¿Cómo funciona un cristal de cuarzo?

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¿Podría explicar cómo funciona un cristal de cuarzo, tal vez con un esquema simple con las cosas esenciales? Sé que actúa como una especie de estabilizador para un oscilador, pero nada más que eso.

Stefano Borini
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Respuestas:

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El cuarzo es un material piezoeléctrico, lo que significa que si lo deforma mecánicamente, desarrolla cargas en su superficie. Del mismo modo, si coloca cargas en su superficie, provoca tensión mecánica en el cristal. La forma en que un cristal de cuarzo beneficia a un circuito es que mecánicamente el cristal actúa de manera muy similar a un diapasón, con una frecuencia de resonancia natural, y la propiedad piezoeléctrica permite que se acople a un circuito electrónico. Dado que la frecuencia de resonancia está determinada principalmente por el tamaño físico y la forma del cuarzo, obtienes una referencia de frecuencia que es mucho menos sensible a la temperatura de la que obtendrías usando solo circuitos LC.

JustJeff
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También tienen una Q gigantesca.
Kortuk
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Ya hay dos excelentes respuestas, así que solo voy a tratar de dar una explicación diferente de lo mismo.

Antecedentes

Entonces, en un oscilador Pierce tiene un sistema digital conectado a un oscilador de cristal.

Ahora probablemente haya visto cómo las puertas lógicas cambian de estado, con un tiempo de subida especificado. Si dedica algo de tiempo a aprender sobre la compatibilidad electromagnética o simplemente el diseño digital de alta velocidad (el mejor libro en existencia es el de Johnson ), aprenderá que esto puede considerarse como una amplia gama de frecuencias.

Lo que hace el cristal

Hay dos formas de ver lo que hace el cristal, desde el dominio de la frecuencia y desde el dominio del tiempo. Comenzaré con el dominio de frecuencia debido a preferencias personales. Empujo a cada ingeniero eléctrico con el que trabajo para que se sienta como en casa con el dominio de la frecuencia; Muchos problemas se vuelven simples aquí, y las respuestas complicadas tienen sentido.

Dominio de la frecuencia

Desde la perspectiva del dominio de la frecuencia, un cristal es un filtro a una frecuencia muy específica con un factor Q (calidad) muy alto. Esto significa que de todas esas frecuencias que generas, solo permites la específica que permite el cristal.

Dominio del tiempo

La otra forma es pensar en una puerta atada a sí misma. Si no hubiera nada allí, crearía una onda cuadrada con una frecuencia igual a la demora, pero esta frecuencia no es extremadamente confiable y también variará en función de muchos parámetros de fabricación. Aquí es donde el cristal lo afecta. Si el cristal tiene un borde ascendente colocado, solo "pasará" la señal a la frecuencia seleccionada. De repente, la onda cuadrada de 100MHz se convierte en una onda sinusoidal de 20MHz debido al cristal.

Un poco de pensamiento extra

¿Me pregunto por qué los osciladores extraen tanta corriente? Está cargando y descargando la capacitancia en el circuito del oscilador 20 millones de veces por segundo. Además, para todos los ciclos de reloj, muchos transistores en su circuito hacen lo mismo. Si no necesita velocidad, un oscilador de 32KHz cuesta muy poca energía en microcontroladores.

Avísame si puedo ser más claro.

Kortuk
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De Wikipedia :

Un cristal oscilador tiene dos placas conductoras de electricidad, con un corte o diapasón de cristal de cuarzo intercalado entre ellas. Durante el arranque, el circuito alrededor del cristal le aplica una señal de CA de ruido aleatorio y, por casualidad, una pequeña fracción del ruido estará a la frecuencia resonante del cristal. Por lo tanto, el cristal comenzará a oscilar en sincronía con esa señal. A medida que el oscilador amplifica las señales que salen del cristal, las señales en la banda de frecuencia del cristal se volverán más fuertes y eventualmente dominarán la salida del oscilador. La estrecha banda de resonancia del cristal de cuarzo filtra todas las frecuencias no deseadas.

conorgriffin
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-1 por simplemente copiar WP
Federico Russo
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+1 por usar Wikipedia como recurso y mostrarle al usuario que buscar en Wikipedia tales respuestas es una buena idea.
Russell McMahon el
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Alguien pasó por la molestia de escribir ese párrafo y publicarlo en Wikipedia bajo una licencia libre, para que nadie tenga que hacer ese trabajo de escribirlo nuevamente. Por eso existen licencias gratuitas. Para que otros no tengan que perder el tiempo parafraseando el contenido con derechos de autor y puedan simplemente copiarlo y pasar a algo productivo.
endolito
@RussellMcMahon: Cuando hice esta pregunta, la electrónica estaba en beta. Fue una buena idea dejar entrar este tipo de preguntas, tanto porque obtienes una respuesta potencialmente más relevante (considerando el SE) como porque permitía más tráfico al sitio durante el inicio.
Stefano Borini
@StefanoBorini: no tenía intención de quejarme de tu pregunta. Más bien estaba reaccionando al -1 dado a la respuesta asociada dando un +1 por hacer lo que el otro votante desaprobaba, ya que pensé que pegar el material de Wikipedia tenía valor.
Russell McMahon
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Me gustaría mencionar algunas características adicionales, bastante importantes:

  • El cuarzo puede funcionar en serie o en paralelo. operación resonante en (sin embargo, ambas frecuencias resonantes son bastante cercanas entre sí);

  • En algunas aplicaciones (en particular para osciladores basados ​​en transistores como el tipo Pierce), el cuarzo no se usa como circuito resonante sino como inductor de alta calidad .

LvW
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