Осциллятор это что: Осцилляторы: что это, виды и основные сигналы
alexxlab | 23.07.1993 | 0 | Разное
Осциллятор
| Адроны | msimagelist>|
| Альфа-распад | msimagelist>|
| Альфа-частица | msimagelist>|
| Аннигиляция | msimagelist>|
| Антивещество | msimagelist>|
| Антинейтрон | msimagelist>|
| Антипротон | msimagelist>|
| Античастицы | msimagelist>|
| Атомная единица массы | msimagelist>|
| Атомная электростанция | msimagelist>|
| Барионное число | msimagelist>|
| Барионы | msimagelist>|
| Бета-распад | msimagelist>|
| Бетатрон | msimagelist>|
| Бета-частицы | msimagelist>|
| Бозе – Эйнштейна статистика | msimagelist>|
| Бозоны | msimagelist>|
| Большой адронный коллайдер | msimagelist>|
| Большой Взрыв | msimagelist>|
Боттом. Боттомоний | msimagelist>|
| Брейта-Вигнера формула | msimagelist>|
| Быстрота | msimagelist>|
| Векторная доминантность | msimagelist>|
| Великое объединение | msimagelist>|
| Взаимодействие частиц | msimagelist>|
| Вильсона камера | msimagelist>|
| Виртуальные частицы | msimagelist>|
| Водорода атом | msimagelist>|
| Возбуждённые состояния ядер | msimagelist>|
| Волновая функция | msimagelist>|
| Волновое уравнение | msimagelist>|
| Волны де Бройля | msimagelist>|
| Встречные пучки | msimagelist>|
| Гамильтониан | msimagelist>|
| Гамма-излучение | msimagelist>|
| Гамма-квант | msimagelist>|
| Гамма-спектрометр | msimagelist>|
| Гамма-спектроскопия | msimagelist>|
| Гаусса распределение | msimagelist>|
| Гейгера счётчик | msimagelist>|
| Гигантский дипольный резонанс | msimagelist>|
| Гиперядра | msimagelist>|
| Глюоны | msimagelist>|
| Годоскоп | msimagelist>|
| Гравитационное взаимодействие | msimagelist>|
| Дейтрон | msimagelist>|
| Деление атомных ядер | msimagelist>|
| Детекторы частиц | msimagelist>|
| Дирака уравнение | msimagelist>|
| Дифракция частиц | msimagelist>|
| Доза излучения | msimagelist>|
| Дозиметр | msimagelist>|
| Доплера эффект | msimagelist>|
| Единая теория поля | msimagelist>|
| Зарядовое сопряжение | msimagelist>|
| Зеркальные ядра | msimagelist>|
| Избыток массы (дефект массы) | msimagelist>|
| Изобары | msimagelist>|
| Изомерия ядерная | msimagelist>|
| Изоспин | msimagelist>|
| Изоспиновый мультиплет | msimagelist>|
| Изотопов разделение | |
| Изотопы | msimagelist>|
| Ионизирующее излучение | msimagelist>|
| Искровая камера | msimagelist>|
| Квантовая механика | msimagelist>|
| Квантовая теория поля | msimagelist>|
| Квантовые операторы | msimagelist>|
| Квантовые числа | msimagelist>|
| Квантовый переход | msimagelist>|
| Квант света | msimagelist>|
| Кварк-глюонная плазма | msimagelist>|
| Кварки | msimagelist>|
| Коллайдер | msimagelist>|
| Комбинированная инверсия | msimagelist>|
| Комптона эффект | msimagelist>|
| Комптоновская длина волны | msimagelist>|
| Конверсия внутренняя | msimagelist>|
| Константы связи | msimagelist>|
| Конфайнмент | msimagelist>|
| Корпускулярно волновой дуализм | msimagelist>|
| Космические лучи | |
| Критическая масса | msimagelist>|
| Лептоны | msimagelist>|
| Линейные ускорители | msimagelist>|
| Лоренца преобразования | msimagelist>|
| Лоренца сила | msimagelist>|
| Магические ядра | msimagelist>|
| Магнитный дипольный момент ядра | msimagelist>|
| Магнитный спектрометр | msimagelist>|
| Максвелла уравнения | msimagelist>|
| Масса частицы | msimagelist>|
| Масс-спектрометр | msimagelist>|
| Массовое число | msimagelist>|
| Масштабная инвариантность | msimagelist>|
| Мезоны | msimagelist>|
| Мессбауэра эффект | msimagelist>|
| Меченые атомы | msimagelist>|
| Микротрон | msimagelist>|
| Нейтрино | msimagelist>|
| Нейтрон | msimagelist>|
| Нейтронная звезда | msimagelist>|
| Нейтронная физика | msimagelist>|
| Неопределённостей соотношения | msimagelist>|
| Нормы радиационной безопасности | msimagelist>|
| Нуклеосинтез | msimagelist>|
| Нуклид | msimagelist>|
| Нуклон | msimagelist>|
| Обращение времени | msimagelist>|
| Орбитальный момент | msimagelist>|
| Осциллятор | msimagelist>|
| Отбора правила | msimagelist>|
| Пар образование | msimagelist>|
| Период полураспада | msimagelist>|
| Планка постоянная | msimagelist>|
| Планка формула | msimagelist>|
| Позитрон | msimagelist>|
| Поляризация | msimagelist>|
| Поляризация вакуума | msimagelist>|
| Потенциальная яма | msimagelist>|
| Потенциальный барьер | msimagelist>|
| Принцип Паули | msimagelist>|
| Принцип суперпозиции | msimagelist>|
| Промежуточные W-, Z-бозоны | msimagelist>|
| Пропагатор | msimagelist>|
| Пропорциональный счётчик | msimagelist>|
| Пространственная инверсия | msimagelist>|
| Пространственная четность | msimagelist>|
| Протон | msimagelist>|
| Пуассона распределение | msimagelist>|
| Пузырьковая камера | msimagelist>|
| Радиационный фон | msimagelist>|
| Радиоактивность | msimagelist>|
| Радиоактивные семейства | msimagelist>|
| Радиометрия | msimagelist>|
| Расходимости | msimagelist>|
| Резерфорда опыт | msimagelist>|
| Резонансы (резонансные частицы) | msimagelist>|
| Реликтовое микроволновое излучение | msimagelist>|
| Светимость ускорителя | msimagelist>|
| Сечение эффективное | msimagelist>|
| Сильное взаимодействие | msimagelist>|
| Синтеза реакции | msimagelist>|
| Синхротрон | msimagelist>|
| Синхрофазотрон | msimagelist>|
| Синхроциклотрон | msimagelist>|
| Система единиц измерений | msimagelist>|
| Слабое взаимодействие | msimagelist>|
| Солнечные нейтрино | msimagelist>|
| Сохранения законы | msimagelist>|
| Спаривания эффект | msimagelist>|
| Спин | msimagelist>|
| Спин-орбитальное взаимодействие | msimagelist>|
| Спиральность | msimagelist>|
| Стандартная модель | msimagelist>|
| Статистика | msimagelist>|
| Странные частицы | msimagelist>|
| Струи адронные | msimagelist>|
| Субатомные частицы | msimagelist>|
| Суперсимметрия | msimagelist>|
| Сферическая система координат | msimagelist>|
| Тёмная материя | msimagelist>|
| Термоядерные реакции | msimagelist>|
| Термоядерный реактор | msimagelist>|
| Тормозное излучение | msimagelist>|
| Трансурановые элементы | msimagelist>|
| Трек | msimagelist>|
| Туннельный эффект | msimagelist>|
| Ускорители заряженных частиц | msimagelist>|
| Фазотрон | msimagelist>|
| Фейнмана диаграммы | msimagelist>|
| Фермионы | msimagelist>|
| Формфактор | msimagelist>|
| Фотон | msimagelist>|
| Фотоэффект | msimagelist>|
| Фундаментальная длина | msimagelist>|
| Хиггса бозон | msimagelist>|
| Цвет | msimagelist>|
| Цепные ядерные реакции | msimagelist>|
| Цикл CNO | msimagelist>|
| Циклические ускорители | msimagelist>|
| Циклотрон | msimagelist>|
Чарм. Чармоний | msimagelist>|
| Черенковский счётчик | msimagelist>|
| Черенковсое излучение | msimagelist>|
| Черные дыры | msimagelist>|
| Шредингера уравнение | msimagelist>|
| Электрический квадрупольный момент ядра | msimagelist>|
| Электромагнитное взаимодействие | msimagelist>|
| Электрон | msimagelist>|
| Электрослабое взаимодействие | msimagelist>|
| Элементарные частицы | msimagelist>|
| Ядерная физика | msimagelist>|
| Ядерная энергия | msimagelist>|
| Ядерные модели | msimagelist>|
| Ядерные реакции | msimagelist>|
| Ядерный взрыв | msimagelist>|
| Ядерный реактор | msimagelist>|
| Ядра энергия связи | msimagelist>|
| Ядро атомное | msimagelist>|
| Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) | msimagelist>
Осциллятор
Oscillator
Осциллятор – система,
тело, частица, совершающие периодические колебания вокруг положения устойчивого
равновесия.
В классической физике частота колебаний гармонического осциллятора
, где
m – масса осциллятора, а k – некая постоянная (например, жёсткость пружины),
определяющая масштаб возвращающей (к положению равновесия) силы F
= – kx (x – отклонение от положения равновесия). Энергия классического
осциллятора пропорциональна квадрату амплитуды его колебаний и может изменяться
непрерывно.
Квантовый осциллятор описывается гамильтонианом
Уровни энергии гармонического осциллятора En и волновые функции ψn(x,t) определяются из уравнения Шредингера
En = ћω(n+1/2), n = 0, 1, 2, …
– амплитуда нулевых колебаний,
Hn(x) – полиномы Эрмита
Квантовые осцилляции, реализующиеся в молекулах, атомах,
ядрах, могут происходить лишь при фиксированном наборе отдельных энергий,
т.е. спектр уровней такого осциллятора дискретен.
Уровни квантового осциллятора
эквидистантны и даются выражением Еn = ћω(n + 1/2),
где n = 0, 1, 2, …, а ћ = h/2π (h – постоянная Планка). n иногда
называют числом фононов. Наинизшая энергия квантовых осцилляций (энергия
его нулевых колебаний) Е0 = ћω/2 > 0. Таким образом,
квантовый осциллятор нельзя остановить (для этого его надо уничтожить).
Значение ω, определяющее основной тон квантового осциллятора,
связано с его потенциальной энергией классическим соотношением mω2x2/2
= kx2/2.
Под влиянием внешнего возмущения квантовый осциллятор может переходить
с одного уровня на другой. При этом минимальная энергия поглощаемых и излучаемых
квантов (энергия одного фонона) равна ћω.
Рис. Спектр энергий и квадраты модулей волновых функций квантового гармонического осциллятора.
Гармонические осцилляторы | Колебания и волны
Изучая вращательное движение, вы не могли не заметить одну его очень важную черту – цикличность, то есть многократное повторение одного и того же движения.
При этом не только вращающиеся тела постоянно повторяют свои движения. Если посмотреть на раскачивающиеся качели, колыхающиеся ветви деревьев или иглу у швейной машинки, можно признать существование целого класса движений, обладающих особыми свойствами. В физике движения, которые повторяются с течением времени, называют колебаниями, а предметы, способные совершать такие движения, – осцилляторами.
Наиболее известными осцилляторами в школьной программе по физике являются пружинный и математический маятники.
На то есть свои причины. Дело в том, что они представляют собой особый подвид осцилляторов – так называемые гармонические осцилляторы. Гармонические осцилляторы – это осцилляторы, у которых величина возвращающей силы прямо пропорциональна смещению относительно положения равновесия. Не беспокойтесь, сейчас мы разберемся с этим определением, разбив его на части.
Что такое осцилляторы, я надеюсь, вы уже понимаете. Это специальное название для колебательных систем, другими словами, для тел, способных периодически повторять одно и то же движение.
Положение равновесия можно охарактеризовать как состояние, в котором будет находиться система при отсутствии каких-либо внешних неуравновешенных сил. А под возвращающей силой понимается сила, которая при выведении осциллятора из равновесия возвращает его обратно.
Собственно, возвращающая сила и является тем признаком, при помощи которого можно отличить осциллятор от не осциллятора. Например, если толкнуть обычную дверь, ее движение не будет повторяющимся. Но вот если подвесить ее на какой-нибудь перекладине так, чтобы она пропускала гостей, как собачек в американских домах, ее уже можно будет назвать осциллятором. Подняв дверь на некоторую высоту и отпустив ее, вы получите несколько неполных колебаний.
Как уже было сказано выше, у гармонических осцилляторов величина возвращающей силы прямо пропорциональна смещению относительно положения равновесия:
\vec{F}\propto\varDelta{\vec{x}}
Например, для пружинного маятника возвращающей силой будет сила упругости, которая как раз и пропорциональна деформации пружины, другими словами, смещению груза относительно положения равновесия.
Когда вы оттаскиваете груз пружинного маятника и тем самым растягиваете пружину, сила упругости постепенно увеличивается, дожидаясь момента, когда вы его отпустите. Как только это произойдет, она стремительно потащит груз обратно, успокоившись только тогда, когда он достигнет своего первоначального состояния. Но тут в дело вступает инерция. Когда груз достигнет положения равновесия, у него будет максимальная скорость, так что он пролетит мимо и будет постепенно замедляться из-за сопротивления опомнившейся силы упругости, пока совсем не остановится, прежде чем начать двигаться в противоположную сторону.
Если предположить, что трением и сопротивлением воздуха можно пренебречь, процесс будет продолжаться бесконечно долго. На максимальном отдалении от положения равновесия груз будет ненадолго замирать, испытывая максимальное воздействие силы упругости, из чего следует, что у него в этих точках также будет максимальное ускорение. Когда же груз будет проходить положение равновесия, значение возвращающей силы будет равно нулю так же, как и значение ускорения, а вот скорость (а вместе с ней и инерция) будет максимальна на этом участке, вследствие чего маятник снова постарается убежать от скучного равновесия, навстречу приключениям, но не сможет ничего поделать, когда столкнется с сильным сопротивлением силы упругости.
В общем, если ничего не поможет грузу, он так и будет продолжать колебаться. Колебаться в выборе между инерцией и силой.
Что такое осциллятор? Все, что вам нужно знать | Блог
Практически на каждой печатной плате, сделанной в новейшей истории, есть генератор той или иной формы, и большинство интегральных схем также содержат генераторы. Вам может быть интересно, что такое осциллятор? Генераторы являются важными компонентами, которые производят периодический электронный сигнал, обычно синусоидальную или прямоугольную волну. Генераторы преобразуют сигнал постоянного тока в периодические сигналы переменного тока, которые можно использовать для установки частоты, в аудиоприложениях или в качестве тактового сигнала. Все микроконтроллеры и микропроцессоры требуют генератора для установки тактового сигнала, чтобы функционировать. В некоторых устройствах они встроены, а для некоторых требуется внешний генератор или и то, и другое, имея внутренний генератор низкой точности с возможностью подачи внешнего сигнала.
Электронные устройства используют сигнал часов в качестве эталона времени, что позволяет последовательно выполнять действия. Другие устройства используют сигнал генератора для генерации других частот, которые могут обеспечивать звуковые функции или генерировать радиосигналы.
Понимание различных типов генераторов и принципов их работы поможет вам выбрать правильный генератор для вашего проекта. Если вы пытаетесь создать радиосигнал, вам понадобится гораздо более точный осциллятор, чем для других устройств. Генераторы – это то, что можно легко упустить из виду в проекте, с намерением просто взять любой старый генератор, который находится в диапазоне частот, указанном в техническом описании, который соответствует требованиям к пространству на плате и стоимости. Выбор может быть значительно больше; однако, в зависимости от требований к питанию платы, площади платы и требуемой точности частоты. Некоторые генераторы работают от микроампер или меньшей мощности, тогда как некоторым для работы требуется несколько ампер.
Осцилляторы делятся на две основные категории: гармонические и релаксационные. Гармонические генераторы создают синусоидальную форму волны, RC, LC, колебательные контуры, керамические резонаторы и кварцевые генераторы попадают в эту категорию.
В этой статье мы рассмотрим:
- Резисторно-конденсаторные генераторы (RC)
- Индуктивно-конденсаторные генераторы (LC)
- Керамические резонаторы
- Кварцевые генераторы
- Модули кварцевого генератора
- Генераторы МЭМС
- Силиконовые осцилляторы
Хотя вы, возможно, не хотите самостоятельно собирать RC- или LC-генераторы, а вместо этого читаете эту статью для получения информации о корпусных генераторах, которые можно просто добавить в схему, я начну с рассказа о RC- и LC-генераторах. . Важно понимать, как они работают и какие у них могут быть недостатки, поскольку многие ИС со встроенными генераторами используют RC- или LC-схему.
Поняв, как они работают, вы сможете лучше понять, когда целесообразно использовать встроенный генератор, а когда целесообразно добавить внешний источник синхронизации.
Если вы хотите узнать больше об осцилляторах и тактовых генераторах, вы можете легко собрать RC- или LC-осциллятор на макетной плате и протестировать его с помощью осциллографа. Прежде чем мы углубимся в это, давайте кратко рассмотрим сравнение между каждым типом осциллятора.
Сравнение производительности осцилляторов
В приведенной ниже таблице следует отметить, что каждый вариант имеет широкий спектр различных устройств, доступных на рынке. Например, если рассматривать генераторы MEMS с фиксированной частотой, варианты, которые регулярно продаются в DigiKey, варьируются от 150 частей на миллион до 50 частей на миллиард с точки зрения стабильности частоты. Этот огромный диапазон частотной стабильности также сопровождается огромным диапазоном цен, поэтому, если один тип генератора может иметь опции для чрезвычайно высокой стабильности или точности в широком диапазоне температур, это не означает, что другой вариант не может быть дешевле для вашей точности. требования.
В качестве крайнего примера можно привести Connor-Winfield OX200-SC-010.
0M 10 МГц VCOCXO — кварцевый генератор со стабильностью частоты всего +/- 1,5 части на миллиард. Атомный осциллятор IQD Frequency Products LFRBXO059244BULK 10 МГц стоит более чем в десять раз дороже в единичных количествах при той же стабильности частоты +/- 1,5 ppb. Несмотря на это, будут времена, когда атомный генератор за 2000 долларов будет лучшим выбором для чрезвычайно точного генератора. IQD Frequency Products также производит VCOCXO, который имеет потрясающую стабильность частоты +/- 1ppb в более широком диапазоне температур, чем атомный генератор. Менее чем в два раза дороже устройства Коннора-Уинфилда в единичных объемах, и все же менее чем в десять раз дешевле атомарного варианта. Для меня невероятно, что сегодня у нас есть источники атомных часов, и еще более безумно, что мы можем иметь кварцевый генератор, который является более точным за небольшую часть цены.
Источник часов | Частота | Точность | Преимущества | Недостатки |
Кристалл кварца | от 10 кГц до 100 МГц | От среднего до высокого | Низкая стоимость | Чувствителен к электромагнитным помехам, вибрации и влажности. |
Модуль кварцевого генератора | от 10 кГц до 100 МГц | От среднего до экстремального | Нечувствителен к электромагнитным помехам и влажности. Нет дополнительных компонентов или проблем с соответствием | Высокая стоимость, высокое энергопотребление, чувствительность к вибрации, большая упаковка |
Керамический резонатор | от 100 кГц до 10 МГц | Средний | Более низкая стоимость | Чувствителен к электромагнитным помехам, вибрации и влажности |
Встроенный кремниевый осциллятор | от 1 кГц до 170 МГц | От низкого до среднего | Нечувствителен к электромагнитным помехам, вибрации и влажности. | Температурная чувствительность хуже, чем у керамики или кристалла. Высокий ток питания. |
МЭМС-генератор | От десятков кГц до сотен МГц | От низкого до экстремального | Простая конструкция, меньшие размеры, отсутствие внешних компонентов, возможность управления несколькими нагрузками. | Дорогой |
Радиоуправляемый осциллятор | От Гц до 10 МГц | Очень низкий уровень | Самая низкая стоимость | Обычно чувствителен к электромагнитным помехам и влажности. Плохая производительность подавления температуры и напряжения питания |
LC Осциллятор | от кГц до сотен МГц | Низкий | Низкая стоимость | Обычно чувствителен к электромагнитным помехам и влажности. |
Быстрый запуск, небольшой размер, отсутствие дополнительных компонентов или проблем с соответствием
Теперь, когда у нас есть общий обзор опций, давайте перейдем к самым основным генераторам и принципам, лежащим в их основе. RC-генератор — это генератор, который вы можете легко собрать на макетной плате с очень простыми компонентами. RC-генератор (резистор-конденсатор) представляет собой тип генератора с обратной связью, который построен с использованием резисторов и конденсаторов, а также усилительного устройства, такого как транзистор или операционный усилитель. Усилительное устройство возвращается в RC-цепь, что вызывает положительную обратную связь и генерирует повторяющиеся колебания.
Большинство микроконтроллеров и многих других цифровых ИС, которым требуется тактовый сигнал для выполнения действий, содержат внутри себя сеть RC-генератора для создания внутреннего источника тактового сигнала.
RC Генератор с положительной обратной связью.Принцип работы
RC-цепочка RC-генератора сдвигает фазу сигнала на 180 градусов.
Положительная обратная связь необходима для сдвига фазы сигнала еще на 180 градусов. Затем этот фазовый сдвиг дает нам 180 + 180 = 360 фазового сдвига, что фактически равно 0 градусов. Следовательно, общий фазовый сдвиг схемы должен быть равен 0, 360 или другому кратному 360 градусам.
Мы можем использовать тот факт, что фазовый сдвиг происходит между входом в RC-цепь и выходом из той же сети, используя взаимосвязанные RC-элементы в ветви обратной связи. На рисунке выше мы видим, что каждая каскадная RC-цепочка обеспечивает отставание напряжения фазы на 60 градусов. Вместе три сети производят фазовый сдвиг на 180 градусов.
Для идеальных RC-сетей максимальный фазовый сдвиг может составлять 90 градусов. Следовательно, для создания фазового сдвига на 180 градусов генераторам требуется как минимум две RC-цепочки. Тем не менее, трудно достичь ровно 90 градусов фазового сдвига на каждом каскаде RC сети. Нам нужно использовать больше каскадов RC-цепи, соединенных вместе, чтобы получить требуемое значение и желаемую частоту колебаний.
Чистая или идеальная однополюсная RC-цепочка будет давать максимальный фазовый сдвиг точно 90 градусов. Для генерации нам требуется сдвиг фаз на 180 градусов, поэтому для создания RC-генератора мы должны использовать не менее двух однополюсных цепей.
Фактическая фаза RC-цепи зависит от выбранного номинала резистора и конденсатора для желаемой частоты.
Расчет фазового угла RC.Каскадируя несколько RC сетей, мы можем получить 180 градусов фазового сдвига на выбранной частоте. Этот каскад сетей образует основу для RC-генератора, также известного как генератор фазового сдвига. Добавив усилительный каскад с использованием биполярного транзистора или инвертирующего усилителя, мы можем получить фазовый сдвиг на 180 градусов между его входом и выходом, чтобы обеспечить полный 360-градусный сдвиг обратно к 0 градусам, который нам требуется, как упоминалось выше.
Базовая схема RC-генератора
Первичная схема RC-генератора вырабатывает синусоидальный выходной сигнал, используя регенеративную обратную связь, полученную от RC-цепи.
Регенеративная обратная связь возникает из-за способности конденсатора накапливать электрический заряд.
Сеть обратной связи резистор-конденсатор может быть подключена для получения опережающего фазового сдвига (сеть с фазовым опережением) или может быть подключена для создания запаздывающего фазового сдвига (сеть с фазовой задержкой). Один или несколько резисторов или конденсаторов из схемы фазового сдвига RC могут изменить, чтобы изменить частоту сети. Это изменение можно осуществить, оставив резисторы одинаковыми и используя переменные конденсаторы, поскольку емкостное реактивное сопротивление зависит от частоты. Однако для новой частоты может потребоваться регулировка коэффициента усиления усилителя по напряжению.
Если мы выберем резисторы и конденсаторы для RC-цепочек, то частота RC-колебаний будет:
R – Сопротивление резисторов обратной связи
C – Емкость конденсаторов обратной связи
N – Количество цепочек RC в каскаде
Однако комбинация Сеть RC-генератора работает как аттенюатор и уменьшает сигнал на некоторую величину, когда он проходит через каждый каскад RC.
Таким образом, усиление по напряжению усилительного каскада должно быть достаточным для восстановления потерянного сигнала.
Наиболее распространенной схемой RC-генератора является RC-генератор с фазовым опережением на операционном усилителе.
[Фазовый RC-генератор операционного усилителя]RC-цепь должна быть подключена к инвертирующему входу операционного усилителя, что делает его конфигурацией инвертирующего усилителя. Инвертирующая конфигурация дает 180 градусов фазового сдвига на выходе, что в сумме дает 360 градусов в сочетании с RC-цепочками.
Другой конфигурацией RC-генератора является генератор фазовой задержки операционного усилителя.
[Операционный усилитель с фазовой задержкой RC-генератора][Уравнение фазовой задержки операционного усилителя RC-генератора]
LC-генератор
LC или индуктивно-конденсаторный генератор Генератор с положительной обратной связью для поддержания колебаний. Схема содержит катушку индуктивности, конденсатор, а также усилительный компонент.
Принцип работы
Баковая цепь представляет собой конденсатор и катушку индуктивности, соединенные параллельно, на приведенной выше схеме также показаны переключатель и источник напряжения для простоты демонстрации принципа работы, когда переключатель подключает конденсатор к источнику напряжения, конденсатор обвинения.
Когда переключатель соединяет конденсатор и катушку индуктивности, конденсатор разряжается через катушку индуктивности. Увеличивающийся ток через индуктор начинает накапливать энергию, индуцируя электромагнитное поле вокруг катушки.
Когда переключатель соединяет конденсатор и катушку индуктивности, конденсатор разряжается через катушку индуктивности. Увеличивающийся ток через индуктор начинает накапливать энергию, индуцируя электромагнитное поле вокруг катушки. После разрядки конденсатора энергия от него передается в катушку индуктивности в виде электромагнитного поля. По мере уменьшения потока энергии от емкости уменьшается ток через индуктор, что приводит к падению электромагнитного поля индуктора.
Из-за электромагнитной индукции индуктор создаст обратную ЭДС, равную L(di/dt), противодействующую изменению тока. Затем эта обратная ЭДС начинает заряжать конденсатор. Как только конденсатор поглотил энергию магнитного поля индуктора, энергия снова сохраняется в виде электростатического поля внутри конденсатора.
Если бы у нас были идеальные катушка индуктивности и конденсатор, эта схема могла бы бесконечно генерировать колебания. Однако у конденсатора есть утечка тока, а у катушек индуктивности есть сопротивление. Однако в реальной жизни колебания будут выглядеть так, как показано ниже, поскольку энергия теряется. Эти потери называются демпфированием.
[Затухание генератора в моделировании] Если мы хотим поддерживать колебания, нам необходимо компенсировать потери энергии из колебательного контура путем добавления в контур активных компонентов, таких как биполярные транзисторы, полевые эффектные транзисторы или операционные усилители. Основная функция активных компонентов состоит в том, чтобы добавить необходимое усиление, помочь создать положительную обратную связь и компенсировать потерю энергии.
Настроенный коллекторный генератор
Настроенный коллекторный генератор представляет собой трансформатор и конденсатор, соединенные параллельно и переключаемые транзистором. Эта схема является самой простой схемой LC-генератора. Первичная обмотка трансформатора и конденсатор образуют колебательный контур, а вторичная обмотка обеспечивает положительную обратную связь, которая возвращает часть энергии, произведенной колебательным контуром, на базу транзистора.
Генератор Colpitts
Генератор Colpitts представляет собой генератор LC Tank, который очень часто используется в радиочастотных устройствах. Он подходит для приложений до нескольких сотен мегагерц. Эта схема состоит из двух последовательно соединенных конденсаторов, образующих делитель напряжения, обеспечивающий обратную связь с транзистором, с дросселем, включенным параллельно. Хотя этот осциллятор относительно стабилен, его может быть сложно настроить, и он часто реализуется со схемой эмиттерного повторителя, чтобы не нагружать резонансную цепь.
Генератор Клаппа
Чтобы преодолеть трудности с настройкой генератора Колпитца на определенную частоту в производстве, часто добавляют переменный конденсатор последовательно с катушкой индуктивности, образуя генератор Клаппа. Эта модификация позволяет настраивать схему во время производства и обслуживания на конкретную требуемую частоту. К сожалению, этот тип LC-генератора все еще весьма чувствителен к колебаниям температуры и паразитным емкостям.
Керамический резонатор
Пьезоэлектрический керамический материал с двумя или более металлическими электродами (обычно 3) образует основу керамического резонатора. В электронной схеме пьезоэлектрический элемент резонирует механически, что генерирует колебательный сигнал определенной частоты — как камертон. Керамические резонаторы имеют низкую стоимость; однако допуск по частоте керамических резонаторов составляет всего около 2500–5000 частей на миллион. Этот допуск от 0,25% до 0,5% заданной частоты не подходит для точных приложений, но может обеспечить значительную экономию средств, когда не требуется абсолютная точность.
При частотах от ниже 1 кГц до более 1 ГГц керамические резонаторы используют различные материалы и режимы вибрации. Может быть важно понять метод резонанса, используемый в устройстве, которое вы размещаете в своем проекте. Факторы окружающей среды, такие как вибрация и удары, могут повлиять на работу резонатора в вашей схеме.
[Вибрационный режим и диапазон частот: источник]Кварцевый осциллятор
Кварцевый генератор является наиболее распространенным типом кварцевого генератора на рынке. Там, где точность и стабильность имеют решающее значение, в первую очередь выбирают кварцевые генераторы и их варианты. Стабильность кварцевого генератора измеряется в ppm (частях на миллион), и стабильность может составлять от 0,01% до 0,0001% при температуре от -20 до +70 градусов Цельсия, в зависимости от конкретного устройства. Стабильность RC-генератора в лучшем случае может составлять 0,1%, а LC 0,01%, чаще всего они составляют около 2% и очень чувствительны к изменениям температуры.
Кварцевый кристалл может колебаться с очень небольшой мощностью, необходимой для его работы по сравнению со многими другими генераторами, что делает их идеальными для приложений с низким энергопотреблением.
Когда кристалл подвергается ударному возбуждению либо физическим сжатием, либо, в нашем случае, приложенным напряжением, он будет механически вибрировать с определенной частотой. Эта вибрация будет продолжаться некоторое время, создавая переменное напряжение между его выводами. Такое поведение является пьезоэлектрическим эффектом, таким же, как в керамическом резонаторе. По сравнению с LC-контуром колебания кристалла после начального возбуждения будут длиться дольше – результат естественного высокого значения добротности кристалла. Для высококачественного кварцевого кристалла добротность 100 000 не является редкостью. LC-схемы обычно имеют добротность около нескольких сотен. Однако даже при гораздо более высоком Q они не могут резонировать вечно. Есть потери от механической вибрации, поэтому ему нужна усилительная схема, такая как RC- и LC-генераторы.
Для большинства устройств, которые используют внешний кварцевый источник тактового сигнала, он будет интегрирован в устройство, и единственными необходимыми дополнительными компонентами являются нагрузочные конденсаторы. Нагрузочные конденсаторы необходимы; если их емкость неверна, генератор не будет стабильным. Как правило, техническое описание генератора будет содержать рекомендуемые значения или уравнение для расчета правильного значения для вашей схемы.
Что еще нужно учитывать:
- Разместите конденсаторы и кварцевый кристалл как можно ближе к микроконтроллеру
- Используйте как можно более короткие и широкие дорожки для предотвращения паразитной индуктивности.
Существует множество вариантов кварцевого генератора; однако, помимо типичного кристалла или «XO», вы обычно будете использовать другие варианты только для специализированных приложений. Эти специализированные генераторы могут быть очень дорогими и иметь удивительно стабильные и точные колебания в невероятно сложных условиях, где требуется абсолютная точность.
Подавляющему большинству проектов не потребуется ничего, кроме TCXO из списка ниже, но вы можете найти их интересными для дальнейшего изучения.
Этот список взят из Википедии:
- ATCXO — Аналоговый кварцевый генератор с регулируемой температурой
- CDXO — калиброванный двухкварцевый генератор
- DTCXO — Цифровой кварцевый генератор с температурной компенсацией
- EMXO — миниатюрный вакуумный кварцевый генератор
- GPSDO — Регулируемый осциллятор глобальной системы позиционирования
- MCXO — кварцевый генератор с компенсацией микрокомпьютера
- OCVCXO — кварцевый генератор с печным управлением, управляемый напряжением
- OCXO — кварцевый генератор с духовкой
- RbXO — генераторы на кристалле рубидия (RbXO), генератор на кристалле рубидия (может быть MCXO), синхронизированный со встроенным эталоном рубидия, который запускается лишь изредка для экономии энергии
- TCVCXO — Кварцевый генератор с температурной компенсацией, управляемый напряжением
- TCXO — Кварцевый генератор с температурной компенсацией
- TMXO — Тактический миниатюрный кварцевый генератор
- TSXO — кварцевый генератор с датчиком температуры, адаптация TCXO
- VCTCXO — Кварцевый генератор с температурной компенсацией, управляемый напряжением
- VCXO — кварцевый генератор, управляемый напряжением
Модули кварцевого генератора
Предположим, вы ищете точный источник тактовой частоты для приложения, в котором нет схемы усиления для использования кварцевого генератора.
В этом случае модуль генератора может быть отличным решением. Эти модули имеют все необходимые встроенные схемы для обеспечения усиленных и буферизованных тактовых импульсов для любого требуемого приложения. Как и во многих полностью интегрированных устройствах, вы платите за удобство, цены обычно намного выше, чем у самого кварцевого генератора, и они занимают большую площадь. Несмотря на это, они все еще могут быть меньше, чем схема усиления генератора и буфера, и не беспокоятся о стабильности.
Большинство генераторных модулей имеют кварцевый и инверторный затвор на КМОП с использованием схемы генератора Пирса. Хотя КМОП-инверторы менее стабильны и имеют более высокое энергопотребление, чем генераторы на основе транзисторов, вентили на основе КМОП-инверторов просты и полностью применимы во многих приложениях.
Генераторы МЭМС
Генераторы МЭМС или микроэлектромеханических систем представляют собой устройства синхронизации, основанные на технологии МЭМС и являющиеся относительно новой технологией.
Генераторы MEMS состоят из резонаторов MEMS, операционных усилителей и дополнительных электронных компонентов для установки или регулировки их выходных частот. Генераторы MEMS часто включают в себя контуры фазовой автоподстройки частоты, которые создают выбираемые или программируемые выходные частоты.
Работа резонаторов MEMS похожа на крошечный камертон, который звенит на высоких частотах. Поскольку устройства MEMS имеют небольшие размеры, они могут звонить на очень высоких частотах, а их настроенные резонансные структуры воспроизводят частоты от десятков кГц до сотен МГц.
Резонаторы МЭМС имеют механический привод и делятся на две категории: электростатические и пьезоэлектрические. В первую очередь, генераторы MEMS будут использовать электростатическую трансдукцию, поскольку резонаторы с пьезоэлектрической трансдукцией недостаточно стабильны. Резонаторы MEMS с пьезоэлектрическим преобразованием находят применение в приложениях фильтрации.
Одним из основных преимуществ генераторов MEMS является то, что они могут использоваться для нескольких нагрузок, заменяя несколько кварцевых генераторов в цепи. Эта функция может значительно снизить цену и площадь платы, используемую схемой генератора. По сравнению с другими схемами генератора, даже с кварцевыми генераторами, энергопотребление устройств MEMS чрезвычайно низкое из-за меньшего потребляемого тока ядра. Низкое энергопотребление может позволить устройствам, работающим от батареи, работать значительно дольше или свести на нет необходимость отключать первичную цепь генератора для экономии энергии. Генераторы MEMS, в отличие от других генераторов, не требуют для работы каких-либо внешних компонентов, что обеспечивает дополнительную экономию места и средств. Ранние генераторы MEMS несколько боролись со стабильностью, и на рынке есть варианты со стабильностью частоты +/- 8 частей на миллиард, если вы готовы за это платить.
Кремниевые генераторы
Как упоминалось в начале статьи, многие устройства имеют встроенные в кремний генераторы. Кремниевые генераторы в основном такие же, только в отдельном корпусе. Эта интегральная схема представляет собой полную схему RC-генератора, построенную из кремния. Он обеспечивает лучшее согласование и компенсацию, которые вы обычно можете получить с аналогичной стоимостью, используя пассивные компоненты в меньшем корпусе. Кремниевые генераторы могут быть отличным подспорьем для устройств, которые будут подвергаться ударам или вибрациям, поскольку они не имеют механически резонансных элементов. На большинстве веб-сайтов поставщиков вы найдете их в категории «Интегральные схемы», а не в категории «Генераторы».
В дополнение к преимуществам по сравнению с другими генераторами в суровых условиях, кремниевый генератор обычно является программируемым. Возможности программирования зависят от конкретного устройства; однако обычно используется резистор для задания частоты или интерфейс SPI / I2C. Хотя кремниевые генераторы обычно имеют относительно низкую погрешность частоты около 1-2%, они компактны и требуют только внешнего блокирующего конденсатора источника питания. Они могут быть недорогой альтернативой другим типам генераторов в неточных приложениях.
Резюме
Выбор оптимального источника синхронизации непрост. Есть много факторов, таких как общая стабильность, чувствительность к температуре, вибрации, влажности, электромагнитным помехам, стоимость, размер, энергопотребление, сложная компоновка и дополнительные компоненты.
Во многих случаях подходят встроенные RC- или кремниевые генераторы, поскольку эти приложения не требуют дополнительной точности. Использование внутреннего генератора может сэкономить время проектирования, затраты и снизить инженерные риски. Однако современные приложения все чаще требуют высокой точности, что требует использования внешнего генератора, такого как кварцевый, керамический или МЭМС.
Например, для высокоскоростного USB требуется минимальная точность частоты 0,25 %, в то время как некоторые другие внешние средства связи могут корректно работать с источниками тактовой частоты со стабильностью 5 %, 10 % или даже 20 %. Другие высокоскоростные шины и радиочастотные приложения часто требуют гораздо большей точности частоты, чем USB.
Потребляемая мощность генераторов для микроконтроллеров зависит от используемого тока питания усилителя обратной связи и емкости. Потребляемая мощность этих усилителей в основном зависит от частоты, поэтому, если вы хотите разработать устройство с очень низким энергопотреблением, рассмотрите возможность снижения тактовой частоты до минимума, при котором ваше устройство все еще может выполнять свою работу. Часто вы обнаружите, что микроконтроллер имеет много оставшихся тактов, и все они потребляют ненужную энергию.
Цепи с керамическими резонаторами обычно имеют более высокие значения емкости нагрузки, чем схемы с кварцевыми резонаторами, и потребляют еще больший ток, чем схемы с кварцевыми резонаторами, использующие тот же усилитель. Для сравнения, модули кварцевых генераторов обычно потребляют от 10 мА до 60 мА тока питания из-за включенных функций температурной компенсации и управления.
На рынке доступно множество типов осцилляторов, каждый из которых имеет свои плюсы и минусы.
Для приложений общего назначения, где синхронизация не является абсолютно критичной, вы можете использовать практически любое генераторное устройство или схему, которая удовлетворяет требованиям по частоте. Для схем с более высокой точностью вы можете рассмотреть более дорогие устройства, такие как генераторы MEMS, которые могут обеспечить стабильность частоты частей на миллиард даже в большом диапазоне температур, однако рассчитывайте заплатить десятки или сотни долларов за генератор.
Если вы создаете контроллер светодиодов или аналогичные схемы, которым нужен только микроконтроллер для запуска некоторого кода управления или пользовательского интерфейса, встроенный RC-генератор предоставит вам все, что вам нужно. Предположим, вы работаете над глубоководным аппаратом, который может точно отслеживать свое местоположение. В этом случае осциллятор со стабильностью всего несколько частей на миллиард в широком диапазоне температур может быть минимумом, который вам может сойти с рук.
Чем теснее вы хотите интегрировать данные датчиков или чем более узкую полосу частот вы хотите использовать для радиосвязи, тем более стабильным должен быть ваш осциллятор. Предположим, вы существенно увеличиваете свою частоту, например. В этом случае вы создаете гигагерцовый сигнал от мегагерцового генератора, тем более стабильным вам потребуется генератор, поскольку любая ошибка будет увеличиваться.
Хотите узнать больше о том, что такое осциллятор? Позвоните специалисту Altium.
Основы генератора
- Раздел 1.0 Основы генератора.
- • Типичные типы генераторов и приложения.
- Раздел 1.1 Работа генератора.
- • Части генератора.
- • Положительный отзыв.
- • Условия для колебаний.
- • Контроль амплитуды.
- Раздел 1.2 Тест по основам генератора
- • Проверьте свои знания об осцилляторах
Введение
Эти модули генераторов в Learnabout Electronics описывают, как работают многие широко используемые генераторы с использованием дискретных компонентов и в виде интегральных схем.
Также узнайте, как самостоятельно создавать и тестировать схемы генераторов.
Что такое осциллятор
Генератор обеспечивает источник повторяющегося сигнала переменного тока на своих выходных клеммах без каких-либо входных сигналов (кроме источника постоянного тока). Сигнал, генерируемый генератором, обычно имеет постоянную амплитуду.
Форма и амплитуда волны определяются конструкцией схемы генератора и выбором номиналов компонентов.
Частота выходного сигнала может быть фиксированной или переменной, в зависимости от конструкции генератора.
Типы генераторов
Рис. 1.0.1 Генератор
(источник переменного тока)
Символ цепи
Генераторы можно классифицировать по типу сигнала, который они производят.
- ГЕНЕРАТОРЫ СИНУСУСЛА производят синусоидальный сигнал.
- РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ и НЕСТАБИЛЬНЫЕ МУЛЬТИВИБРАТОРЫ производят прямоугольные волны и прямоугольные импульсы.
- ГЕНЕРАТОРЫ РАЗВЕРТЫВАНИЯ создают пилообразные волны.
Синусоидальные генераторы также можно классифицировать по частоте или типу используемого ими управления частотой. ВЧ (радиочастотные) генераторы, работающие на частотах выше примерно от 30 до 50 кГц, используют LC (катушки индуктивности и конденсаторы) или кристаллы для управления своей частотой. Их также можно классифицировать как генераторы ВЧ, ОВЧ и УВЧ, в зависимости от их частоты.
НЧ (низкочастотные) генераторы обычно используются для генерации частот ниже примерно 30 кГц и обычно являются RC-генераторами, поскольку они используют резисторы и конденсаторы для управления своей частотой.
Генераторы прямоугольных импульсов, такие как релаксационные и нестабильные генераторы, могут использоваться на любой частоте от менее 1 Гц до нескольких ГГц и очень часто реализуются в виде интегральных схем.
Синусоидальные осцилляторы.
Рис. 1.0.2 Сети управления частотой
Эти схемы в идеале производят чистую синусоиду на выходе, имеющую постоянную амплитуду и стабильную частоту.
Тип используемой схемы зависит от ряда факторов, включая требуемую частоту. Конструкции, основанные на LC-резонансных цепях или на кварцевых резонаторах, используются для ультразвуковых и радиочастотных применений, но на звуковых и очень низких частотах физический размер резонирующих компонентов L и C был бы слишком большим, чтобы быть практичным.
По этой причине комбинация R и C используется для управления частотой. Символы цепей, используемые для этих сетей управления частотой, показаны на рис. 1.0.2
LC-генераторы
Катушки индуктивности и конденсаторы объединены в резонансный контур, который создает очень хорошую форму синусоиды и имеет довольно хорошую стабильность частоты. То есть частота не очень сильно меняется при изменении напряжения питания постоянного тока или температуры окружающей среды, но относительно просто, используя переменные катушки индуктивности или конденсаторы, создать генератор с переменной частотой (настраиваемый). LC-генераторы широко используются для генерации и приема радиочастотных сигналов, где требуется переменная частота.
RC (или CR) генераторы
На низких частотах, таких как аудио, значения L и C, необходимые для создания резонирующего контура, были бы слишком большими и громоздкими, чтобы их можно было использовать. Поэтому резисторы и конденсаторы используются в комбинациях RC-фильтров для генерации синусоидальных волн на этих частотах, однако более сложно получить чистую синусоидальную форму с использованием резисторов R и C. Эти низкочастотные синусоидальные генераторы используются во многих аудиоприложениях и различных устройствах. используются конструкции с фиксированной или переменной частотой.
Кварцевые генераторы
На радиочастотах и выше, когда требуется фиксированная частота с очень высокой степенью стабильности частоты, компонентом, определяющим частоту колебаний, обычно является кварцевый кристалл, который при воздействии переменного напряжения колеблется с частотой очень точная частота. Частота зависит от физических размеров кристалла, поэтому, как только кристалл изготовлен с определенными размерами, частота колебаний является чрезвычайно точной.
Конструкции кварцевых генераторов могут генерировать синусоидальные или прямоугольные сигналы, и, помимо того, что они используются для генерации очень точных несущих частот в радиопередатчиках, они также составляют основу очень точных элементов синхронизации в часах и компьютерных системах.
Генераторы релаксации
Эти генераторы работают по принципу, отличному от синусоидальных генераторов. Они производят прямоугольный или импульсный выходной сигнал и обычно используют два усилителя и сеть управления частотой, которая просто создает временную задержку между двумя действиями. Два усилителя работают в режиме переключения, полностью включаясь или полностью выключаясь попеременно, и поскольку время, в течение которого транзисторы фактически переключаются, длится лишь очень небольшую часть каждого цикла волны, остальную часть цикла они расслабьтесь», в то время как временная сеть производит оставшуюся часть волны. Альтернативное название генератора этого типа – «нестабильный мультивибратор», это название происходит от того, что они содержат более одного колебательного элемента.
В основном есть два осциллятора, т. е. «вибраторы», каждый из которых передает часть своего сигнала обратно другому, а выход постоянно меняется от высокого к низкому состоянию и обратно, т. е. он не имеет стабильного состояния, поэтому он нестабильный. Генераторы релаксации могут быть построены с использованием нескольких различных конструкций и могут работать на разных частотах. Нестабильные обычно выбирают для таких задач, как создание высокочастотных цифровых сигналов. Они также используются для создания относительно низкочастотных сигналов включения-выключения для мигающих огней.
Генераторы развертки
Волна развертки — это другое название пилообразной волны. Это имеет линейно изменяющееся (например, возрастающее) напряжение почти на протяжении всего одного цикла, за которым следует быстрый возврат к исходному значению волны. Эта форма волны полезна для изменения (развертки) частоты генератора, управляемого напряжением, который представляет собой генератор, частота которого может изменяться в заданном диапазоне за счет подачи переменного напряжения «развертки» на его управляющий вход.