{"id":63168,"date":"2023-11-22T11:36:53","date_gmt":"2023-11-22T11:36:53","guid":{"rendered":"https:\/\/knowhow.distrelec.com\/bez-kategorii\/przewodnik-po-krysztalach-i-oscylatorach-wg-iqd\/"},"modified":"2023-11-23T09:14:41","modified_gmt":"2023-11-23T09:14:41","slug":"przewodnik-po-krysztalach-i-oscylatorach-wg-iqd","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/knowhow.distrelec.com\/pl\/elektronika\/przewodnik-po-krysztalach-i-oscylatorach-wg-iqd\/","title":{"rendered":"Przewodnik po kryszta\u0142ach i oscylatorach wg IQD"},"content":{"rendered":"\n

Monitorowanie czasu stanowi wa\u017cn\u0105 funkcj\u0119 wi\u0119kszo\u015bci gad\u017cet\u00f3w elektronicznych. Na rynku dominuj\u0105 w tej dziedzinie urz\u0105dzenia kwarcowe g\u0142\u00f3wnie ze wzgl\u0119du na ich wydajno\u015b\u0107 w generowaniu stabilnych cz\u0119stotliwo\u015bci, zapewniaj\u0105cych precyzyjn\u0105 transmisj\u0119 danych przy niskich kosztach. Rozw\u00f3j technologii, takich jak 5G i Wi-Fi, zwi\u0119ksza potrzeb\u0119 doskonalenia jako\u015bci do\u015bwiadcze\u0144 u\u017cytkownik\u00f3w ko\u0144cowych. Z tego wzgl\u0119du wyb\u00f3r odpowiedniego rozwi\u0105zania synchronizuj\u0105cego staje si\u0119 konieczno\u015bci\u0105, kt\u00f3ra doskonale uzupe\u0142nia najnowocze\u015bniejsze aplikacje producent\u00f3w oryginalnego sprz\u0119tu (OEM) i wymagania projektant\u00f3w w zakresie wysokiej wydajno\u015bci.<\/p>\n\n\n\n

Najcz\u0119\u015bciej stosowanymi urz\u0105dzeniami do pomiaru cz\u0119stotliwo\u015bci s\u0105 kryszta\u0142y kwarcowe i oscylatory. Kryszta\u0142y to elementy pasywne i mog\u0105 dzia\u0142a\u0107 tylko wtedy, gdy s\u0105 pod\u0142\u0105czone do zewn\u0119trznego obwodu oscylatora, zazwyczaj wykorzystywanego w wi\u0119kszo\u015bci mikroprocesor\u00f3w. Oscylator, z kolei, nie wymaga zewn\u0119trznych obwod\u00f3w do dzia\u0142ania. Sk\u0142ada si\u0119 z rezonuj\u0105cego kryszta\u0142u wraz z uk\u0142adem scalonym oscylatora, tworz\u0105c pojedyncze urz\u0105dzenie. Oscylatory s\u0105 najcz\u0119\u015bciej wybieran\u0105 metod\u0105 kontroli cz\u0119stotliwo\u015bci, poniewa\u017c ich implementacja jako kompleksowego rozwi\u0105zania wymaga od u\u017cytkownika mniejszej wiedzy projektowej. Do\u015bwiadczeni projektanci, posiadaj\u0105cy specjalistyczn\u0105 wiedz\u0119 w doborze kryszta\u0142\u00f3w, cz\u0119sto preferuj\u0105 kryszta\u0142y kwarcowe, co przek\u0142ada si\u0119 na zoptymalizowan\u0105 wydajno\u015b\u0107.   <\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/figure>\n\n\n\n

Dob\u00f3r odpowiedniego urz\u0105dzenia cz\u0119stotliwo\u015bciowego, zapewniaj\u0105cego optymaln\u0105 funkcjonalno\u015b\u0107, wymaga uwzgl\u0119dnienia czego\u015b wi\u0119cej ni\u017c tylko rodzaju pracy. W du\u017cej mierze zale\u017cy on od charakterystyki kryszta\u0142\u00f3w i oscylator\u00f3w, kt\u00f3re zostan\u0105 om\u00f3wione poni\u017cej.<\/p>\n\n\n\n

Czym charakteryzuje si\u0119 dobry przeka\u017anik czasowy?<\/h2>\n\n\n\n

Cz\u0119stotliwo\u015b\u0107 pracy<\/strong>: W celu zoptymalizowania wydajno\u015bci, ka\u017cda aplikacja ma przypisany okre\u015blony zakres cz\u0119stotliwo\u015bci pracy, co zapobiega nak\u0142adaniu si\u0119 sygna\u0142\u00f3w. Cz\u0119stotliwo\u015b\u0107 32,768 kHz pe\u0142ni rol\u0119 wzorca czasu dla zegark\u00f3w cyfrowych, podczas gdy 26 MHz jest niezb\u0119dne do prawid\u0142owego funkcjonowania system\u00f3w GPS. W standardzie GSM stosuje si\u0119 cz\u0119stotliwo\u015b\u0107 13 Mhz, natomiast w przypadku identyfikacji radiowej (RFID) powszechnie stosuje si\u0119 cz\u0119stotliwo\u015b\u0107 13,56 MHz. Dob\u00f3r urz\u0105dzenia o cz\u0119stotliwo\u015bci, kt\u00f3ra odpowiada danemu zastosowaniu, jest kluczow\u0105 kwesti\u0105 przy wyborze kryszta\u0142\u00f3w i oscylator\u00f3w.<\/p>\n\n\n\n

Stabilno\u015b\u0107 cz\u0119stotliwo\u015bci<\/strong>: Ka\u017cdy kryszta\u0142 charakteryzuje si\u0119 wewn\u0119trzn\u0105 cz\u0119stotliwo\u015bci\u0105 rezonansow\u0105, wynikaj\u0105c\u0105 z jego naturalnych w\u0142a\u015bciwo\u015bci piezoelektrycznych. Stabilno\u015b\u0107 cz\u0119stotliwo\u015bci to normalne odchylenie od cz\u0119stotliwo\u015bci nominalnej. Odchylenie to mo\u017ce wynika\u0107 z r\u00f3\u017cnych czynnik\u00f3w zewn\u0119trznych, przewa\u017cnie z waha\u0144 temperatury, ale tak\u017ce z waha\u0144 napi\u0119cia zasilania, warto\u015bci pojemno\u015bci obci\u0105\u017cenia, a nawet nadmiaru ciep\u0142a na skutek lutowania.<\/p>\n\n\n\n

Komponenty o mniejszej stabilno\u015bci s\u0105 starannie kalibrowane, aby zapewni\u0107 bardziej precyzyjne taktowanie w por\u00f3wnaniu do tych o szerszych zakresach stabilno\u015bci. IQD oferuje szerok\u0105 gam\u0119 produkt\u00f3w, w tym oscylatory z kompensacj\u0105 temperaturow\u0105 (TCXO) o stabilno\u015bci na poziomie \u00b10,05 ppm. Alternatywnie, opcje takie jak oscylator sterowany piecem IQOV-164 (OCXO) zapewniaj\u0105 stabilno\u015b\u0107 w skali \u00b120 ppb.<\/p>\n\n\n\n

Pr\u00f3g temperatury<\/strong>: Wp\u0142yw temperatury na wydajno\u015b\u0107 urz\u0105dze\u0144 taktuj\u0105cych nie ma por\u00f3wnania z innymi czynnikami zewn\u0119trznymi. Zmiany temperatury wywo\u0142uj\u0105 zmiany cz\u0119stotliwo\u015bci, okre\u015blane terminem \u201estabilno\u015b\u0107 cz\u0119stotliwo\u015bci\u201d. Precyzja stabilno\u015bci kwarcu jest \u015bci\u015ble zwi\u0105zana z k\u0105tem, pod jakim pr\u0119t kwarcowy jest ci\u0119ty podczas procesu produkcyjnego. Nawet niewielkie korekty k\u0105ta ci\u0119cia odgrywaj\u0105 kluczow\u0105 rol\u0119 w wydajno\u015bci w r\u00f3\u017cnych zakresach temperatur.<\/p>\n\n\n\n

Poni\u017csza tabela zawiera zestawienie typowych zastosowa\u0144 wraz z odpowiadaj\u0105cymi im zakresami temperatur pracy. <\/p>\n\n\n\n

Zastosowania<\/strong><\/td>Zakres temperatury roboczej<\/strong><\/td><\/tr>
Komercyjne, klasa motoryzacyjna 4<\/td>Od 0 do 70\u00baC<\/td><\/tr>
Rozszerzone komercyjne<\/td>Od -20 do 70\u00baC<\/td><\/tr>
Przemys\u0142owe, klasa motoryzacyjna 3<\/td>Od -40 do 85\u00baC<\/td><\/tr>
Rozszerzone przemys\u0142owe, klasa motoryzacyjna 2<\/td>Od -40 do 105\u00baC<\/td><\/tr>
Klasa motoryzacyjna 1<\/td>Od -40 do 125\u00baC<\/td><\/tr>
Wojskowe, klasa motoryzacyjna 0<\/td>Od -55 do 125\u00baC<\/td><\/tr><\/tbody><\/table><\/figure>\n\n\n\n

Powszechnie stosowane modele IQXC-180 Auto, CFPX-180 i IQXC-42, zaprojektowane specjalnie do zastosowa\u0144 motoryzacyjnych, charakteryzuj\u0105 si\u0119 szerokim zakresem temperatur pracy od -40 do 125\u00baC oraz szeregiem innych w\u0119\u017cszych zakres\u00f3w temperatur. <\/p>\n\n\n\n

Szum fazowy i fluktuacja<\/strong>: Szum fazowy to przypadkowe zmiany fazy lub cz\u0119stotliwo\u015bci sygna\u0142u, potencjalnie powoduj\u0105ce zak\u0142\u00f3cenia dok\u0142adno\u015bci, rozdzielczo\u015bci i negatywnie wp\u0142ywaj\u0105ce na stosunek sygna\u0142u do szumu (SNR). Natomiast fluktuacje wprowadzaj\u0105 nieregularno\u015bci w domenie czasowej sygna\u0142u, przyczyniaj\u0105c si\u0119 do bitowej stopy b\u0142\u0119d\u00f3w (BER). Aby uzyska\u0107 optymaln\u0105 wydajno\u015b\u0107, nale\u017cy priorytetowo traktowa\u0107 urz\u0105dzenia czasowe o niskim poziomie szumu fazowego i fluktuacji, zw\u0142aszcza w krytycznych zastosowaniach, takich jak nawigacja, komunikacja cyfrowa, przetwarzanie d\u017awi\u0119ku i technologia radarowa.<\/p>\n\n\n\n

<\/p>\n\n\n\n

Wymiar obudowy<\/strong>: Rozmiar obudowy komponent\u00f3w ma istotne znaczenie w kontek\u015bcie projektowania obwod\u00f3w drukowanych (PCB). W erze coraz mniejszych gad\u017cet\u00f3w konsumenckich wyb\u00f3r komponent\u00f3w wewn\u0119trznych o odpowiednich rozmiarach staje si\u0119 niezwykle wa\u017cny. Chocia\u017c kryszta\u0142y s\u0105 mniejsze od oscylator\u00f3w, wymagaj\u0105 dodatkowych kondensator\u00f3w i obwod\u00f3w do wygenerowania impulsu taktuj\u0105cego. W warunkach, w kt\u00f3rych przestrze\u0144 jest czynnikiem ograniczaj\u0105cym w projektowaniu obwod\u00f3w, oscylatory staj\u0105 si\u0119 preferowan\u0105 opcj\u0105, zapewniaj\u0105c pakiet typu \u201ewszystko w jednym\u201d.<\/p>\n\n\n\n

Dost\u0119pne w ofercie IQD kryszta\u0142y i oscylatory s\u0105 hermetycznie zamkni\u0119te, co zwi\u0119ksza ich wytrzyma\u0142o\u015b\u0107. Komponenty te s\u0105 umieszczone w obudowach do monta\u017cu powierzchniowego (SMD) o wymiarach 1,6 \u00d7 1,0 mm i 1,6 \u00d7 1,2 mm, a tak\u017ce w obudowie o standardowym rozmiarze przemys\u0142owym 2,0 \u00d7 1,6 mm.<\/p>\n\n\n

\n
\"\"<\/figure><\/div>\n\n\n

Typ sygna\u0142u wyj\u015bciowego oscylatora<\/strong>: Producenci zestaw\u00f3w uk\u0142ad\u00f3w scalonych decyduj\u0105 o wyborze odpowiedniego wej\u015bcia dla swoich urz\u0105dze\u0144 taktuj\u0105cych. Sygna\u0142 wyj\u015bciowy oscylatora mo\u017ce by\u0107 jednofazowy lub r\u00f3\u017cnicowy. Wyj\u015bcia jednofazowe znajduj\u0105 zastosowanie przy cz\u0119stotliwo\u015bciach poni\u017cej oko\u0142o 100 MHz, podczas gdy wyj\u015bcia r\u00f3\u017cnicowe s\u0105 stosowane przy wy\u017cszych cz\u0119stotliwo\u015bciach w celu zmniejszenia og\u00f3lnego szumu systemu.<\/p>\n\n\n\n

Aby unikn\u0105\u0107 problem\u00f3w zwi\u0105zanych z amplitud\u0105 sygna\u0142u, czasem narastania i opadania, cyklem pracy i czasem rozruchu, niezb\u0119dne jest zapewnienie zgodno\u015bci sygna\u0142u wyj\u015bciowego oscylatora z odpowiednim obci\u0105\u017ceniem. Oto typowe typy wyj\u015b\u0107 jednofazowych oscylator\u00f3w:<\/p>\n\n\n\n

\u2022 CMOS (komplementarny p\u00f3\u0142przewodnik tlenku metalu)<\/p>\n\n\n\n

\u2022 HCMOS (szybki CMOS)<\/p>\n\n\n\n

\u2022 LVCMOS (niskonapi\u0119ciowy CMOS)<\/p>\n\n\n\n

Wyj\u015bcia r\u00f3\u017cnicowe, cho\u0107 bardziej skomplikowane w konstrukcji, zapewniaj\u0105 doskona\u0142\u0105 wydajno\u015b\u0107 w zastosowaniach o wysokiej cz\u0119stotliwo\u015bci, poniewa\u017c wszelkie szumy sygna\u0142u r\u00f3\u017cnicowego s\u0105 niwelowane. W\u015br\u00f3d r\u00f3\u017cnych typ\u00f3w sygna\u0142\u00f3w r\u00f3\u017cnicowych wyr\u00f3\u017cnia si\u0119:<\/p>\n\n\n\n

\u2022 PECL (logika o dodatnim sprz\u0119\u017ceniu emiterowym)<\/p>\n\n\n\n

\u2022 LVPECL (niskonapi\u0119ciowa logika o dodatnim sprz\u0119\u017ceniu emiterowym)<\/p>\n\n\n\n

\u2022 CML (logika trybu pr\u0105dowego)<\/p>\n\n\n\n

\u2022 LVDS (niskonapi\u0119ciowe sygna\u0142y r\u00f3\u017cnicowe)<\/p>\n\n\n\n

\u2022 HCSL (logika steruj\u0105ca pr\u0105dem o wysokiej pr\u0119dko\u015bci)<\/p>\n\n\n\n

Niskie zu\u017cycie energii przez oscylatory<\/strong>: Wiele oscylator\u00f3w jest wyposa\u017conych w pin w\u0142\u0105czaj\u0105cy\/wy\u0142\u0105czaj\u0105cy, kt\u00f3ry ma szczeg\u00f3lne znaczenie dla ich funkcjonalno\u015bci. Gdy oscylator jest wy\u0142\u0105czony, wewn\u0119trzny mechanizm przestaje dzia\u0142a\u0107, przechodz\u0105c w tryb czuwania o zmniejszonym poborze pr\u0105du. Takie rozwi\u0105zanie jest szczeg\u00f3lnie u\u017cyteczne w przypadku niewielkich urz\u0105dze\u0144 zasilanych bateryjnie, w kt\u00f3rych liczy si\u0119 wydajno\u015b\u0107 energetyczna. Z tego wzgl\u0119du oscylatory zoptymalizowane pod k\u0105tem zasilania niskim napi\u0119ciem s\u0105 preferowanymi komponentami, gdy liczy si\u0119 niski pob\u00f3r mocy. <\/p>\n\n\n\n

Op\u0142acalno\u015b\u0107<\/strong>: Wyb\u00f3r uk\u0142adu z pojedynczym kryszta\u0142em jest zazwyczaj bardziej op\u0142acalny <\/strong> ni\u017c zastosowanie oscylatora. Jednak bior\u0105c pod uwag\u0119 zar\u00f3wno koszty in\u017cynieryjne, jak i koszty cz\u0119\u015bci, oscylatory mog\u0105 okaza\u0107 si\u0119 bardziej ekonomiczn\u0105 opcj\u0105 w projektowaniu obwod\u00f3w. Nale\u017cy pami\u0119ta\u0107, \u017ce w niekt\u00f3rych zastosowaniach decyzja o u\u017cyciu kryszta\u0142\u00f3w mo\u017ce wi\u0105za\u0107 si\u0119 z wy\u017cszymi kosztami, zw\u0142aszcza je\u015bli us\u0142ugi i testy s\u0105 powierzane firmom zewn\u0119trznym. Opr\u00f3cz pocz\u0105tkowych koszt\u00f3w komponent\u00f3w dodatkowe wydatki mog\u0105 wynika\u0107 z zastosowanych komponent\u00f3w uzupe\u0142niaj\u0105cych, takich jak kondensatory i rezystory, a tak\u017ce proces\u00f3w, takich jak aktualizacja PCB w celu zwi\u0119kszenia wydajno\u015bci sygna\u0142u.<\/p>\n\n\n\n

Kryszta\u0142y kwarcowe znajduj\u0105 zastosowanie w sytuacjach, w kt\u00f3rych producenci opracowuj\u0105 w\u0142asne oscylatory elektroniczne, co pozwala na elastyczno\u015b\u0107 w optymalizacji parametr\u00f3w na potrzeby konkretnych projekt\u00f3w. Z drugiej strony, oscylatory maj\u0105 przewag\u0119 w usprawnianiu zestawienia materia\u0142\u00f3w (BOM) i oszcz\u0119dno\u015bci miejsca na p\u0142ytce drukowanej. Ostatecznie, przy podejmowaniu decyzji zwi\u0105zanych z kosztami nale\u017cy kierowa\u0107 si\u0119 jako\u015bci\u0105 aplikacji i skal\u0105 produkcji.<\/p>\n\n\n\n

\n
Przegl\u0105daj produkty IQD<\/a><\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

Najcz\u0119\u015bciej zadawane pytania<\/h2>\n\n\n
\n
Jaka jest r\u00f3\u017cnica w funkcjonowaniu kryszta\u0142\u00f3w i oscylator\u00f3w kwarcowych?<\/strong><\/strong>\n

Funkcj\u0119 rezonansow\u0105 kryszta\u0142u kwarcu uzyskuje si\u0119 poprzez ci\u0119cie go w odpowiednim kierunku w stosunku do osi krystalograficznej pr\u0119ta kwarcowego. O\u015b ta okre\u015bla wsp\u00f3\u0142rz\u0119dne sieci krystalicznej. Otrzymuje si\u0119 w ten spos\u00f3b ci\u0119t\u0105 p\u0142ytk\u0119 kryszta\u0142u, kt\u00f3ra jest umieszczana mi\u0119dzy dwiema elektrodami, aby u\u0142atwi\u0107 przep\u0142yw napi\u0119cia przemiennego. W\u0142a\u015bciwo\u015bci piezoelektryczne kryszta\u0142u powoduj\u0105, \u017ce ulega on mechanicznemu przesuni\u0119ciu i wibruje pod wp\u0142ywem doprowadzonego napi\u0119cia.

Gdy cz\u0119stotliwo\u015b\u0107 doprowadzonego napi\u0119cia zr\u00f3wna si\u0119 z rezonansem mechanicznym kryszta\u0142u, amplituda drga\u0144 wzrasta. Powoduje to wzrost pr\u0105du towarzysz\u0105cego, co prowadzi do zmniejszenia efektywnej impedancji urz\u0105dzenia. Jednocze\u015bnie wzrasta pr\u0105d przesuni\u0119cia, przyczyniaj\u0105c si\u0119 do dalszego spadku impedancji efektywnej. Gwa\u0142towna zmiana impedancji, zwi\u0105zana ze zmianami napi\u0119cia i cz\u0119stotliwo\u015bci rezonansowej, ma kluczowe znaczenie dla wykorzystania kryszta\u0142\u00f3w kwarcu jako element\u00f3w steruj\u0105cych cz\u0119stotliwo\u015bci\u0105 w oscylatorach krystalicznych.

Z kolei dzia\u0142anie oscylator\u00f3w wykorzystuje inny mechanizm ni\u017c w przypadku kryszta\u0142\u00f3w, a mianowicie odwrotny efekt piezoelektryczny. Przy\u0142o\u017cone pole elektryczne wywo\u0142uje mechaniczne odkszta\u0142cenie niekt\u00f3rych materia\u0142\u00f3w, wykorzystuj\u0105c rezonans wibruj\u0105cego kryszta\u0142u do wygenerowania sygna\u0142u elektrycznego o okre\u015blonej cz\u0119stotliwo\u015bci. Podstawowa r\u00f3\u017cnica polega na tym, \u017ce kryszta\u0142y nie s\u0105 z natury tak wielofunkcyjne, jak oscylatory; kryszta\u0142 s\u0142u\u017cy raczej jako element w konstrukcji oscylatora.<\/p>\n<\/div>\n

Jaki powinien by\u0107 czas rozruchu oscylator\u00f3w?<\/strong><\/strong>\n

Czas rozruchu oscylator\u00f3w to czas potrzebny oscylatorowi do osi\u0105gni\u0119cia cz\u0119stotliwo\u015bci rezonansowej po pocz\u0105tkowym pod\u0142\u0105czeniu zasilania. Idealnym rozwi\u0105zaniem jest zminimalizowanie czasu rozruchu oscylator\u00f3w do kilku milisekund (ms).

Czas rozruchu jest cz\u0119\u015bciej wyst\u0119puj\u0105cym problemem w przypadku kryszta\u0142\u00f3w o niskiej cz\u0119stotliwo\u015bci w por\u00f3wnaniu do ich odpowiednik\u00f3w o wysokiej cz\u0119stotliwo\u015bci. Na czas rozruchu wp\u0142ywa przede wszystkim czas narastania napi\u0119cia zasilaj\u0105cego. Szybszy czas narastania powoduje szybszy czas rozruchu w por\u00f3wnaniu do kryszta\u0142u o wolniejszym czasie narastania. Czas rozruchu mo\u017ce tak\u017ce powodowa\u0107 niewystarczaj\u0105ce wzmocnienie p\u0119tli.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n

Chcesz dowiedzie\u0107 si\u0119 wi\u0119cej o kryszta\u0142ach i oscylatorach?<\/strong> Pos\u0142uchaj drugiego odcinka podcastu KnowHow dost\u0119pnego poni\u017cej, w kt\u00f3rym rozmawiamy z dyrektorem technicznym IQD, Nickiem Ameyem. Alternatywnie, przeczytaj nasz artyku\u0142<\/a>. <\/p>\n\n\n\n

\n