Explicación de los osciladores de cristal

Hemos leído mucho sobre osciladores, pero los osciladores de cristal parecen ser un poco misteriosos. Los libros de pasatiempos tienden a decir: construya un circuito de este tipo y luego límpielo hasta que oscile. Los textos de ingeniería tienden a continuar con ganancias de bucle, pero no son muy claros en la práctica. A [circuit digest] un cartel que continúa una serie de osciladores tiene un buen tratamiento práctico del tema.

Los cristales tienen una frecuencia de resonancia natural y oscilarán a esa frecuencia o a un múltiplo de ella con la excitación adecuada. El truco, por supuesto, es encontrar la emoción adecuada.

El cartel comienza con un modelo básico de cristal que tiene capacitancia e inductancia en serie junto con resistencia. También hay un condensador en paralelo o en derivación. Cuando solicita un cristal, especifica si desea la frecuencia de resonancia en serie o en modo paralelo, es decir, cuál de los condensadores del modelo desea que resuene desde el inductor, para que el modelo tenga una aplicación práctica efectiva.

Aplicando la fórmula habitual de resonancia en el modelo, verá que hay cero y un pico que corresponden a los dos puntos de resonancia. La caída es la frecuencia en serie y el pico es el paralelo. De hecho, puede ver un rastro de cristal real en una publicación reciente que hicimos en Analog Discovery 2. Coincide bastante bien con las matemáticas, como puede ver a la derecha.

Quizás se pregunte si podría dejar un cristal y simplemente usar los elementos del modelo. Teóricamente sí. Pero la Q, la relación entre la reactancia y la resistencia, será mucho más baja que la del cristal. El cristal también es más estable que las resistencias, condensadores e inductores típicos, por lo que encuentran uso donde se necesita una frecuencia precisa y efectiva. El alto Q hace que los cristales sean útiles también en filtros de banda estrecha.

Hay varias arquitecturas de oscilador comunes, y un procedimiento de diseño típico es comenzar con una y calcular los valores requeridos. La publicación analiza el oscilador de Colpitts. Por lo general, puede distinguir un oscilador de Colpitts recordando que comienza con C y que el bucle de reacción tiene un condensador dividido (a diferencia de un inductor golpeado). El póster también muestra un oscilador Pierce y varios osciladores digitales. Sin embargo, el cartel deja de pasar por los cálculos del proyecto. Sin embargo, todavía hay mucha buena información. Si puedes influir en un amplificador de inversión, tienes que hacerlo bien.

Puede probar un cristal inyectando una frecuencia resonante en él. También hemos visto SDR potenciados para pruebas.

  • Bruce Perens K6BP dice:

    Lo más importante que debe saber acerca de un cristal es que funciona según el principio piezoeléctrico, que transmite la electricidad en fuerza mecánica y viceversa. El cristal es un dispositivo mecánico y realmente vibra, aunque tan levemente que no puedes percibirlo. Acelerar el cristal acorta su vida.

    • Allan H dice:

      Igualmente importante es saber que se trata de una resonancia mecánica y, por lo tanto, tiene varios modos no modelados por el circuito equivalente que se muestra en el artículo. La mayoría (?) Osciladores usarán el modo fundamental, pero muchos osciladores (especialmente por encima de unas pocas decenas de MHz) contendrán un circuito de filtro adicional para que puedan seleccionar uno de los armónicos y oscilar a esa frecuencia en su lugar.
      Nota: las frecuencias de las sombras de los resonadores mecánicos no serán normalmente N x la frecuencia de la fundamental.
      El fabricante del cristal establecerá el sobretono que especifique.

      Esto también tiene múltiples consecuencias en la música:
      https://eo.wikipedia.org/wiki/Stretched_tuning
      https://eo.wikipedia.org/wiki/Inharmonic

    • Nate B dice:

      Entonces, ¿cuánto vibra? Tengo esta idea anotada en mi cuaderno de bocetos durante años: “¿Decapitar el cristal, rebotar el láser, crear un escáner de líneas?”

      Y si eso funciona, oriente dos como los espejos en la cocina XY y dibuje figuras abiertas doblando rocas, recortando la serie y el paralelo L y C para dibujar la frecuencia de los cristales. 🙂

      Uno de estos días encontraré una reserva de cristales de cristal brillantes, viejos y gigantes, los que están en las cajas grandes que puedes abrir fácilmente. Pero arrojaré la idea allí en caso de que alguien los tenga a mano.

      • rnjacobs dice:

        La constante piezoeléctrica del cuarzo depende del eje en el que se corte, pero independientemente, estamos hablando de números en el orden de picómetros a nanómetros por voltio. Sin disminución visible, pero ¿quizás interferometría?

  • Dave B. dice:

    Si alguna vez necesita un pretexto para aprender a construir correctamente un oscilador de cristal, descarte el AVR y tome STM32.

    • gatedfuzz dice:

      hecho. qué sigue

    • zdebel dice:

      Sí, ¿cuál es la diferencia entre AVR y STM32 a este respecto? No me di cuenta de mí mismo. Pulgar normal 12 – 22pF y YOLO!

  • rfi dice:

    Hace años un cristal internacional tenía en su sitio web una nota noténica, que recorría la historia de la conservación del tiempo y pasaba por todo tipo de dispositivos de selección, desde péndulos hasta átomos. Una sección trataba sobre cuántos ciclos podría obtener de cada tipo de dispositivo, y si está configurado correctamente, y en condiciones más prácticas. Su cristal común de todos los días ha desempolvado la competencia, ya que casi siempre funciona en condiciones ideales. Recuerdo que una conclusión es que un pulso en un cristal podría sonar hasta un millón de veces. Entonces, un cristal de 1 Mhz con un pulso de excitación podría sonar por un segundo. Pensé que era muy divertido. Si alguien tiene una copia de este documento, publíquelo. Fue una lectura agradable.

    Como un aparte interesante, mi primer trabajo hace décadas, reparando contestadores automáticos, los realmente costosos te permitían llamar y recuperar tus mensajes de forma remota. Tenía una fobia que sostenía el teléfono que generaba un tono, y el tono fue descifrado en la máquina. Aunque existían formas más elegantes de descifrar tonos que, estas unidades usaban módulos herméticos con un par de bobinas y un diapasón en ellos. Una bobina excitaría el diapasón y la otra bobina tomaría la señal si el diapasón se moviera. A su favor, curaron dos problemas con una sola pista. Eran muy simples para resolver problemas y, dado que eran electromecánicos, tardaron unos segundos en “revivir”, por así decirlo, por lo que solo el habla normal y el ruido de fondo no los iniciarían falsamente. Era un sistema monótono muy simple. Ojalá tuviera algunos más con los que jugar hoy. Técnica adecuada del té antiguo.

  • Jacques dice:

    Nunca puse el condensador de 22pf en mis proyectos ATmega 16Mhz, nunca tuve un problema. Pero esto no es cierto con las CPUs STM32 más rápidas. ¿Cuáles son tus pensamientos?

    • rebobinar dice:

      El AVR funciona más rápido que los 16 MHz que esperaría del cristal. No mucho, pero fuera de las +/- 20ppm que especifica el cristal.

      El STM32 es un poco más lujoso. si hace las cosas bien (pistas cortas, monte los condensadores), siempre funciona.

  • Alan dice:

    Algunos circuitos de medición de inductancia usan el cambio de frecuencia causado al agregar un inductor a un circuito sintonizado. ¿Podrían medirse los pequeños inductores por su efecto sobre la frecuencia del cristal?

  • código nórdico dice:

    Los osciladores de cristal son uno de mis elementos favoritos.

  • John Honniball dice:

    Hice un video el otro día de cristal de cuarzo en un sobre de vidrio, como una válvula (tubo de vacío): https://www.youtube.com/watch?v=OKmzT0pEOPs

    Fue fabricado por la empresa Marconi y resuena a 333,33 kHz. ¿Alguien sabe cuántos años podría tener?

Ricardo Vicente
Ricardo Vicente

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