نحوه کارکرد اسیلاتور کریستالی

نحوه کارکرد اسیلاتور کریستالی

قطعه ای الکترونیکی است که وظیفه اصلی آن تولید سیگنال الکتریکی با فرکانس بسیار

دقیق (مثلا ۱۶ مگاهرتز ) و در مدارات نقش مهمی دارد. استفاده از تقویت کننده و فیدبک

فرم دقیقی از یک اسیلاتور الکترونیکی است که در ادامه در رابطه با آنها توضیح بیشتری

خواهیم داد.یکی از مهم ترین کاربردهای کریستال ها در ساعت های دیجیتال نیز می باشد

که تقریبا در تمام ساعت های دنیا یافت می شود.

آنچه در این مطلب می خوانید:

• خصوصیات
• نحوه ی کارکرد داخلی اسیلاتور
• استفاده در مدارات
• اسیلاتور داخلی
• اسیلاتور خارجی
•  طراحی و ساخت کریستال ها

خصوصیات:

یکی از مهمترین خصوصیات اسیلاتورهای کریستالی کوارتز این است که نویز در فاز بسیار کمی نشان می دهند.

به زبانی دیگر سیگنال تولیدی آن ها یک تون خالص (pure tone) است. این آن ها را در مخابرات پر کاربرد می کند،

جایی که سیگنال های پایدار مورد نیاز هستند. و همچنین در وسایل علمی که مرجع دقیق زمانی مورد نیاز است.

اگر چه کریستال ها می توانند برای هر فرکانس رزونانسی ساخته شوند، به دلیل محدودیت های فنی، در عمل مهندسان مدار اسیلاتور کریستالی در حوالی فرکانس های استاندارد کمی طراحی می کنند مانند ۱۰MHz، ۲۰MHz و ۴۰MHz. استفاده از مدار های مقسم فرکانس، چند برابر کننده ی فرکانس و phase locked loop برای ساختن هر فرکانس دلخواه از فرکانس مرجع امکان پذیر است.

مراقب باشید و تنها از یک اسیلاتور کریستالی در طراحی مدارات خود استفاده کنید تا از وقوع نمونه های ظریفی از خطاهای خودپایداری در الکترونیک (metastability in electronics) جلوگیری کنید. اگر این ممکن نیست تعداد کریستال اسیلاتورهای مجزا (PLLها) و دامنه های ساعتی متحد با آن های بایستی به شدت کم شوند با تکنیک هایی چون نصف کردن کلاک (Clock) موجود به جای استفاده از یک منبع جدید کریستالی. هر منبع مجزای کریستالی باید دقیقا توجیه شود زیرا هر کدام حالت های خطای محتمل غیر قابل رفعی را به علت برهم کنش چند کریستالی در وسیله، ایجاد می کنند.

نحوه ی کارکرد داخلی اسیلاتور :

مدار اسیلاتور کریستالی نوسان را با گرفتن سیگنال ولتاژی از رزونانس کننده ی کوارتز، تقویت آن و فیدبک کردن آن به رزونانس کننده، نگه می دارد. سرعت خم و راست شدن کوارتز فرکانس رزونانس است و توسط برش اندازه کریستال تعیین می شود.

نحوه کارکرد اسیلاتور کریستالی 

استفاده در مدارات

هر میکروکنترلر به یک منبع کلاک (ساعت) نیاز دارد. سیگنال کلاک در همه جای یک میکروکنترلر حضور دارد. کلاک سرعت اجرای دستورالعمل‌ها توسط پردازنده، نرخ تبادل ارتباط سریال، زمان مورد نیاز برای تبدیل از آنالوگ به دیجیتال و خیلی چیزهای دیگر را تعیین می‌کند.

همه‌ی این اعمال به بخشی به نام اسیلاتور بازمی‌گردد. بنابراین، شما نیاز به اسیلاتوری دارید که بازدهی که از میکروکنترلر انتظار دارید را برای شما تأمین کند. گاهی اوقات بعضی از اسیلاتورها نسبت به بقیه پیچیده‌تر و یا گران‌تر اند، بنابراین انتخاب اسیلاتور شما باید نمایانگر میزان اهمیت کاهش هزینه و یا پیچیدگی مدار باشد.

چند راه برای تولید یک سیگنال کلاک برای میکروکنترلر وجود دارد. دیتاشیت میکروکنترلر شما اطلاعات کافی در مورد این که چه اسیلاتورهایی قابل استفاده‌اند و نحوه‌ی راه اندازی آن‌ها به نحوی که سازگار با سخت افزار باشند به شما می‌دهد.

بطور کلی در بحث میکروکنترلرها و مدارات دو نوع اسیلاتور کریستالی داریم :

۱-داخلی 

• معمولاً از یک مدار شامل خازن و مقاومت تشکیل شده
• حلقه قفل فاز به عنوان ضررب کننده فرکانسی

۲-خارجی

• Crystal

۱-اسیلاتور داخلی

ساده‌ترین گزینه اسیلاتور داخلی است و تا زمانی که ممکن است، از اسیلاتور داخلی استفاده کنید. در این حالت به هیچ قطعه خارجی نیاز نیست و به دلیل طراحی دقیق خیالتان از بابت فرکانس انتخاب شده راحت است. اطلاعات مربوط به کریستال ها در دیتاشیت هر میکروکنترلری  موجود است.

مهم‌ترین معایب اسیلاتور داخلی نبود دقت و پایداری است. فرکانس پایه‌ی آن به عناصر پسیوی که مدار اسیلاتور را می‌سازند وابسته است که تغییرات این المان‌ها هم کم نیست. خازن‌ها و مقاومت‌ها با دما تغییر می‌کنند، بنابراین اسیلاتورهای RC داخلی با تغییر دما فرکانسشان تغییر می‌کند. در عمل در میکروکنترلر های قدیمی این میزان تغییرات می‌تواند ±۲۰% باشد. هرچند در میکروکنترلرهای جدید این مقدار به ±۱٫۵% هم رسیده.

مورد دیگر در اسیلاتورهای داخلی حلقه قفل فاز است که به اسیلاتوری داخلی با کیفیت کم و سرعت زیاد اجازه می‌دهد مانند یک اسیلاتور خارجی با ثبات باشد. البته این مورد بدون المان‌های خارجی کار نمی‌کند اما هنگامی که یک سیگنال با کیفیت کلاک در PCB موجود است اما به دلیل سرعت کم قابلیت استفاده در میکروکنترلر را ندارد می‌توانید از حلقه قفل فاز برای چند برابر کردن فرکانس آن برای استفاده در میکروکنترلر بهره ببرید.

۲-خارجی ( Crystal )

هنگامی که شما به دقت و پایداری خیلی زیاد بدون پرداختن هزینه‌ی زیاد برای آی سی‌های دارای کریستال نیاز دارید، این اسیلاتوها مناسب شما اند. میزان خطای فرکانسی این اسیلاتور ها ۰٫۰۰۲% است.کریستال اسیلاتورها ابزارهای هوشمندی هستند که از یک کریستال کوارتز و یک مدار برای تولید یک سیگنال استاندارد کلاک دیجیتال تشکیل شده‌اند. بنابراین با این اسیلاتور شما به پایداری و دقت کریستال بدون نگرانی از جانب خازن‌های بار، طراحی دقیق PCB و… دست پیدا می‌کنید.

در عمل در بسیاری از موارد نیازی نیست که یک مدار را به همراه کریستال کوارتز ببندید بلکه المان‌هایی که البته در بازار ایران هم به وفور یافت می‌شود وجود دارد که معروف به کریستال اسیلاتور اند و دارای چهار پایه برای تغذیه و گرفتن خروجی اسیلاتور اند.  این ماژول‌ها در اصل مدار کامل کریستال اسیلاتور شامل کریستال کوارتز هستند.

 طراحی و ساخت کریستال ها:

کریستال های فرکانس بالا معمولا به شکل صفحه مستطیلی ساده ای بریده می شوند.

کریستال های فرکانس پایین، مثل آن هایی که در ساعت های دیجیتالی استفاده می شود،

به شکل یک دیاپازون (tuning fork) بریده می شوند.

کریستال های کوارتز زمان سنجی برای فرکانس های از ده ها کیلوهرتز تا ده ها مگاهرتز ساخته می شوند.

سالانه بیشتر از دو میلیارد کریستال تولید می شود.

اکثر آن ها برای استفاده در ساعت های مچی، ساعت ها، و مدارات الکترونیکی هستند.

هر چند، کریستال کوارتز داخل ابزارهای تست و اندازه گیری مثل شمارنده ها، سیگنال ژنراتورها و

اسیلوسکوپ ها نیز پیدا می شود.

نحوه کارکرد اسیلاتور کریستالی – دنیای صنعت برق