento di frequenza che è molto meno sensibile alla temperatura di quanto si otterrebbe usando solo i circuiti LC.

Ci sono già due grandi risposte, quindi cercherò di dare una spiegazione diversa della stessa cosa.

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Quindi, in un oscillatore Pierce hai un sistema digitale collegato a un oscillatore a cristallo.

Ora probabilmente hai visto come le porte logiche cambiano stato, con un tempo di salita specificato. Se dedichi del tempo alla conoscenza della compatibilità elettromagnetica o semplicemente del design digitale ad alta velocità (il miglior libro esistente è quello di Johnson ), imparerai che questo può essere considerato come una vasta gamma di frequenze.

Cosa fa il cristallo

Esistono due modi per vedere cosa fa il cristallo, dal dominio della frequenza e dal dominio del tempo. Inizierò con il dominio della frequenza a causa delle preferenze personali. Spingo ogni ingegnere elettrico con cui lavoro a diventare a casa con il dominio della frequenza; molti problemi qui diventano semplici e le risposte complicate hanno un significato.

Dominio di frequenza

Dal punto di vista del dominio della frequenza, un cristallo è un filtro a una frequenza molto specifica con un fattore Q (qualità) molto elevato. Ciò significa che di tutte quelle frequenze che generi, permetti solo quella specifica che il cristallo consente.

Dominio del tempo

L'altro modo è pensare a un cancello legato su se stesso. Se non ci fosse nulla lì, creerebbe un'onda quadra con una frequenza uguale al ritardo, ma questa frequenza non è estremamente affidabile e varierà anche in base a molti parametri di fabbricazione. Questo è dove il cristallo lo colpisce. Se il cristallo ha un fronte di salita posizionato su di esso, "attraverserà" solo il segnale alla frequenza per la quale è stato selezionato. Improvvisamente, l'onda quadra a 100 MHz diventa un'onda sin di 20 MHz a causa del cristallo.

Un pensiero in più

Ti chiedi perché gli oscillatori assorbono così tanta corrente? Si sta caricando e scaricando la capacità nel circuito dell'oscillatore 20 milioni di volte al secondo. Inoltre, per tutti i cicli di clock molti transistor nel circuito fanno lo stesso. se non hai bisogno di velocità, un oscillatore a 32 KHz costa pochissimo in potenza sui microcontrollori.

Fammi sapere se posso essere più chiaro.

Da Wikipedia :

Un cristallo oscillatore ha due piastre elettricamente conduttive, con una fetta o diapason di cristallo di quarzo inserito tra di loro. Durante l'avvio, il circuito attorno al cristallo applica un segnale CA di rumore casuale ad esso, e puramente per caso, una piccola frazione del rumore sarà alla frequenza di risonanza del cristallo. Il cristallo quindi inizierà a oscillare in sincronia con quel segnale. Man mano che l'oscillatore amplifica i segnali che escono dal cristallo, i segnali nella banda di frequenza del cristallo diventeranno più forti, dominando infine l'uscita dell'oscillatore. La stretta banda di risonanza del cristallo di quarzo filtra tutte le frequenze indesiderate.

Mi piace menzionare alcune funzionalità aggiuntive - piuttosto importanti -:

• Il quarzo può essere utilizzato in serie o in parallelo risonanza (tuttavia, entrambe le frequenze di risonanza sono abbastanza vicine tra loro);

• In alcune applicazioni (in particolare per oscillatori a transistor come il tipo Pierce) il quarzo NON viene utilizzato come circuito risonante ma come induttore di alta qualità .