Kristalle, Oszillatoren und Resonatoren. Was ist der Unterschied?

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Ich versuche, den Unterschied zwischen Kristallen, Oszillatoren und Resonatoren herauszufinden. Ich fange an, es zu begreifen, aber ich habe noch einige Fragen.

Nach meinem Verständnis besteht ein Oszillator aus einem Kristall und zwei Kondensatoren. Was ist dann ein Resonator? Ist es ein Unterschied in der Terminologie?

Wenn ein Oszillator und ein Resonator ähnlich sind, warum dann diese beiden Punkte:

http://www.digikey.com/product-detail/en/HWZT-16.00MD/535-9379-ND/675574

http://www.digikey.com/product-detail/en/FCR16.0M2G/445-1646-ND/653108

Habe zwei Pins raus und keinen Boden. Während dieser

http://www.digikey.com/product-detail/en/ZTT-16.00MX/X908-ND/170095

Hat drei Stifte, von denen einer eine Masse ist?

Funktioniert eines dieser drei Geräte als externe Uhr für einen Mikrocontroller?

PS: Bonuspunkte für eine Erklärung, wie die Kondensatoren die ordnungsgemäße Funktion des Kristalls unterstützen. :)

Alexis K
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electronics.stackexchange.com/a/17894/638 Diese Antwort geht auf einige Details ein, warum Kristalle Kondensatoren benötigen.
W5VO
Diskussion von Kristallen gegen Resonatoren hier: electronics.stackexchange.com/a/20893/4512
Olin Lathrop

Antworten:

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Sowohl Keramikresonatoren als auch Quarzkristalle arbeiten nach dem gleichen Prinzip: Sie vibrieren mechanisch, wenn ein Wechselstromsignal an sie angelegt wird. Quarzkristalle sind genauer und temperaturstabiler als Keramikresonatoren. Der Resonator oder Kristall selbst hat zwei Verbindungen. Links der Kristall, rechts der Keramikresonator.

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Wie Sie sagen, der Oszillator benötigt zusätzliche Komponenten, die beiden Kondensatoren. Der aktive Teil, der den Oszillator zum Arbeiten bringt, ist ein Verstärker, der die Energie liefert, um die Oszillation am Laufen zu halten.

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Einige Mikrocontroller verfügen über einen Niederfrequenzoszillator für einen 32,768-kHz-Kristall, in den häufig Kondensatoren eingebaut sind, sodass Sie nur zwei Anschlüsse für den Kristall benötigen (links). Die meisten Oszillatoren benötigen jedoch die Kondensatoren extern, und dann haben Sie die Anschlüsse: Eingang vom Verstärker, Ausgang zum Verstärker und Masse für die Kondensatoren. In einem Resonator mit drei Pins sind die Kondensatoren integriert.

Die Funktion der Kondensatoren: Um den Closed-Loop-Verstärker-Kristall in Schwingung zu versetzen, muss die gesamte Phasenverschiebung 360 ° betragen. Der Verstärker ist invertiert, das sind also 180 °. Zusammen mit den Kondensatoren kümmert sich der Kristall um die anderen 180 °.

edit
Wenn Sie einen Quarzoszillator einschalten, der nur ein Verstärker ist, erhalten Sie noch nicht die gewünschte Frequenz. Das einzige, was es gibt, ist ein leises Rauschen über eine große Bandbreite. Der Oszillator verstärkt dieses Rauschen und leitet es durch den Kristall, woraufhin es erneut in den Oszillator eintritt, wodurch es erneut verstärkt wird und so weiter. Sollte das nicht nur sehr viel Lärm verursachen? Nein, die Eigenschaften des Kristalls sind so, dass er nur einen sehr geringen Teil des Rauschens um seine Resonanzfrequenz herum durchlässt. Der Rest wird gedämpft. Am Ende bleibt also nur die Resonanzfrequenz übrig, und dann schwingen wir.

Sie können es mit einem Trampolin vergleichen. Stellen Sie sich einen Haufen Kinder vor, die zufällig darauf springen. Das Trampolin bewegt sich nicht viel und die Kinder müssen sich viel Mühe geben, um nur 20 cm hoch zu springen. Nach einiger Zeit beginnen sie sich zu synchronisieren und das Trampolin folgt dem Springen. Die Kinder springen mit weniger Aufwand immer höher. Das Trampolin schwingt mit seiner Resonanzfrequenz (ca. 1 Hz) und es ist schwierig, schneller oder langsamer zu springen. Das sind die Frequenzen, die herausgefiltert werden.
Das Kind, das auf das Trampolin springt, ist der Verstärker, sie liefert die Energie, um die Schwingung am Laufen zu halten.

Lesen Sie weiter
MSP430 32 kHz Quarzoszillatoren

stevenvh
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Danke für die tolle Antwort. Ich bekomme jetzt das Problem mit Kristallen, Oszillatoren und Resonatoren. Es warf mir jetzt eine andere Frage auf. Versorgt der mC den Oszillator mit einem stetigen "Tick-tock", den der Oszillator in seiner Stärke verstärkt? Oder sendet der mC ein Signal an den Oszillatoreingang, dann wartet der Oszillator eine gewisse Zeit, dann sendet der Oszillator ein Signal an den mC, wodurch der Vorgang erneut gestartet wird?
Alexis K
@AlexisK - Nein, das ist nicht so. Die Vibration setzt sich fort und der Verstärker drückt den Kristall im gleichen Tempo. Siehe die Bearbeitung meiner Antwort.
Stevenvh
Ich meine nicht, dass Sie zu streng sein müssen, aber Ihre Erklärung über das Funktionsprinzip eines Oszillators ist irreführend, wenn sie nicht völlig falsch ist. Wenn Sie sagen: "Der Verstärker ist invertiert, das sind also 180 °. Zusammen mit den Kondensatoren kümmert sich der Kristall um die anderen 180 °." Hier ist der erste Satz richtig, aber der zweite ist nur Unsinn. Da diese Frage nach den Unterschieden fragt, ist eine einfache Erklärung ausreichend, so dass Sie nicht sehr umfassend über das Arbeitsprinzip sein müssen. Die Erklärung zum Start des Oszillators hat auch seine Probleme: Es ist eher wie eine Schaukel :)
Krauss
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Um Ihre Frage zu beantworten, ist ein Resonator im Wesentlichen ein kostengünstiger Kristall.

Ein Oszillator ist eine Verstärkerschaltung mit schwingender Rückkopplung und einem "frequenzbestimmenden Element", das ihn auf der gewünschten Frequenz schwingen lässt. Ein Kristall kann für eine genaue Frequenz hergestellt werden und er driftet sehr wenig, wenn sich die Temperatur oder die Streukapazität ändert. Es ist auch sehr effizient und benötigt sehr wenig Energie, um es in Schwingung zu halten. Kristalle bestehen normalerweise aus Quarz und Sie bezahlen für alle oben genannten Eigenschaften.

Resonatoren bestehen eher aus Keramikelementen als aus Quarz. Sie halten auch nicht ihre Frequenz. Dies mag für einen Mikroprozessor nicht wichtig sein, ist jedoch wichtig, wenn die Schaltung in einem Radio, einer Uhr oder anderen zeitkritischen Anwendungen verwendet wird. Sie kosten weniger und kommen daher dort zum Einsatz, wo Stabilität nicht so wichtig ist.

In Mikroprozessoren ist häufig der "Verstärkerteil" eingebaut, so dass Sie lediglich den Resonator oder Kristall hinzufügen müssen. Andernfalls bauen Sie entweder eine Oszillatorschaltung auf oder Sie können ein "Oszillatormodul" kaufen, das alle erforderlichen Komponenten in einer Dose enthält. Sie müssen ein Oszillatormodul mit Strom versorgen.

Einige Mikroprozessoren erlauben die Verwendung einer RC-Schaltung (Widerstand und Kondensator) als frequenzbestimmendes Element. Der Microchip PIC hat sogar das ganze Ding eingebaut.

Gbarry
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