Kristalloscillatorer

[Hobbyisten]

Första igångsättande pulsen hos dem, vad är det ?
När kristallen kommit igång i sin resonansfrekvens blir oscillatorkretsen "självgående", men hur triggar man igång den ?

[Icecap]

Om det är en normal oscillator ska den inte triggas men börja helt själv.

Om den inte gör det är den antingen kopplat fel eller trasig.

Är det någon specialsak kan det finnas ENABLE eller sånt på den som då ska vara i rätt läge.

Är det en inbyggt oscillator i t.ex. en µC ska belastningskondensatorerna ha rätt värde (ofta 2 st 18pF) och kristalltypen ställd rätt i CONFIG.

[Marta]

Jag uppfattar frågan som rent principiell. Då är svaret att kretsens brus får svängningen att börja byggas upp. Precis som i andra oscillatorer.
En oscillator med marginell förstärkning oavsett typ kan ibland behöva en liten starthjälp. En sådan konstruktion är normalt att anse som trasig.

Tillägg:
En oscillator är en återkopplad förstärkare. Villkoret för att den skall svänga är att förstärkningen loopen runt >1. Då löser det sig självt att den startar. Är förstärkaren olinjär, t.ex olämplig förspänning, kan det bli så att detta inte uppfylls förän över en viss nivå. Då blir oscillatorn trög och kan behöva en startpuls.

[malman]

I grunden är det inte kristallen som oscillerar, den ser bara till att det sker vi en viss frekvens..
Kristallen brukar sitta i återkopplingskretsen för någon form av digital inverter.
Dvs en inverterande krets där man leder tillbaka utgången till ingången igen... men man gör det via kristallen som tillser att självsvängningen hamnar på en viss frekvens...

Så hur den startar är snudd på en filosofisk fråga... kretsen får ström då hamnar utgången i något tillstånd som leds tillbaka till ingången som får utgången att byta tillstånd....

Edit: hmm.. detta gäller iaf för en digital oscillator....

Pratar man analog oscillator är nog Martas svar mer relevant än mitt...
I en analog oscillator har man en inverterande förstärkare som återkopplas via kristallen på ett eller annat sätt... och beroende på överföringsfunktionen för återkopplingen hamnar oscillationen på kristallens frekvens... om man har tur...
man kan också råka få dylika oscillatorer att svänga på övertoner om man råkar ha flera dippar i sin överföringsfunktion....

Och dessa är också orsaken till berömda elektroniksanningar såsom: Self starting oscillators won't.....

[xxargs]

Att simulera kristalloscillatorlösningar i Spice är skitjobbigt...

Simulerar man oscillator-konstruktionen i tex SPICE så måste man dels simulera väldigt länge innan det händer något (kristaller har Q-värde runt 200000 vilket innebär rätt många perioder, ja många tusentals perioder med tillräcklig tidsupplösning måste köras innan den når 'steady state') , kanske inte startar alls eller hamnar i cykliska mellanlägen som det aldrig tar sig ur - varför, ja förutom avrundningsfel i beräkningarna där även tolfte decimalen räknas, tidsupplösning i beräkningen, modellfel i använda komponenter så saknar simuleringen också termisk brus på alla sina delar och bruset är viktig för att knuffa runt och ur i cykliska förlopp om det fastnar i sådant i tex. en uppstartsläge.

Även kristalloscillatorer i verkligheten kan ha flera hundradelar, ja tom. flera tiondelar av sekund att starta upp och jobbar det i sann parallell eller serieresonans (och inte halvvägs mellan seriell och parallell-mode som i en Pierce-oscillator lösning där kristallen 'bara' agerar som en stor drossel med hög Q-värde inom mycket litet frekvensområde mellan dess serieresonans-punkt och parallell-resonans-punkt som är vanligast i digitala system och som CPU-oscillator och även i realtidsklock-kretsar) så kan det ta längre tid än så, och förklaringen är kristallen höga Q-värde.

Oscillator-kristall som sitter i serie eller parallellkopplingsdrift kan man rucka ytterst lite i ändlägena på sina trimpunkter - typ 1/4-dels Hz på en 70 MHz kristall i bästa, fall medans pierce-oscillatorkoppling betydligt mer då man inte nyttjar kristallens potentiella Q-värde i kopplingen fullt ut och därmed är mer trimbar vilket är en orsak varför Pierce-oscillator-koppling används i 32768 Hz klockkristall-oscillatorer för att helt enkelt försäkra sig om bra produktions-yeld och inte står och faller med en kristall-batch i hur noga de är slipade i frekvens.

[Hobbyisten]

Tack för svar !
Ja min fråga var principiell som Marta sa. Läste i EFA att man ger kristallen en puls med "rätt" frekvens, vilket fick mig att undra vad kristallen överhuvudtaget hade att göra där från första början Är det inte så att en spänning, vilken som helst, som läggs på kristallen får den att börja vibrera enligt piezoelektriska principer ?

[Marta]

Den oscillerar inte av att "vilken som helst spänning" läggs på. Det är en helt passiv komponent utan förstärkning. Utsätts den för ett skarpt spänningssprång så kan den skapa en svag dämpad svängning som snabbt klingar av. Nåogot mer blir det inte.

[Icecap]

En kristall beter sig som en resonanskrets vid resonansfrekvensen.

Med 2 st belastningskondensastorer fungerar de som mittuttag varför det är 180° fasvridning mellan de två ändor kontra GND.
Om man då tar en förstärkare däremellan som också ger 180° fasvridning har man en oscillator om förstärkningen är stor nog.

Men hur startar den då?
Jo, alla förstärkare brusar och brus består av många frekvenser, inkl. kristallens egenresonansfrekvens. Den frekvens leds sedan tillbaka och det hela stiger i styrka till den svänger stabilt.

[Glenn]

Är det en inbyggt oscillator i t.ex. en µC ska belastningskondensatorerna ha rätt värde (ofta 2 st 18pF) och kristalltypen ställd rätt i CONFIG.

I början av min PIC-karriär byggde jag en pryl med kristall och två 18pF kondingar på breadboardet, sen gjorde jag samma bygge på fyra verokort och lyckades glömma kondingarna.

Det fick till följd att tre exemplar fungerade fint men det fjärde startade inte.. efter lite felsökning kom jag ju på att kondingarna saknades och monterade dessa varvid den fungerade, varvid det slog mej att "hur sjutton fungerade dom andra då.."

Min gissning var att kortet i sej antingen fick in nån störning eller hade tillräcklig kapacitans..

[Icecap]

Det finns ju kapacitans mellan benen på kretsarna samt ledningarna till dom. Dessa kan uppgå till 6-12pF utan svårigheter och då "normal" belastning ska vara ≈22pF * 2 för resonans på rätt frekvens brukar jag ta 2 st 18pF. Då hamnar man rimligt rätt och har stabil funktion.

[Hobbyisten]

Men hur startar den då?
Jo, alla förstärkare brusar och brus består av många frekvenser, inkl. kristallens egenresonansfrekvens. Den frekvens leds sedan tillbaka och det hela stiger i styrka till den svänger stabilt.

Osc_kristall.png

…..och förstärkningen skulle vara matningen till grindarna i bilden ovan då ?

[YD1150]

Ofta kör man en "Digital" inverterare som en analog förstärkare med att sätta ett motstånd från utgång till ingång. CMOS kretsen 4069UB är en sådan. Obs helst UB-varianten.

[4kTRB]

Jag simulerade en oscillator i spice och den startades genom att ge den en kort puls på lämpligt ställe.Innan dess oscillerande den inte men väl sedan.

[Icecap]

Hobbyisten: ditt schema är helt fel! Du har 2 st inverterande förstärkare vilket ger 0° fasvridning i förstärkerledet. Kondensatorerna är även monterat ganska konstigt och det behövs inte 2 motstånd - beroende på kristalltyp.

[Hobbyisten]

Ok Icecap, bilden var hämtad från wiki. ser det här riktigare ut då ?

20191120_082158.jpg

R2 och C2 ger korta pulser in till kristallen, en "etta" ut från kristallen till NAND-grinden ger en nolla ut som inverteras till en etta igen i inverteraren längst till höger. En nolla ut från kristallen ger en etta ut ur NAND-grinden vilket ger en nolla ut till höger. Det växlar fram och tillbaka eftersom NAND-grinden är en inverterare. Den analoga förstärkningen sker genom återkopplingen över NAND-grinden genom R1. ??