Een kristaloscillator-schakeling bouwen: Een praktische gids voor ingenieurs

Bent u een ingenieur of fabrikant die de frequentie van tijdmeting of het stabiliseren van radiozenders en -ontvangers wil begrijpen? Als ja, moet u een breed begrip hebben van een kristaloscillator-schakeling met belastingcapaciteit. Op die manier kunt u een project bouwen, zoals een horloge dat de tijd bijhoudt of kloksignalen levert. Ook zult u de kristaloscillator-schakelingen voornamelijk in RF-oscillators vinden.

Dus, in dit artikel zullen we uitgebreid over kristaloscillators praten.

Wat is een Kristaloscillator-schakeling?

Kristaloscillator Diagram

Bron: Wikimedia Commons

In eenvoudige termen is een kristaloscillator-schakeling de elektronische printplaat die het apparaat huist dat een specifieke frequentie produceert. Het is ook een elektronische oscillator-schakeling die werkt met de mechanische resonantie van een trillende kristal—om een consistente frequentie te genereren.

Verder kunt u de frequentie die geproduceerd wordt vanuit een kristaloscillator gebruiken voor het volgende:

• Tijd bijhouden in kwarts horloges
• Stabiel signaal genereren voor digitale IC's
• Stabiliseren en handhaven van een breed bereik van radio-ontvanger en -zender frequenties

Ook hangt een kristaloscillator sterk af van getransponeerde piezo-elektriciteit of electrostrictie om effectief te functioneren. En het proces gebeurt wanneer u veranderingen in de vorm van een kwarts kristal binnen een elektrisch veld aanbrengt.

Hoe werkt de Kristaloscillator?

De kristaloscillator gebruikt het inverse piezo-elektriciteitsprincipe. En de resonante schakeling omvat weerstand (interne wrijving van de kristalstructuur), inductie (kristalmassa), Capaciteit C1 (capaciteit van de mechanische vormgeving van de kristal), en Capaciteit C2 (nacoming).

Dus, wanneer u een elektrisch modelleerveld op de schakeling toepast, zal het mechanische deformatie over sommige materialen genereren. De cursus produceert ook een potentiaalverschil over de tegenovergestelde gezichten van de kristal.

Evenzo, als u een potentiaalverschil heeft dat over een van de gezichten toepast, zal mechanische spanning resulteren. En deze mechanische spanning is het Piezo-elektrisch effect.

Typisch is het beste kristal om voor deze schakeling te gebruiken Kwarts. Naast dat het superieur is aan de meeste resonators; is Kwarts draagbaar. Ook zijn ze zeer stabiel, economisch gerelateerd, gemakkelijk beschikbaar en hebben een goede kwaliteitsfactor.

Dat gezegd hebbende, kan uw piezo-elektrisch kristal een mechanische trilling hebben wanneer u het aan een geschikte wisselende potentiaal onderwerpt. Verder, wanneer uw wisselspannings-frequentiebereik gelijk is aan de natuurlijke frequentie van uw kristal, zult u een maximum van de amplitude van uw mechanische trillingen krijgen.

Daarnaast verklaart het equivalente elektrische circuit de werking van de kristal. Ook heeft de kwarts kristaloscillator twee fundamentele resonanties, zoals parallelle en series resonanties.

Hoe Kristaloscillator-schakelingen te bouwen?

Hier zijn enkele voorbeelden van kristaloscillator-schakelingen:

1. Kristaloscillator-schakelingen met 74LS04

Kristaloscillator met 74LS04

Bron: Researchgate ℅ Xiao Chen

Het is redelijk veelvoorkomend om dit type schakeling in digitale toepassingen te vinden. En dat is omdat het verschillende golfvormen produceert. Ook helpen ze om een bereik van frequenties te creëren als basistijd.

Enkele onderdelen die de schakeling gebruikt zijn:

• Kristal om samen met een weerstand te voegen
• Een condensator en weerstand in de RC-oscillator-schakeling
• De LC-oscillator-schakeling met condensators en draden

Werkprincipe

Deze schakeling past twee weerstanden van dezelfde weerstand (1K tot 4,7K) aan met een kristaloscillator-ontwerp (1MHz tot 10MHz). En het werkt met twee inverterpoorten die binnen IC1 parallelle resonantie zijn.

Gebaseerd op het kristal dat uw schakeling gebruikt, kan het een output overtone frequentietolerantie van 1MHz tot 10MHz genereren. Geen twijfel, u kunt enkele kleine defecten in de uitgangsfrequentiestabiliteit ervaren.

En dit gebeurt vanwege temperatuurveranderingen wanneer de schakeling werkt. Gevolgt beïnvloedt het de capaciteit van het kristal en creëert frequentietoleranties. Maar als u deze schakeling vergelijkt met de veelvoorkomende oscillators die LC of RC-netwerken gebruiken, heeft het een lagere waarde.

Verder gebruikt deze schakeling lage stroomverbruik. Daarom kunt u kiezen voor een constante voeding van 5V. Bovendien kunt u de uitgang op een constante spanning handhaven door een DC-voeding van 9 tot 12 volt te gebruiken naar een DC-regelaar IC2-78L05.

Wanneer de condensators (C1, C2) stroom filteren, trekt C2 een hoge frequentie en beschermt het circuit tegen interferentie.

Dat gezegd hebbende, hier zijn de componenten die u nodig heeft voor deze schakeling:

• XTAL1 – kristallen tussen 1MHz tot 10MHz
• R1, R2 – 1K tot 4,7K (1/4W + 5%)
• C3 – 2,2µF (16V) elektrolytisch
• IC1 – 74LS04, Inverterpoort IV
• C1 – 10µF (16V) elektrolytisch
• IC2 – 78L05 (5V)
• Universele PCB-printplaat
• D1 – 1N4001 (1A 50V) diode
• C2 – 0,1µF (50V) polyester

De schakeling testen met TTL 74LS04

Omdat deze schakeling goedkoop en eenvoudig is, hebt u een kristal, een TTL SN7404 en vier weerstanden nodig. De weerstanden (R1 tot R4) zullen de drie inverterpoorten in de lineaire gebieden biassen terwijl de kristal terugkoppeling geeft.

Ook treedt oscillatie alleen op op de primaire frequentie van het kristal. Dan, op 5V p-p, zou uw uitgangssignaal een Vierkante Golf Oscillator moeten vormen.

2. Overtone Oscillator

Overtone Oscillator

Bron: Researchgate ℅ Peter Pfeifer

Een overtone oscillator is nuttig wanneer u geen standaardgesneden kristallen kunt maken, en uw kwartswafer redelijk dun is. Bijvoorbeeld, uw oscillator heeft een afgestemde last van een 144-zender met een frequentiebron.

En de last heeft meestal een onevenvoudige veelvoud van de primaire frequentie van het kristal. Daarom is een overtone oscillator het beste geschikt voor deze toepassing. De overtone kristallen in deze oscillator zijn 11,6MHz, en het stemt af op de derde harmonische van 34,8MHz.

De primaire windingen van deze schakeling zijn 15 met een uitgangstransformator (Amidon T-50_6). Wat de secundaire windingen betreft, hangt het af van wat u met de opstelling verbindt. Dus, als uw uitgang een meer drievoudige schakeling volgt, zal het apparaat de bron zijn voor een transceiver van 104 MHz kristal.

3. CD4060 Kristaloscillator-schakeling

Kristaloscillator met CD4060

Bron: Researchgate

Dat gezegd hebbende, omvat de cursus IC4013 en IC4060. Deze schakeling heeft een frequentiegrootte van ongeveer 1Hz of 2Hz. En u kunt het gebruiken voor een standaard digitale klok of een gewone klokschakeling. Ook is de IC4060 een enkelwerkende Oscillator en Teller. En u kunt de frequentie bepalen met de externe condensator en weerstand.

Verder heeft de IC4060 kwartskristal, en het is de standaardfrequentiegenerator van de schakeling. De condensator wordt niet achtergelaten aangezien het helpt bij de periode-aanpassing. En de IC4060 heeft tellercursussen binnen—met een frequentie van 2Hz die de pin 3 deelt. Ook, als u twee van de kloksignalfrequenties wilt delen, gebruikt u de IC4015.

4. Radiofrequentie Oscillatoren

RF Oscillator schakelingsontwerp

Bron: Researchgate ℅ CCBY

Als u goed kijkt naar het schakelingsdiagram, zult u de hoofdkristaloscillator in de linkerbovenhoek opmerken. Ook zult u een kleine 1W-versterker zien.

Het component helpt een laagdoorlaatfilter en aanpassingsschakeling te drijven.

Dan gebruikt de oscillator een sleutelvormschakeling om de oscillator in- en uit te schakelen.

Gevolglik zal de schakeling zachtjes starten en stoppen. Verder helpt het om de transmissie van klikken te vermijden.

Het apparaat biedt meer vermogen en een schonere golfvorm, en dat is allemaal dankzij de drain-schakeling van de FET-oscillator. Interessant genoeg heeft de cursus stroom afkomstig van een 40m amateurband QRP Morse-code of continuous wave (microschakelaar) zender.

5. Inverterende Poort Oscillatoren

Inverterende Poort Oscillatoren

De inverterende poort oscillators zijn een van de eenvoudigste oscillators die u kunt maken. Het beste deel is dat u kunt kiezen voor bijna elke inverterende poort CMOS, wat zal werken. Dus, u kunt inverterende poort CMOS gebruiken zoals 74HC14, 4069, 74HC04, etc.

Verder hebben alle digitale poorten meestal een winst. Maar als u ze wilt laten werken als versterkers, biasseer ze met een weerstand van ongeveer 1M5 en hoger. Ook kan uw schakeling een fasverschuiving van 1800 bieden. En de enigste manier om positieve terugkoppeling van 3600 te maken en oscillatie te initiëren is om condensators te gebruiken. De condensators zullen u helpen de overige fasverschuiving te leveren.

Dat gezegd hebbende, geen van de componenten in deze schakeling zijn kritiek. Dus, de condensators (C1 en C2) kunnen variëren van 10p tot 100p. Aan de andere kant kan uw weerstand (R1) tussen 10K tot 10M liggen. Kortom, uw waarden moeten afhangen van de snede en frequentie van uw kristal.

Wat als u precieze waarden wilt? U kunt dit krijgen door ervoor te zorgen dat uw C1 een variabele condensator is. Maar als u die precisie niet nodig hebt, kies voor een tweede 39p condensator.

Toepassingen van de Kristaloscillator

U kunt de kristaloscillator gebruiken voor de volgende cruciale toepassingen:

• Videospellen
• Modems
• Personal computers
• Automotive toepassing
• Telecommunicatie
• Motorcontrole
• Digitale systemen
• GPS-systemen
• Temperatuursensoren
• Kabeltelevisiesystemen

De Kern

Geen twijfel, diepgaande informatie boven de kristaloscillator-schakeling geeft u een aanzienlijk voordeel bij het creëren van specifieke elektronische apparaten—voornamelijk DIY.

Dat is waarom we dit artikel schreven—om u te helpen op uw reis om te leren over kristaloscillator-schakelingen.

Daarom zullen we blij zijn om uw vragen over dit artikel te beantwoorden. Dus, neem gerust contact met ons op, en we zullen u zo spoedig mogelijk terugkoppelen.