Warum ist das Signal auf XTAL1 und XTAL2 eine Sinuswelle (nicht quadratisch)?

Ich habe eine grundlegende Implementierung mit einem Kristall, der XTAL1 und XTAL2 auf einem Prozessor speist (ähnlich wie unten). Wenn ich mir das Signal auf XTAL1 und XTAL2 ansehe, sind es Sinuswellen.

Sollten sie nicht Rechteckwellen sein?

Diese Schaltung ist keine digitale Schaltung. Tatsächlich handelt es sich um eine ziemlich mathematisch komplizierte nichtlineare Analogschaltung mit automatischer Verstärkungsregelung und selbsttragendem Oszillationsmodus. Es wird " Pierce-Oszillator " genannt.

Die Frequenz der Schwingungen wird durch eine scharfe Steigung des elektromechanischen Resonators (Kristalls) definiert, während die Verstärkungsregelung auf der Abhängigkeit des Eingangs von der DC-Vorspannung basiert - wenn die DC-Vorspannung (bei C1) zu niedrig gegen Masse ist oder auch In der Nähe von V _cc ist die Verstärkung gering. Die lineare Verstärkung ist irgendwo zwischen Masse und Stromschiene am höchsten.

Der (normalerweise interne) Vorspannungswiderstand R1 spielt im Oszillator eine entscheidende Rolle. Ein typischer Wert davon in CMOS-Implementierungen ist ungefähr 1 MOhm. Zusammen mit C1 bildet es ein Tiefpassfilter, das den Ausgang integriert und abhängig von einer leichten Asymmetrie des Ausgangssignals einen variablen Gleichstromversatz liefert, selbst wenn der Ausgang gesättigt ist (Schienenbegrenzung).

Infolgedessen kann es je nach Rohverstärkung des Wechselrichters und den Parametern des Kristallresonators und der Ladekondensatoren zu einer Vielzahl von Signalformen mit mehr oder weniger nichtlinearer Verzerrung bei Xout und Xin kommen. Bei einer sehr geringen Verstärkung und am Rande von Selbstschwingungen sind die Signale nahezu sinusförmig, während bei höherer Verstärkung der Ausgang auf die Spannungsschiene trifft und nahezu rechteckig sein kann. Die Kunst, Pierce-Oszillatoren herzustellen, besteht darin, einen goldenen Kompromiss zwischen rechteckigem und sinusförmigem Ausgang mit einer guten Stabilität des gesamten Schaltkreises gegenüber Temperatur- und Spannungsschwankungen zu erzielen.

Dieser Artikel befasst sich mit einem MEMS-Resonator, nicht mit Quarzkristall, aber die Ideen sind dieselben. Dies ist ein Beispiel dafür, wie die Schaltung startet und in den stationären Zustand übergeht:

Der Kristall (+ C1 / C2) ist ein Resonator / Filter mit sehr schmaler Bandbreite. Nur die Grundfrequenz kann durch sie passen.

Sinuswellen sind eine einzige reine Frequenz, es ist also eine Sinuswelle.

Rechteckwellen werden quadratisch gemacht, indem alle ungeraden Harmonischen den Buckel ausfüllen, bis der Sinus quadratisch wird. Keine Harmonischen = Nicht quadratisch

[Beachten Sie, dass Kristalle tatsächlich "Harmonische" haben, die als Obertöne bezeichnet werden , aber leicht von der Frequenz abweichen, sodass die Harmonischen der Grundwelle den 3. Oberton usw. nicht ganz treffen.]

Eine andere Ansicht ist, dass der Kristall wie die Räder eines Fahrrads ist, das die Straße hinunter rollt. Der CMOS-Wechselrichter, der ihn antreibt, ist wie Ihre Füße und Beine. Jetzt können Sie in die Pedale "stechen" und versuchen, die Bewegung zu einer Rechteckwelle zu machen, wenn Sie möchten. Aber die Pedale werden trotzdem reibungslos herumlaufen, weil der Schwungradeffekt so groß ist. Der Kristall ist wie ein riesiges Schwungrad, das sanft und sinusförmig herumrollt.

Der Kristall ist wirklich wie ein schweres Schwungrad. Wenn Sie den Antrieb plötzlich trennen, dauert es Tausende von Zyklen, bis das Signal abklingt. Wenn Sie den Oszillator einschalten, dauert es Tausende von Zyklen, bis die Amplitude langsam aufgebaut ist. Aus diesem Grund verfügt Ihr Prozessor über einen "Oszillator-Start-Timer".

Ein Kristall wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um und umgekehrt. Dies ist effizient möglich, wenn es mit einer sinusförmigen Wellenform einer bestimmten Frequenz betrieben wird. Wenn Sie es mit etwas anderem fahren, wird ein größerer Teil der aufgebrachten Energie in Wärme oder mechanische Verschlechterung umgewandelt.

Während es einem Prozessor möglich wäre, eine Rechteckwelle an den Kristall auszugeben, würde dies dazu führen, dass der Kristall mehr Wärme erzeugt und mehr Stress ausgesetzt ist, als ihn mit etwas zu treiben, das näher an einer sinusförmigen Wellenform liegt. Wenn der Zweck eines Pins darin besteht, als Ausgang eines Quarzoszillators zu dienen, kann ein kleiner Transistor, der nicht stark genug ist, um eine sofortige Änderung der Spannung am Pin zu erzwingen, im Vergleich zu einem Transistor, der stark genug ist, recht billig sein eine Rechteckwelle gewaltsam antreiben.

Beachten Sie im Übrigen, dass der Prozessor in den meisten Fällen nicht viel Leistung in den Kristall einbringt und die sinusförmige Form nicht von der Energie dominiert wird, die vom Prozessor in den Kristall fließt, sondern von der Energie, die wiederholt aus dem Kristall fließt den Kristall in die aufgesetzten Kappen und wieder zurück.

Obwohl das Signal eine Sinuswelle ist, hat der Pin eine Schwellenspannung. Unterhalb dieser Schwelle ist es eine 0 und oberhalb wird eine 1 angezeigt. Dies ist normalerweise eine Folge der internen Schaltung.

Oberhalb der Schwelle registriert der Pin eine 1. Der Pin hat einen Spannungsbereich, in dem er regelmäßig arbeiten kann. Selbst wenn sich die Spannung einer '1' während der Spitze der Sinuswelle ändert, beispielsweise von 3,31 auf 3,35 Volt wird es in der gewünschten Weise arbeiten.

Der Pin funktioniert also nicht mehr als 0, sondern als 1, obwohl die tatsächliche Spannung geringfügig variiert. Natürlich zu viel Spannung und es beginnt auf unerwartete Weise zu arbeiten, was normalerweise den Chip beschädigt.

Der Kristall wird als Schmalbandpassfilter mit sehr hohem Q und einer Phasenverschiebung von 180 ° verwendet. Der Wechselrichter zwingt ihn, zur Sättigung einer Rechteckwelle mit logischem Pegel zu schwingen.

Der Wechselrichtereingang ist also eine Sinuswelle, da alle Harmonischen der Rechteckwelle herausgefiltert werden.

Diese Sinuswelle mit einer endlichen und leicht zu berechnenden Steigung und einem gewissen Grundrauschen in der internen Schaltung, das das Resonatorsignal quadriert , verursacht ein vorhersagbares Phasenrauschen oder Zeitjitter.

Verwenden Sie die Formel

T _Jitter = V _Rauschen / Anstiegsgeschwindigkeit

um den Zeitverlauf dieser Taktquelle vorherzusagen.

Beachten Sie, dass alle anderen Schaltkreise nur noch Jitter verursachen. Verwenden Sie die gleiche Formel.

Angenommen, Ihre Sinus-Quadrat-Schaltung hat 10 kOhm Rnoise. Dies ist 12 Nanovolt / rtHz thermischer Zufall / Johnson / Boltsmann-Rauschdichte. Wenn die Bandbreite 100 MHz beträgt, beträgt die gesamte Eingangsrauschspannung 12 nV * sqrt (100 MHz) = 12 nV * 10 ^ 4 = 120 Mikrovolt RMS.

Angenommen, die Kristallfrequenz beträgt 10 MHz mit einer Sinusspitzenamplitude von + -1 Volt. Die Anstiegsgeschwindigkeit beträgt 1 V * 6,28 * 10 MHz = 63 Volt / µs.

Was ist der Kantenjitter? T _j = V _Rauschen / Anstiegsgeschwindigkeit

T _j = 120 Mikrovolt / (63 Volt / us) = 2 Pikosekunden.