اسيلاتور كريستالي

AVR projects.blogfa.com

مدارات الکترونیکی با میکروکنترلر AVR . آموزش برنامه نویسی. آموزش روباتیک.

اسیلاتور کریستالی چیست؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟

یک اسیلاتور کریستالی مداری الکترونیکی است که از رزونانس مکانیکی یک کریستال در حال لرزش پیزوالکتریکی بهره می برد تا سیگنال الکتریکی با فرکانس بسیار دقیقی بوجود آورد. این فرکانس معمولا برای داشتن حسی از زمان (مانند در ساعت های مچی کوارتز) استفاده می شود تا سیگنال ساعتی پایدار برای مدارت مجتمع دیجیتال فراهم کند و نیز فرکانس ها را در فرستنده های رادیویی پایدار (Stable) کند.
استفاده از تقویت کننده و فیدبک فرم دقیقی از یک اسیلاتور الکترونیکی است. به کریستال استفاده شده در آن برخی مواقع "کریستال زمان سنجی (timing crystal)" گفته می شود. در دیاگرام های شماتیکی، گاهی کریستال را با XTAL نمایش می دهند.

فهرست
- کریستال های برای اهداف زمان سنجی
- کریستال ها و فرکانس
- رزونانس سری یا موازی
- فرکانس های ساختگیSpurious frequencies
- یادداشت

کریستال های برای اهداف زمان سنجی

یک کریستال 4MHz کوچک کوارتز که داخل پکیج هم اندازه ی خود (HC-49/US) واقع شده است

یک کریستال جامدی است که در آن اجزای تشکیل دهنده، اتم ها، مولکول ها، یا یون ها در یک ترتیب منظمی بسته بندی شده اند و الگوی تکراری خود را در هر سه بعد فضایی گسترش می دهند.
تقریبا هر چیزی که از مواد الاستیک ساخته شده می تواند مانند کریستال مورد استفاده قرار گیرد، با ترنسدیوسرهای (مبدل ها) متناسب، زیرا تمامی اجسام دارای فرکانس رزونانس طبیعی لرزش هستند. برای مثال، فولاد الستیسیته بالایی دارد و سرعت صوت در آن بالاست. این اغلب در فیلترهای مکانیکی، قبل از کوارتز، استفاده می شد. فرکانس رزونانس به اندازه، شکل، الاستیسیته و سرعت صوت در آن ماده بستگی دارد. کریستال های فرکانس بالا معمولا به شکل صفحه مستطیلی ساده ای بریده می شوند. کریستال های فرکانس پایین، مثل آن هایی که در ساعت های دیجیتالی استفاده می شود، به شکل یک دیاپازون (tuning fork) بریده می شوند. برای کاربردهایی که زمان سنجی بسیار دقیقی نمی خواهند از یک رزونانس کننده سرامیکی ارزان به جای کریستال کوارتز استفاده می شود.

وقتی که یک کریستال کوارتز به طور صحیح بریده و سوار شد، می توانیم با قرار دادن آن در یک میدان الکتریکی (اعمال ولتاژ به الکترودی نزدیک یا روی کریستال) باعث خم شدن آن شویم. این ویژگی به نام پیزوالکتریک بودن (piezoelectricity) معروف است. وقتی میدان برداشته شود، کوارتز با بازگشت به شکل اولیه اش یک میدان الکتریکی تولید می کند که این می تواند یک ولتاژ تولید کند. این رفتار کریستال کوارتز شبیه مداری متشکل از یک سلف، خازن و مقاومت (RLC Circuit) با فرکانس رزونانسی دقیق است.

کوارتز مزیت دیگری نیز دارد و آن کم بودن تغییرات اندازه آن با تغییرات دما است. لذا فرکانس رزونانس صفحه ی مان که به اندازه ی آن وابسته است، تغییر چندانی نمی کند. این یعنی که ساعت کوارتز، فیلتر یا اسیلاتر دقیق خواهد ماند. برای کاربردهای حساس اسیلاتور کوارتز در ظرفی که دمای آن کنترل شده است (به نام اجاق کریستال crystal oven) سوار می شود، و همچنین می تواند روی جذب کننده های ضربه shock absorbers ، که برای جلوگیری از اختلال هایی که ناشی از لرزش های مکانیکی خارجی است، قرار بگیرد.

کریستال های کوارتز زمان سنجی برای فرکانس های از ده ها کیلوهرتز تا ده ها مگاهرتز ساخته می شوند. سالانه بیشتر از دو میلیارد (2×109) کریستال تولید می شود. اکثر آن ها برای استفاده در ساعت های مچی، ساعت ها، و مدارات الکترونیکی هستند. هر چند، کریستال کوارتز داخل ابزارهای تست و اندازه گیری مثل شمارنده ها، سیگنال ژنراتورها و اسیلوسکوپ ها نیز پیدا می شود.

کریستال ها و فرکانس

مدار اسیلاتور کریستالی نوسان را با گرفتن سیگنال ولتاژی از رزونانس کننده ی کوارتز، تقویت آن و فیدبک کردن آن به رزونانس کننده، نگه می دارد. سرعت خم و راست شدن کوارتز فرکانس رزونانس است و توسط برش اندازه کریستال تعیین می شود.

یک کریستال معمول زمان سنجی از دو صفحه ی رسانا با یک برش (slice) یا دیاپازونی از کریستال کوارتز که بین آنها ساندویچ شده تشکیل شده است. هنگام راه اندازی به مدار حول کریستال سیگنال نویز اتفاقی ac اعمال می شود و کاملا بسته شانس کسر اندکی از آن در فرکانس رزونانس کریستال خواهد بود. بنابراین کریستال شروع به نوسان کردن همگام با آن سیگنال می کند. اسیلاتور سیگنال خروجی از کریستال را تقویت می کند و لذا فرکانس کریستال محکم تر می شود و سرانجام خروجی غالب اسیلاتور را شامل می شود. فرکانس طبیعی در مدار و در کریستال کوارتز تمام فرکانس های ناخواسته را فیلتر می کند.

یکی از مهمترین خصوصیات اسیلاتورهای کریستالی کوارتز این است که نویز در فاز بسیار کمی نشان می دهند. به زبانی دیگر سیگنال تولیدی آن ها یک تون خالص (pure tone) است. این آن ها را در مخابرات پر کاربرد می کند، جایی که سیگنال های پایدار مورد نیاز هستند. و همچنین در وسایل علمی که مرجع دقیق زمانی مورد نیاز است.
فرکانس خروجی یک اسیلاتور کوارتز یا فرکانس اصلی رزونانس آن یا یک ضریبی از فرکانس رزونانس آن به نام فرکانس اور تون (overtone) است.

Q (ضریب کیفیت) معمول برای یک اسیلاتور کوارتز بین 10^4 تا 10^6 تغییر می کند. Q ماکزیمم برای یک اسیلاتور کوارتز بسیار پایدار می تواند به اینگونه تقریب زده شود که f فرکانس رزونانس به MHz است: Q = 1.6 × 107/f
تغییرات محیطی دما، رطوبت، فشار و لرزش می تواند فرکانس رزونانس یک کریستال کوارتز را تغییر دهد اما طراحی های گوناگونی وجود دارند که این اثرهای محیطی را کاهش می دهند. این ها شامل TCXO، MCXO و OCXO هستند مه در یادداشت توضیح داده شده اند. این طرح ها (به ویژه OCXO) وسایلی با پایداری کوتاه مدت عالی ایجاد می کنند. محدودیت هایی که در پایداری کوتاه مدت وجود دارد عمدتا به دلیل نویز اجزای الکترونیکی در مدار اسیلاتور است. پایداری بلند مدت با پیری کریستال محدود می شود.

به دلیل پیری و فاکتورهای محیطی چون دما و لرزش، نگه داشتن فرکانس آنها درون یک از 10^-10 فرکانس نامی آن ها، حتی برای بهترین اسیلاتورهای کوارتز، بدون تنظیم مستمر بسیار سخت خواهد بود. به همین علت اسیلاتورهای اتمی (atomic oscillators) برای کاربردهایی که نیاز به پایداری و دقت بهتری دارند استفاده می شوند.
اگر چه کریستال ها می توانند برای هر فرکانس رزونانسی ساخته شوند، به دلیل محدودیت های فنی، در عمل مهندسان مدار اسیلاتور کریستالی در حوالی فرکانس های استاندارد کمی طراحی می کنند مانند 10MHz، 20MHz و 40MHz. استفاده از مدار های مقسم فرکانس، چند برابر کننده ی فرکانس و phase locked loop برای سنتز کردن (ساختن) هر فرکانس دلخواه از فرکانس مرجع امکان پذیر است.

مراقب باشید و تنها از یک اسیلاتور کریستالی در طراحی مدارات خود استفاده کنید تا از وقوع نمونه های ظریفی از خطاهای خودپایداری در الکترونیک (metastability in electronics) جلوگیری کنید. اگر این ممکن نیست تعداد کریستال اسیلاتورهای مجزا (PLLها) و دامنه های ساعتی متحد با آن های بایستی به شدت کم شوند با تکنیک هایی چون نصف کردن کلاک (Clock) موجود به جای استفاده از یک منبع جدید کریستالی. هر منبع مجزای کریستالی باید دقیقا توجیه شود زیرا هر کدام حالت های خطای محتمل غیر قابل رفعی را به علت برهم کنش چند کریستالی در وسیله، ایجاد می کنند

Series or parallel resonance
A quartz crystal provides both series and parallel resonance. The series resonance is a few kHz lower than the parallel one. Crystals below 30 MHz are generally operated at parallel resonance, which means that the crystal impedance appears infinite. Any additional circuit capacitance will thus pull the frequency down. For a parallel resonance crystal to operate at its specified frequency, the electronic circuit has to provide a total parallel capacitance as specified by the crystal manufacturer.
Crystals above 30 MHz (up to >200 MHz) are generally operated at series resonance where the impedance appears at its minimum and equal to the series resistance. For this reason the series resistance is specified (

On electrical schematic diagrams, crystals are designated with the class letter "Y" (Y1, Y2, etc.) Oscillators, whether they are crystal oscillators or other, are designated with the class letter "G" (G1, G2, etc.) (See IEEE Std 315-1975, or ANSI Y32.2-1975) On occasion, one may see a crystal designated on a schematic with "X" or "XTAL", or a crystal oscillator with "XO", but these forms are deprecated

Crystal oscillator types and their abbreviations:
MCXO — microcomputer-compensated crystal oscillator
OCVCXO — oven-controlled voltage-controlled crystal oscillator
OCXO — oven-controlled crystal oscillator
RbXO — rubidium crystal oscillators (RbXO), a crystal oscillator (can be a MCXO) synchronized with a built-in rubidium standard which is run only occassionally to save power
TCVCXO — temperature-compensated voltage-controlled crystal oscillator
TCXO — temperature-compensated crystal oscillator
ATCXO — analogue temperature-compensated crystal oscillator
VCXO اسيلاتور كريستالي — voltage-controlled crystal oscillator
TSXO — temperature-sensing crystal oscillator, an adaptation of the TCXO

"آموزش الکترونیک 3 درس چهارم: اسیلاتورها - اسیلاتورهای مربعی و مثلثی (ب)"

درس الکترونیک ٣ در ادامه درس الکترونیک ١ و ٢ ارائه می شود و در این درس به مباحث تکمیلی تحلیل مدارات الکترونیک، از قبیل مشخصات فرکانسی تقویت کننده ها، جبران فرکانسی، اسیلاتورها (Electronic Oscillator) و تقویت کننده های عملیاتی پرداخته می شود.

در این آموزش ویدئویی، سعی خواهیم کرد با اسيلاتور كريستالي مثال ها و بیانی ساده و شیوا مفاهیم پایه ای و بنیادی الکترونیک ٣ را آموزش دهیم. لازم به ذکر است که این آموزش در ادامه مجموعه آموزشی الکترونیک ١و ٢ از مجموعه آموزشی فرادرس می باشد و لازم است دانشجویان عزیز با مطالب الکترونیک ١ و ٢ آشنایی کامل داشته باشند.

سرفصل های مورد بحث در این فیلم آموزشی عبارتند از:
درس یکم: پاسخ فرکانسی تقویت کننده های ترانزیستوری‎
تأثیر فرکانس بر المان های پایه مقاومت، خازن و سلف
اثر خازن های بای پس و کوپلاژ در تقویت کننده امیتر مشترک و سورس مشترک
تحلیل فرکانسی مدار RC پایین گذر
تحلیل فرکانسی مدار RC بالا گذر
تحلیل فرکانس پایین طبقه سورس مشترک
قواعد رسم نمودارهای بوده
ارتباط پاسخ پله و پاسخ فرکانسی
حل مسئله از تحلیل فرکانس پایین
مدل ترانزیستورهای دوقطبی و اثر میدان در فرکانس های بالا
تحلیل فرکانس بالای طبقه سورس مشترک
قضیه میلر
محاسبه تقریبی فرکانس قطع پایین
محاسبه تقریبی فرکانس قطع بالا
تحلیل فرکانس بالای تقویت کننده آبشاری
تحلیل فرکانس بالای تقویت کننده تفاضلی
محاسبه پهنای باند از روی پاسخ پله
تأثیر اتصال سری تقویت کننده ها بر روی پهنای باند
طراحی تقویت کننده با بهره و پهنای باند مشخص
درس دوم: پایداری و جبران فرکانسی تقویت کننده های فیدبک
انواع تقویت کننده های فیدبک
اثرات فیدبک بر روی تقویت کننده ها
ناپایداری تقویت کننده ها
روش های بررسی پایداری تقویت کننده ها
آرایه راث-هرویتز
مکان هندسی ریشه ها
نمودار نایکویست
تحلیل فرکانسی پایداری
تحلیل فرکانسی پایداری
جبران فرکانسی با استفاده از فیدبک مقاومتی
جبران فرکانسی با استفاده از فیدبک مقاومتی-سلفی
فیلترهای باترورث
جبران فرکانسی با استفاده از ایجاد قطب غالب
درس سوم: تقویت کننده های عملیاتی (Operational amplifier)
ساختار تقویت کننده های عملیاتی
مدارات طبقه اول تقویت کننده های علمیاتی
تقویت کننده تلسکوپی و تاشده
تکنیک Gain Boosting
تقویت کننده عملیاتی LM741
تحلیل DC تقویت کننده عملیاتی LM741
تحلیل AC تقویت کننده عملیاتی LM741
مدار معادل طبقات مختلف تقویت کننده عملیاتی LM741
خازن جبرانساز در تقویت کننده عملیاتی LM741
Slew rate در تقویت کننده های عملیاتی
درس چهارم: اسیلاتورها (Electronic oscillator)
اصول نوسان در اسیلاتورها
تولید نوسان سینوسی با مدار LC
قضیه برک هاوزن
اسیلاتور پل وین
اسیلاتور شیفت فاز
اسیلاتور مربعی
اسیلاتور سه فاز
اسیلاتور LC کولپیتس
اسیلاتور LC هارتلی
اسیلاتور پل میچم
اسیلاتور کریستالی
اسیلاتور موج مثلثی
اسیلاتور موج مربعی
اسیلاتور موج مربعی با تایمر ۵۵۵
اسیلاتور موج مثلثی با تایمر ۵۵۵
اسیلاتور موج مثلثی با ترانزیستور تک قطبی برنامه پذیر

کریستال الکترونیکی

کریستال یک قطعه ی الکترونیکی 2 پایه می باشد که یک سیگنال الکتریکی بسیار دقیق با فرکانس خاص (مثلا فرکانس 16MHz) را تولید می کند. به عبارت دیگر کریستال در مدار اسیلاتور ، به منظور تولید نوسانات بکار گرفته می شود. کریستال ها با فرکانس شان شناخته می شوند. به این معنا که با قرار دادن یک کریستال در مدار اسیلاتور، فرکانس خاص آن کریستال تولید می شود. به این قطعه که نوسان‌ساز کریستال(Crystal oscillator) نیز می گویند، نوعی نوسان‌ساز الکتریکی است که از قانون تشدید و اثر فشاربرقی در کریستال کوارتز استفاده می‌کند.

بطور کلی در بحث میکروکنترلرها و مدارات دو نوع اسیلاتور کریستالی داریم : 1-داخلی : - معمولاً از یک مدار شامل خازن و مقاومت تشکیل شده - حلقه قفل فاز به عنوان ضرب کننده فرکانسی 2-خارجی: - کریستال (Crystal)

نوسان ساز کریستالی معمولاً برای زمان‌بندی و ایجاد سیگنال ساعت در مدارهای مجتمع استفاده می‌شود. کاربرد دیگر این قطعه زمانی می باشد که در یک مدار نیاز به تولید فرکانس بالاتری باشد. به طور مثال در بسیاری از میکروهای avr، در کنار مدار یک کریستال(معمولا 16 مگاهرتز) نیز قرار می دهند تا فرکانس کار مدار را بالا ببرند. به عبارت دیگر کریستال اسیلاتورها ابزارهای هوشمندی هستند که از یک کریستال کوارتز و یک مدار برای تولید یک سیگنال استاندارد کلاک دیجیتال تشکیل شده‌اند. بنابراین با این اسیلاتور شما به پایداری و دقت کریستال بدون نگرانی از جانب خازن‌های بار، طراحی دقیق PCB و… دست پیدا می‌کنید. در عمل در بسیاری از موارد نیازی نیست که یک مدار را به همراه کریستال کوارتز ببندید بلکه المان‌هایی که البته در بازار ایران هم به وفور یافت می‌شود وجود دارد که معروف به کریستال اسیلاتور اند و دارای چهار پایه برای تغذیه و گرفتن خروجی اسیلاتور اند. این ماژول‌ها در اصل مدار کامل کریستال اسیلاتور شامل کریستال کوارتز هستند.میزان خطای فرکانسی این اسیلاتور ها ۰٫۰۰۲% است.

نحوه ی کارکرد داخلی اسیلاتور : مدار اسیلاتور کریستالی نوسان را با گرفتن سیگنال ولتاژی از رزونانس کننده ی کوارتز، تقویت آن و فیدبک کردن آن به رزونانس کننده، نگه می دارد. سرعت خم و راست شدن کوارتز فرکانس رزونانس است و توسط برش اندازه کریستال تعیین می شود.

طراحی و ساخت کریستال ها: کریستال های فرکانس بالا معمولا به شکل صفحه مستطیلی ساده ای بریده می شوند. کریستال های فرکانس پایین، مثل آن هایی که در ساعت های دیجیتالی استفاده می شود، به شکل یک دیاپازون (tuning fork) بریده می شوند. کریستال های کوارتز زمان سنجی برای فرکانس های از ده ها کیلوهرتز تا ده ها مگاهرتز ساخته می شوند. سالانه بیشتر از دو میلیارد کریستال تولید می شود. اکثر آن ها برای استفاده در ساعت های مچی، ساعت ها، و مدارات الکترونیکی هستند. هر چند، کریستال کوارتز داخل ابزارهای تست و اندازه گیری مثل شمارنده ها، سیگنال ژنراتورها و اسیلوسکوپ ها نیز پیدا می شود. همچنین از کریستال ها برای ساخت مدارات فرستنده با ثبات در صنعت مخابرات استفاده می کنند چون که تغییرات دما بر فرکانس کاری کریستال تاثیر آنچنانی نداشته و می توان با آن اسیلاتورهایی ساخت که با ثبات تر بوده و تغییر ناپذیر با دما باشند.

آموزش الکترونیک اسیلاتور کریستالی

یک اسیلاتور کریستالی مداری الکترونیکی است که از رزونانس مکانیکی یک کریستال در حال لرزش پیزوالکتریکی بهره می برد تا سیگنال الکتریکی با فرکانس بسیار دقیقی بوجود آورد. این فرکانس معمولا برای داشتن حسی از زمان (مانند در ساعت های مچی کوارتز) استفاده می شود تا سیگنال ساعتی پایدار برای مدارت مجتمع دیجیتال فراهم کند و نیز فرکانس ها را در فرستنده های رادیویی پایدار (Stable) کند.
http://www.8pic.ir/images/13210191476095695006.jpg

استفاده از تقویت کننده و فیدبک فرم دقیقی از یک اسیلاتور الکترونیکی است. به کریستال استفاده شده در آن برخی مواقع "کریستال زمان سنجی (timing crystal)" گفته می شود. در دیاگرام های شماتیکی، گاهی کریستال را با XTAL نمایش می دهند.
http://www.simplecircuitdiagram.com/wp-content/uploads/2010/01/JFET-Pierce-Crystal-Oscillator.gif

فهرست
- کریستال های برای اهداف زمان سنجی
- کریستال ها و فرکانس
- رزونانس سری یا موازی
- فرکانس های ساختگیSpurious frequencies
- یادداشت
کریستال های برای اهداف زمان سنجی:
یک کریستال 4MHz کوچک کوارتز که داخل پکیج هم اندازه ی خود (HC-49/US) واقع شده است
یک کریستال جامدی است که در آن اجزای تشکیل دهنده، اتم ها، مولکول ها، یا یون ها در یک ترتیب منظمی بسته بندی شده اند و الگوی تکراری خود را در هر سه بعد فضایی گسترش می دهند.
تقریبا هر چیزی که از مواد الاستیک ساخته شده می تواند مانند کریستال مورد استفاده قرار گیرد، با ترنسدیوسرهای (مبدل ها) متناسب، زیرا تمامی اجسام دارای فرکانس رزونانس طبیعی لرزش هستند. برای مثال، فولاد الاستیسیته بالایی دارد و سرعت صوت در آن بالاست. این اغلب در فیلترهای مکانیکی، قبل از کوارتز، استفاده می شد. فرکانس رزونانس به اندازه، شکل، الاستیسیته و سرعت صوت در آن ماده بستگی دارد. کریستال های فرکانس بالا معمولا به شکل صفحه مستطیلی ساده ای بریده می شوند. کریستال های فرکانس پایین، مثل آن هایی که در ساعت های دیجیتالی استفاده می شود، به شکل یک دیاپازون (tuning fork) بریده می شوند. برای کاربردهایی که زمان سنجی بسیار دقیقی نمی خواهند از یک رزونانس کننده سرامیکی ارزان به جای کریستال کوارتز استفاده می شود. ​

وقتی که یک کریستال کوارتز به طور صحیح بریده و سوار شد، می توانیم با قرار دادن آن در یک میدان الکتریکی (اعمال ولتاژ به الکترودی نزدیک یا روی کریستال) باعث خم شدن آن شویم. این ویژگی به نام پیزوالکتریک بودن (piezoelectricity) معروف است. وقتی میدان برداشته شود، کوارتز با بازگشت به شکل اولیه اش یک میدان الکتریکی تولید می کند که این می تواند یک ولتاژ تولید کند. این رفتار کریستال کوارتز شبیه مداری متشکل از یک سلف، خازن و مقاومت (RLC Circuit) با فرکانس رزونانسی دقیق است.

کوارتز مزیت دیگری نیز دارد و آن کم بودن تغییرات اندازه آن با تغییرات دما است. لذا فرکانس رزونانس صفحه ی مان که به اندازه ی آن وابسته است، تغییر چندانی نمی کند. این یعنی که ساعت کوارتز، فیلتر یا اسیلاتر دقیق خواهد ماند. برای کاربردهای حساس اسیلاتور کوارتز در ظرفی که دمای آن کنترل شده است (به نام اجاق کریستال crystal oven) سوار می شود، و همچنین می تواند روی جذب کننده های ضربه shock absorbers ، که برای جلوگیری از اختلال اسيلاتور كريستالي هایی که ناشی از لرزش های مکانیکی خارجی است، قرار بگیرد.

کریستال های کوارتز زمان سنجی برای فرکانس های از ده ها کیلوهرتز تا ده ها مگاهرتز ساخته می شوند. سالانه بیشتر از دو میلیارد (2×109) کریستال تولید می شود. اکثر آن ها برای استفاده در ساعت های مچی، ساعت ها، و مدارات الکترونیکی هستند. هر چند، کریستال کوارتز داخل ابزارهای تست و اندازه گیری مثل شمارنده ها، سیگنال ژنراتورها و اسیلوسکوپ ها نیز پیدا می شود.

کریستال ها و فرکانس:
مدار اسیلاتور کریستالی نوسان را با گرفتن سیگنال ولتاژی از رزونانس کننده ی کوارتز، تقویت آن و فیدبک کردن آن به رزونانس کننده، نگه می دارد. سرعت خم و راست شدن کوارتز فرکانس رزونانس است و توسط برش اندازه کریستال تعیین می شود.
یک کریستال معمول زمان سنجی از دو صفحه ی رسانا با یک برش (slice) یا دیاپازونی از کریستال کوارتز که بین آنها ساندویچ شده تشکیل شده است. هنگام راه اندازی به مدار حول کریستال سیگنال نویز اتفاقی ac اعمال می شود و کاملا بسته شانس کسر اندکی از آن در فرکانس رزونانس کریستال خواهد بود. بنابراین کریستال شروع به نوسان کردن همگام با آن سیگنال می کند. اسیلاتور سیگنال خروجی از کریستال را تقویت می کند و لذا فرکانس کریستال محکم تر می شود و سرانجام خروجی غالب اسیلاتور را شامل می شود. فرکانس طبیعی در مدار و در کریستال کوارتز تمام فرکانس های ناخواسته را فیلتر می کند.

یکی از مهمترین خصوصیات اسیلاتورهای کریستالی کوارتز این است که نویز در فاز بسیار کمی نشان می دهند. به زبانی دیگر سیگنال تولیدی آن ها یک تون خالص (pure tone) است. این آن ها را در مخابرات پر کاربرد می کند، جایی که سیگنال های پایدار مورد نیاز هستند. و همچنین در وسایل علمی که مرجع دقیق زمانی مورد نیاز است.
فرکانس خروجی یک اسیلاتور کوارتز یا فرکانس اصلی رزونانس آن یا یک ضریبی از فرکانس رزونانس آن به نام فرکانس اور تون (overtone) است.
Q (ضریب کیفیت) معمول برای یک اسیلاتور کوارتز بین 10^4 تا 10^6 تغییر می کند. Q ماکزیمم برای یک اسیلاتور کوارتز بسیار پایدار می تواند به اینگونه تقریب زده شود که f فرکانس رزونانس به MHz است: Q = 1.6 × 107/f
تغییرات محیطی دما، رطوبت، فشار و لرزش می تواند فرکانس رزونانس یک کریستال کوارتز را تغییر دهد اما طراحی های گوناگونی وجود دارند که این اثرهای محیطی را کاهش می دهند. این ها شامل TCXO، MCXO و OCXO هستند مه در یادداشت توضیح داده شده اند. این طرح ها (به ویژه OCXO) وسایلی با پایداری کوتاه مدت عالی ایجاد می کنند. محدودیت هایی که در پایداری کوتاه مدت وجود دارد عمدتا به دلیل نویز اجزای الکترونیکی در مدار اسیلاتور است. پایداری بلند مدت با پیری کریستال محدود می شود.
به دلیل پیری و فاکتورهای محیطی چون دما و لرزش، نگه داشتن فرکانس آنها درون یک از 10^-10 فرکانس نامی آن ها، حتی برای بهترین اسیلاتورهای کوارتز، بدون تنظیم مستمر بسیار سخت خواهد بود. به همین علت اسیلاتورهای اتمی (atomic oscillators) برای کاربردهایی که نیاز به پایداری و دقت بهتری دارند استفاده می شوند.
اگر چه کریستال ها می توانند برای هر فرکانس رزونانسی ساخته شوند، به دلیل محدودیت های فنی، در عمل مهندسان مدار اسیلاتور کریستالی در حوالی فرکانس های استاندارد کمی طراحی می کنند مانند 10MHz، 20MHz و 40MHz. استفاده از مدار های مقسم فرکانس، چند برابر کننده ی فرکانس و phase locked loop برای سنتز کردن (ساختن) هر فرکانس دلخواه از فرکانس مرجع امکان پذیر است.
مراقب باشید و تنها از یک اسیلاتور کریستالی در طراحی مدارات خود استفاده کنید تا از وقوع نمونه های ظریفی از خطاهای خودپایداری در الکترونیک (metastability in electronics) جلوگیری کنید. اگر این ممکن نیست تعداد کریستال اسیلاتورهای مجزا (PLLها) و دامنه های ساعتی متحد با آن های بایستی به شدت کم شوند با تکنیک هایی چون نصف کردن کلاک (Clock) موجود به جای استفاده از یک منبع جدید کریستالی. هر منبع مجزای کریستالی باید دقیقا توجیه شود زیرا هر کدام حالت های خطای محتمل غیر قابل رفعی را به علت برهم کنش چند کریستالی در وسیله، ایجاد می کنند ​

آموزش میکروکنترلر AVR قسمت هفتم (منابع تولیدکلاک در میکروکنترلر AVR)

یکی از منابع تولید کلاک در میکروکنترلر AVR استفاده از اسیلاتور کریستالی خارجی می باشد .در این حالت پایه های XTAL1 و XTAL2 میکرو کنترلر مانند شکل به کریستال متصل می شود. مقادیر خازن های مورد استفاده و نحوه تنظیم فیوز بیت ها در جدول های پایین آمده است.

2-اسیلاتور RC خارجی:

می توان بجای استفاده از از کریستال خارجی از مدار RC خارجی مطابق شکل استفاده کرد .

در کاربردهایی که به زمان بندی ها حساسیتی ندارد می توان از ساختار اسیلاتور RC خارجی استفاده کرد که فرکانس آن به صورت تقربی از رابطه ی( f=1/(3RC

بدست می آید . C حداقل باید 22pf باشد. با برنامه ریزی فیوز CKOPT می توان خازن 36pf مابین پایه های XTAL و GND را فعال کرد به این ترتیب نیازی به استفاده از خازن خارجی نیست.

اسیلاتور می تواند در چهار حالت مختلف کار کند که هریک برای محدوده ی خاصی از فرکانسها مناسب می باشد این حالت ها به کمک فیوز بیت های CKSEL0..3 تنظیم می شود. که در جدول پایین مقادیر لازم آورده شده است.

3-اسیلاتور RC کالیبره شده داخلی :

این اسیلاتور چهار 1 و 2 و4 و8 MHZ را تولید میکند. که برای استفاده از این اسیلاتور باید فیوز بیت های CKSEL0..3 تنظيم شود.که مقادیر این این فیوز بیت ها در جدول پایین آورده شده است.

4-اسیلاتور کریستالی فرکانس پایین(کریستال ساعت):

اگر از یک کریستال ساعت بعنوان کلاک استفاده شود باید فیوز بیت های CKSEL0..3 را به صورت 1001 برنامه ریزی نمود. اتصال ای کریستال همانند کریستال خارجی است.

نکته : با فعال کردن فیوز بیت CKOPT خازن داخلی 36pf فعال شده و دیگر نیازی به استفاده از خازن خارجی نمی باشد.

5-کلاک خارجی :

در صورت استفاده از یک کلاک خارجی بعنوان منبع کلاک این کلاک به پایه ی XTAL1 متصل میشود وپایه ی XTAL2 بدون اتصال باقی می ماند. در این حالت باید فیوز بیت های CKSEL0..3 را به صورت 0000 برنامه ریزی نمود.

در پست بعدی کامل در مورد فیوزبیت ها توضیح میدم و بعد از اون پست به بحث شیرین برنامه نویسی میکروکنترلر ها وارد می شیم .