Kristalloszillatorschaltung:Wie man eine baut

Sind Sie ein Ingenieur oder Hersteller, der die Frequenz der Tracking-Zeit oder die Stabilisierung von Funksendern und -empfängern verstehen möchte? Wenn ja, müssen Sie ein breites Verständnis einer Quarzoszillatorschaltung mit Lastkapazität haben. Auf diese Weise können Sie ein Projekt erstellen, wie eine Uhr, die die Zeit verfolgt oder Taktsignale liefert. Außerdem finden Sie die Kristalloszillatorschaltungen meistens in HF-Oszillatoren.

In diesem Artikel werden wir also ausführlich über Quarzoszillatoren sprechen.

Was ist eine Quarzoszillatorschaltung?

Kristalloszillator-Diagramm

Quelle:Wikimedia Commons

Einfacher ausgedrückt ist eine Quarzoszillatorschaltung die elektronische Leiterplatte, auf der sich das Gerät befindet, das eine bestimmte Frequenz erzeugt. Es ist auch eine elektronische Oszillatorschaltung, die mit der mechanischen Resonanz eines schwingenden Kristalls arbeitet, um eine konsistente Frequenz zu erzeugen.

Darüber hinaus können Sie die von einem Kristalloszillator erzeugte Frequenz für Folgendes verwenden:

• Zeiterfassung in Quarzuhren
• Erzeugt ein stetiges Signal für digitale ICs
• Stabilisieren und erhalten Sie eine breite Palette von Funkempfänger- und Senderfrequenzen

Außerdem hängt ein Kristalloszillator stark von transponierter Piezoelektrizität oder Elektrostriktion ab, um effektiv zu funktionieren. Und der Prozess findet statt, wenn sich die Form eines Quarzkristalls in einem elektrischen Feld ändert.

Wie funktioniert der Kristalloszillator?

Der Quarzoszillator nutzt das Prinzip des inversen piezoelektrischen Effekts. Und der Resonanzkreis umfasst Widerstand (Reibung der inneren Struktur des Kristalls), Induktivität (Kristallmasse), Kapazität C1 (Kapazität aus der mechanischen Formung des Kristalls) und Kapazität C2 (Nachgiebigkeit).

Wenn Sie also ein elektrisches Modellfeld an die Schaltung anlegen, führt dies bei einigen Materialien zu einer mechanischen Verformung. Der Kurs erzeugt auch eine Potentialdifferenz über die gegenüberliegenden Seiten des Kristalls.

Wenn Sie eine Potentialdifferenz haben, die sich über eine der Flächen erstreckt, führt dies gleichermaßen zu mechanischer Belastung. Und diese mechanische Belastung ist der piezoelektrische Effekt.

Typischerweise ist der beste Kristall für diese Schaltung Quarz. Außerdem ist es den meisten Resonatoren überlegen; Quarz ist tragbar. Außerdem sind sie sehr stabil, wirtschaftlich relevant, leicht verfügbar und haben einen guten Qualitätsfaktor.

Allerdings kann Ihr piezoelektrischer Kristall eine mechanische Schwingung haben, wenn Sie ihn einem geeigneten Wechselpotential aussetzen. Wenn der Frequenzbereich Ihrer Wechselspannung der Eigenfrequenz Ihres Kristalls entspricht, erhalten Sie außerdem ein Maximum der Amplitude Ihrer mechanischen Schwingungen.

Außerdem erklärt das elektrische Ersatzschaltbild die Wirkungsweise des Quarzes. Außerdem hat der Quarzkristalloszillator zwei Grundresonanzen, wie Parallel- und Serienresonanzen.

Wie baut man Quarzoszillatorschaltungen?

Hier sind einige Beispiele für Kristalloszillatorschaltungen:

1. Quarzoszillatorschaltungen mit 74LS04

Kristalloszillator mit 74LS04

Quelle:Researchgate ℅ Xiao Chen

Es ist ziemlich üblich, diese Art von Schaltung in digitalen Anwendungen zu finden. Und das liegt daran, dass es unterschiedliche Wellenformen erzeugt. Außerdem helfen sie dabei, eine Reihe von Frequenzen als Basiszeit zu erstellen.

Einige der Teile, die die Schaltung verwendet, umfassen:

• Kristall zum Verbinden mit einem Widerstand
• Ein Kondensator und Widerstand in der RC-Oszillatorschaltung
• Die LC-Oszillatorschaltung mit Kondensatoren und Drähten

Arbeitsprinzip

Diese Schaltung passt zwei Widerstände mit demselben Widerstandswert (1K bis 4,7K) mit einem Kristalloszillator-Design (1MHz bis 10MHz) zusammen. Und es funktioniert mit zwei Inverter-Gates, die innerhalb der IC1-Parallelresonanz liegen.

Basierend auf dem Quarz, den Ihre Schaltung verwendet, kann sie eine Ausgangs-Obertonfrequenztoleranz von 1 MHz bis 10 MHz erzeugen. Zweifellos können kleinere Fehler in der Ausgangsfrequenzstabilität auftreten.

Und dies geschieht aufgrund von Temperaturänderungen, wenn die Schaltung in Betrieb ist. Folglich beeinflusst es die Kapazität des Quarzes und erzeugt Frequenztoleranzen. Aber wenn Sie diese Schaltung mit den gewöhnlichen Oszillatoren vergleichen, die LC- oder RC-Netzwerke verwenden, hat sie einen geringeren Wert.

Ferner verwendet diese Schaltung einen geringen Stromverbrauch. Daher können Sie sich für eine konstante Stromversorgung von 5 V entscheiden. Darüber hinaus können Sie den Ausgang auf einer konstanten Spannung halten, indem Sie eine DCV-Versorgung von 9 bis 12 Volt zu einem DC-Regler IC2-78L05 verwenden.

Wenn die Kondensatoren (C1, C2) den Strom filtern, zieht C2 eine hohe Frequenz und schützt die Schaltung vor Störungen.

Das heißt, hier sind die Komponenten, die Sie für diese Schaltung benötigen:

• XTAL1 – Quarze zwischen 1 MHz und 10 MHz
• R1, R2 – 1K bis 4,7K (1/4W + 5%)
• C3 – 2,2 µF (16 V) elektrolytisch
• IC1 – 74LS04, Inverter Gate IV
• C1 – 10µF (16V) elektrolytisch
• IC2 – 78L05 (5V)
• Universelle Leiterplatte
• D1 – 1N4001 (1A 50V) Diode
• C2 – 0,1 µF (50 V) Polyester

Testen der Schaltung mit TTL 74LS04

Da diese Schaltung billig und unkompliziert ist, benötigen Sie einen Kristall, einen TTL SN7404 und vier Widerstände. Die Widerstände (R1 bis R4) werden die Gates der Bauminverter in die linearen Bereiche vorspannen, während der Quarz eine Rückkopplung gibt.

Außerdem tritt eine Schwingung nur bei der Primärfrequenz des Kristalls auf. Dann sollte Ihr Ausgangssignal bei 5 V p-p einen Rechteckoszillator bilden.

2. Obertonoszillator

Obertonoszillator

Quelle:Researchgate ℅ Peter Pfeifer

Ein Obertonoszillator ist nützlich, wenn Sie keine Kristalle mit Standardschliff herstellen können und Ihr Quarzwafer ziemlich dünn ist. Zum Beispiel hat Ihr Oszillator eine abgestimmte Last eines 144-Senders mit einer Frequenzquelle.

Und die Last hat normalerweise ein ungerades Vielfaches der Primärfrequenz des Quarzes. Daher ist ein Obertonoszillator für diese Anwendung am besten geeignet. Die Obertonkristalle in diesem Oszillator haben 11,6 MHz und er stimmt auf die dritte Harmonische von 34,8 MHz ab.

Die Primärwindungen dieser Schaltung sind 15 mit einem Ausgangstransformator (Amidon T-50_6). Was die sekundären Windungen betrifft, hängt es davon ab, was Sie mit dem Setup verbinden. Wenn Ihr Ausgang also einem dreifachen Schaltkreis folgt, ist das Gerät die Quelle für einen Transceiver mit 104-MHz-Quarz.

3. CD4060 Quarzoszillatorschaltung

Kristalloszillator mit CD4060

Quelle:Researchgate

Allerdings umfasst der Kurs IC4013 und IC4060. Diese Schaltung hat eine Frequenzgröße von etwa 1 Hz oder 2 Hz. Und Sie können es für eine Standard-Digitaluhr oder eine normale Uhrenschaltung verwenden. Außerdem ist der IC4060 ein einfachwirkender Oszillator und Zähler. Und Sie können die Frequenz mit dem externen Kondensator und Widerstand bestimmen.

Darüber hinaus verfügt der IC4060 über einen Quarzkristall und ist der Standardfrequenzgenerator der Schaltung. Der Kondensator wird nicht ausgelassen, da er bei der Periodeneinstellung hilft. Und der IC4060 hat Zählerkurse im Inneren – mit einer Frequenz von 2 Hz, die Pin 3 teilt. Wenn Sie zwei der Taktsignalfrequenzen teilen möchten, verwenden Sie den IC4015.

4. Hochfrequenz-Oszillatoren

HF-Oszillator-Schaltungsdesign

Quelle:Researchgate ℅ CCBY

Wenn Sie sich den Schaltplan genau ansehen, werden Sie den Hauptquarzoszillator in der unteren linken Ecke bemerken. Außerdem sehen Sie einen kleinen 1-W-Leistungsverstärker.

Die Komponente hilft, einen Tiefpassfilter und eine Anpassungsschaltung anzusteuern.

Dann verwendet der Oszillator eine Key-Shaping-Schaltung, um den Oszillator ein- und auszuschalten.

Folglich startet und stoppt die Schaltung sanft. Außerdem hilft es, die Übertragung von Klicks zu vermeiden.

Das Gerät bietet mehr Leistung und eine sauberere Wellenform, und das alles dank der Drain-Schaltung seines FET-Oszillators. Interessanterweise wird der Kurs von einem 40-m-Amateurband-QRP-Morsecode- oder Dauerstrichsender (Mikroschalter) mit Strom versorgt.

5. Gate-Oszillatoren invertieren

Gate-Oszillatoren invertieren

Die invertierenden Gate-Oszillatoren sind einer der einfachsten Oszillatoren, die Sie herstellen können. Das Beste daran ist, dass Sie sich für fast jeden CMOS mit invertierendem Gate entscheiden können, der funktioniert. Sie können also CMOS mit invertierendem Gate wie 74HC14, 4069, 74HC04 usw. verwenden.

Darüber hinaus haben volldigitale Tore in der Regel wieder. Wenn Sie jedoch möchten, dass sie wie Verstärker arbeiten, spannen Sie sie mit einem Widerstand von etwa 1M5 und mehr vor. Außerdem kann Ihre Schaltung eine Phasenverschiebung von 1800 bieten. Und die einzige Möglichkeit, eine positive Rückkopplung von 3600 zu erzeugen und eine Schwingung einzuleiten, besteht darin, Kondensatoren zu verwenden. Die Kondensatoren helfen Ihnen, die verbleibende Phasenverschiebung bereitzustellen.

Allerdings ist keine der Komponenten in dieser Schaltung kritisch. Die Kondensatoren (C1 und C2) können also zwischen 10p und 100p liegen. Andererseits kann Ihr Widerstand (R1) zwischen 10K und 10M liegen. Kurz gesagt, Ihre Werte sollten vom Schliff und der Frequenz Ihres Kristalls abhängen.

Was, wenn Sie genaue Werte wollen? Sie können dies erreichen, indem Sie sicherstellen, dass Ihr C1 ein variabler Kondensator ist. Wenn Sie diese Präzision jedoch nicht benötigen, entscheiden Sie sich für einen zweiten 39p-Kondensator.

Anwendungen des Quarzoszillators

Sie können den Quarzoszillator für die folgenden kritischen Anwendungen verwenden:

• Videospiele
• Modems
• Personalcomputer
• Kfz-Anwendung
• Telekommunikation
• Motorsteuerung
• Digitale Systeme
• GPS-Systeme
• Temperatursensoren
• Kabelfernsehsysteme

Das Endergebnis

Zweifellos verschafft Ihnen das Vorhandensein detaillierter Informationen über die Quarzoszillatorschaltung einen erheblichen Vorteil beim Erstellen bestimmter elektronischer Geräte – hauptsächlich zum Selbermachen.

Aus diesem Grund haben wir diesen Artikel geschrieben, um Sie auf Ihrem Weg zum Lernen über Quarzoszillatorschaltungen zu unterstützen.

Daher beantworten wir gerne alle Ihre Fragen zu diesem Artikel. Zögern Sie also nicht, uns zu erreichen, und wir werden uns so schnell wie möglich bei Ihnen melden.