همه چیز درباره کریستال الکترونیک، نوسان ساز کریستالی و کاربرد آن‌ها

اگر به زمینه الکترونیک و تعمیرات انواع مدارات علاقه دارید می‌توانید در دوره‌های تعمیرات کاردانش از جمله دوره آموزش تعمیرات برد لوازم خانگی، دوره آموزش تعمیرات کلی بردهای الکترونیکی، دوره آموزش تعمیرات برد مهندسی معکوس و دوره آموزش طراحی برد شرکت کنید. اساتید مجرب و ماهر کاردانش به شما کمک می‌کنند در کوتاه ترین مدت زمان بدون نیاز به تجربه وارد بازار کار شوید. در صورت نیاز به اطلاعات بیشتر با مشاورین ما در تماس باشید.

کریستال چیست؟

کریستال‌ها یکی از مهم‌ترین و پر استفاده ترین قطعات در صنعت الکترونیک هستند که وقتی به آن‌ها ولتاژ داده می‌شود، با فرکانسی مشخص به ارتعاش درمی‌آید و به این صورت سیگنال الکتریکی را به ارتعاشات مکانیکی تبدیل می‌کند. این ارتعاش‌ها، بسیار دقیق هستند و به همین علت ما در خروجی سیگنال الکتریکی بسیار دقیقی را نیز مشاهده می‌کنیم. به عبارت دیگر، تولید سیگنال الکتریکی با فرکانس بسیار دقیق وظیفه کریستال است.

نماد یا شماتیک کریستال در مدارات الکترونیکی

وظیفه کریستال در مدارات

کریستال در مداراتی که دارای میکروکنترلر (icها حافظه، icهای کنترل کننده) هستند وجود دارند. از آنجایی که کلاک‌ها سرعت اجرای دستورالعمل‌ها را در پردازنده دارند، زمان لازم جهت تبدیل آنالوگ به دیجیتال و غیره را تعیین می‌کنند؛ هر میکروکنترلر برای فعالیت خود به آن‌ها احتیاج دارد.

به همین دلیل کریستال را می‌توان پالس ساعت دانست که جهت تولید نوسانات خاص برای ایجاد هماهنگی میان قطعات مدار استفاده می‌شود. همچنین می‌توان آن را قلب مدار دانست که تمامی عملیات بر اساس فرکانس تولیدی آن تنظیم می‌شوند. واحد کریستال‌ها می‌تواند بر اساس هرتز، مگا هرتز یا کیلوهرتز باشد.

ساختار کریستال

جنس کریستال‌ها از سیلیس است که به دو صورت کریستالی و غیر کریستالی در سطح زمین یافت می‌شود. بین دو صفحه فلزی ماده شفاف کریستال کوارتز وجود دارد. اعمال ولتاژ به کریستال موجب تغییر شکل و ارتعاش کریستال کوارتز داخلی می‌شود و این امر به دلیل همان ارتعاشات و قوانین تشدید که در بالا به آن اشاره شد انجام می‌گیرد.

مهم‌ترین عوامل خرابی کریستال‌ها

1. عمر مفید کریستال تمام شده است.
2. ضربه می‌تواند به کریستال آسیب بزند. به این صورت که کریستال یک قطعه مکانیکی است و در داخل یک جعبه فلزی در حال ارتعاش است؛ بنابراین با یک ضربه می‌تواند به بدنه این جعبه چسبیده و خراب شود.
3. اصلی‌ترین بخش کریستال که همان ورقه نازک کوارتزی است که در داخل آن قرار دارد با گرمای شدید می‌تواند آسیب ببیند زیرا بسیار ظریف و حساس است.

تست کریستال

تست کریستال را می‌توان به دو روش علمی و تجربی انجام داد:

تست علمی کریستال

1. شما می‌توانید با استفاده از اسیلوسکوپ کریستال را تست کنید. به این صورت که فرکانس خروجی کریستال روی مدار روشن را اندازه گیری کرده و باید مقدار آن دقیقا با مقدار نوشته شده بر روی کریستال یکی باشد.
2. می‌توانید از مولتی مترهایی که در حالت AC قابلیت اندازه گیری فرکانس را دارند استفاده کنید.

تست تجربی کریستال

1. به کمک مولتی متر می‌توانید اختلاف ولتاژ دو سر کریستال را اندازه بگیرید و مطمئن شوید که این اختلاف ولتاژ کمتر از 1 میلی ولت نباشد.
2. در صورتی که در مدار حدس شما بر این است که مشکل از کریستال می‌باشد می‌توانید با وارد کردن ضربه ای به کریستال آن را تست کنید. به این صورت که اگر مدار به این ضربه واکنش نشان داد و پس از آن به حالت قبل بازگشت (یعنی رفع ایراد به صورت لحظه ای در مدار دیده شود) مشکل از کریستال است.

محدوده فرکانسی کریستال‌ها

محدوده فرکانسی که کریستال‌ها عموما در آن محدوده تولید می‌شوند بین 4 تا 40 مگاهرتز است. برای فرکانس‌های بیشتر یا کمتر که عموما نادر است استفاده از آن‌ها می‌توان از مدارات چند برابر کننده فرکانس استفاده کرد.

نوسان ساز (اسیلاتور) کریستالی

یک اسیلاتور کریستالی یک مدار نوسان ساز الکترونیکی است که از تشدید مکانیکی یک کریستال ارتعاشی از مواد پیزوالکتریک برای ایجاد یک سیگنال الکتریکی با فرکانس ثابت استفاده می کند. این فرکانس اغلب برای ردیابی زمان، مانند ساعت های مچی کوارتز، برای ارائه یک سیگنال ساعت پایدار برای مدارهای مجتمع دیجیتال، و برای تثبیت فرکانس برای فرستنده ها و گیرنده های رادیویی استفاده می شود.

متداول ترین نوع تشدید کننده پیزوالکتریک مورد استفاده کریستال کوارتز است، بنابراین مدارهای نوسانگر که آنها را در خود جای داده اند به عنوان نوسانگرهای کریستالی شناخته می شوند. با این حال، سایر مواد پیزوالکتریک از جمله سرامیک های پلی کریستالی در مدارهای مشابه استفاده می شود.

یک نوسان ساز یا اسیلاتور کریستالی به تغییر جزئی شکل کریستال کوارتز تحت میدان الکتریکی متکی است، خاصیتی که به نام الکترواستریکشن یا پیزوالکتریک معکوس شناخته می شود. ولتاژ اعمال شده به الکترودهای روی کریستال باعث تغییر شکل آن می شود. هنگامی که ولتاژ حذف می شود، کریستال ولتاژ کوچکی تولید می کند؛ زیرا به شکل کشسانی به شکل اولیه خود باز می گردد.

کوارتز در یک فرکانس تشدید پایدار نوسان می کند، مانند یک مدار RLC عمل می کند، اما با ضریب Q بسیار بالاتر (اتلاف انرژی کمتر در هر چرخه نوسان). هنگامی که یک کریستال کوارتز به فرکانس خاصی تنظیم می شود (که تحت تأثیر جرم الکترودهای متصل به کریستال، جهت گیری کریستال، دما و سایر عوامل قرار می گیرد)، آن فرکانس را با پایداری بالا حفظ می کند.

یک نوسان ساز (اسیلاتور) کریستالی یک مدار نوسان ساز الکترونیکی است که از یک تشدید کننده پیزوالکتریک، یک کریستال، به عنوان عنصر تعیین کننده فرکانس خود استفاده می کند. کریستال اصطلاح رایجی است که در الکترونیک برای جزء تعیین کننده فرکانس، ویفری از کریستال کوارتز یا سرامیک با الکترودهای متصل به آن استفاده می شود. اصطلاح دقیق تر برای آن تشدید کننده پیزوالکتریک است. از کریستال ها در انواع دیگر مدارهای الکترونیکی مانند فیلترهای کریستالی نیز استفاده می شود.

کاربرد کریستال

کریستال‌های کوارتز برای فرکانس‌هایی از چند ده کیلوهرتز تا صدها مگاهرتز تولید می‌شوند. از سال 2003، حدود دو میلیارد کریستال سالانه ساخته می‌شود. بیشتر برای وسایل مصرفی مانند ساعت مچی، ساعت، رادیو، کامپیوتر و تلفن همراه استفاده می شود.

با این حال، در کاربردهایی که اندازه و وزن کوچک مورد نیاز است، کریستال‌ها را می‌توان با تشدیدکننده‌های آکوستیک حجیم لایه نازک جایگزین کرد، به‌ویژه اگر به تشدید فرکانس بالا (بیش از 1.5 گیگاهرتز) نیاز باشد. کریستال‌های کوارتز در تجهیزات تست و اندازه‌گیری مانند شمارنده‌ها، ژنراتورهای سیگنال و اسیلوسکوپ‌ها نیز یافت می‌شوند.

تاریخچه نوسان ساز یا اسیلاتور کریستالی

پیزوالکتریک توسط ژاک و پیر کوری در سال 1880 کشف شد. پل لانژوین برای اولین بار تشدیدگرهای کوارتز را برای استفاده در سونار در طول جنگ جهانی اول بررسی کرد. اولین نوسانگر کنترل شده با کریستال، با استفاده از کریستالی از نمک روشل، در سال 1917 ساخته شد و به ثبت رسید 1918 توسط الکساندر ام.

نیکلسون در آزمایشگاه تلفن بل، اگرچه اولویت او توسط والتر گایتون کدی مورد مناقشه قرار گرفت. Cady اولین نوسانگر کریستال کوارتز را در سال 1921 ساخت. دیگر نوآوران اولیه در نوسانگرهای کریستال کوارتز عبارتند از G. W. Pierce و Louis Essen.

نوسانگرهای کریستال کوارتز برای مراجع فرکانس با ثبات بالا در طول دهه‌های 1920 و 1930 ساخته شدند. قبل از کریستال‌ها، ایستگاه‌های رادیویی فرکانس خود را با مدارهای تنظیم‌شده کنترل می‌کردند، که به راحتی می‌توانستند فرکانس 3-4 کیلوهرتز را کاهش دهند. از آنجایی که ایستگاه‌های پخش فرکانس‌هایی با فاصله 10 کیلوهرتز از یکدیگر اختصاص داده بودند، تداخل بین ایستگاه‌های مجاور به دلیل رانش فرکانس یک مشکل رایج بود.

در سال 1925، وستینگهاوس یک نوسان ساز یا اسیلاتور کریستالی را در ایستگاه اصلی خود KDKA نصب کرد، و تا سال 1926، کریستال‌های کوارتز برای کنترل فرکانس بسیاری از ایستگاه‌های پخش مورد استفاده قرار گرفتند و در میان اپراتورهای رادیویی آماتور محبوب بودند. در سال 1928، وارن ماریسون از آزمایشگاه های تلفن بل، اولین ساعت کریستال کوارتز را توسعه داد.

با دقت 1 ثانیه در 30 سال (30 ms/y یا 0.95 ns/s)، ساعت‌های کوارتز جایگزین ساعت‌های آونگی دقیق به عنوان دقیق‌ترین زمان‌سنج‌های جهان شدند تا اینکه ساعت‌های اتمی در دهه 1950 توسعه یافتند.با استفاده از کارهای اولیه در آزمایشگاه‌های بل، AT&T در نهایت بخش محصولات کنترل فرکانس خود را تأسیس کرد، که بعداً منحل شد و امروزه به عنوان Vectron International شناخته می‌شود.

تعدادی از شرکت ها در این زمان شروع به تولید کریستال های کوارتز برای استفاده الکترونیکی کردند. با استفاده از روش‌هایی که امروزه به عنوان روش‌های اولیه در نظر گرفته می‌شوند، حدود 100000 واحد کریستال در ایالات متحده در سال 1939 تولید شد. در طول جنگ جهانی دوم، کریستال‌ها از کریستال کوارتز طبیعی، تقریباً همه از برزیل، ساخته شدند.

کمبود بلورها در طول جنگ ناشی از تقاضا برای کنترل فرکانس دقیق رادیوها و رادارهای نظامی و دریایی، تحقیقات پس از جنگ را برای کشت کوارتز مصنوعی تحریک کرد و تا سال 1950 یک فرآیند هیدروترمال برای رشد کریستال‌های کوارتز در مقیاس تجاری در آزمایشگاه‌های بل توسعه یافت. در دهه 1970 تقریباً تمام کریستال های مورد استفاده در الکترونیک مصنوعی بودند.

مدارهای اسیلاتور (نوسانگر) کریستالی

مدار اسیلاتور نوسانگر کریستالی با گرفتن یک سیگنال ولتاژ از تشدید کننده کوارتز، تقویت آن و تغذیه آن به تشدیدگر، نوسان را حفظ می کند. سرعت انبساط و انقباض کوارتز فرکانس تشدید است و با برش و اندازه کریستال تعیین می شود. زمانی که انرژی فرکانس های خروجی تولید شده با تلفات مدار مطابقت داشته باشد، نوسان می تواند حفظ شود.

یک کریستال نوسانگر دارای دو صفحه رسانای الکتریکی است که یک تکه یا چنگال تنظیم از کریستال کوارتز بین آنها قرار گرفته است. در طول راه اندازی، مدار کنترل کریستال را در یک تعادل ناپایدار قرار می دهد و به دلیل بازخورد مثبت در سیستم، هر کسری کوچک از نویز تقویت می شود و نوسان را افزایش می دهد.

تشدید کننده کریستالی همچنین می تواند به عنوان یک فیلتر بسیار فرکانس انتخابی در این سیستم دیده شود: فقط یک زیر باند بسیار باریک از فرکانس ها را در اطراف رزونانس عبور می دهد و هر چیز دیگری را تضعیف می کند.

در نهایت فقط فرکانس تشدید فعال است. همانطور که نوسانگر سیگنال های خروجی از کریستال را تقویت می کند، سیگنال های موجود در باند فرکانسی کریستال قوی تر می شوند و در نهایت بر خروجی نوسانگر غالب می شوند. نوار تشدید باریک کریستال کوارتز تمام فرکانس های ناخواسته را فیلتر می کند.

فرکانس خروجی یک نوسان ساز کوارتز می تواند یا فرکانس تشدید اصلی یا مضربی از آن تشدید باشد که فرکانس هارمونیک نامیده می شود. هارمونیک ها مضرب دقیقی از فرکانس اصلی هستند؛ اما مانند بسیاری از تشدیدگرهای مکانیکی دیگر، کریستال‌ها حالت‌های مختلفی از نوسان را نشان می‌دهند، معمولاً در مضرب‌های عدد صحیح تقریباً فرد فرکانس اصلی. به این حالت‌ها «حالت‌های فراتون» می‌گویند و مدارهای اسیلاتور (نوسانگر) را می‌توان برای تحریک آنها طراحی کرد.

حالت‌های تون در فرکانس‌هایی هستند که تقریبی هستند، اما مضرب اعداد صحیح فرد دقیقی از حالت اصلی نیستند، و بنابراین فرکانس‌های تون، هارمونیک‌های دقیق اصلی نیستند.

فرکانس‌های کریستالی رایج

کریستال ها را می توان برای نوسان در طیف وسیعی از فرکانس ها، از چند کیلوهرتز تا چند صد مگاهرتز، ساخت. بسیاری از کاربردها به فرکانس نوسانگر (اسیلاتور) کریستالی نیاز دارند که به راحتی با فرکانس دلخواه دیگر مرتبط باشد، بنابراین صدها فرکانس کریستالی استاندارد در مقادیر زیاد ساخته شده و توسط توزیع کنندگان الکترونیک ذخیره می شود.

به عنوان مثال، کریستال های 3.579545 مگاهرتز، که در مقادیر زیاد برای گیرنده های تلویزیون رنگی NTSC ساخته می شوند، برای بسیاری از کاربردهای غیر تلویزیونی نیز محبوب هستند. با استفاده از تقسیم‌کننده‌های فرکانس، ضرب‌کننده‌های فرکانس و مدارهای حلقه قفل فاز، استخراج طیف وسیعی از فرکانس‌ها از یک فرکانس مرجع عملی است.

ساختارها و مواد کریستالی

کوارتز

رایج ترین ماده برای کریستال های اسیلاتور کوارتز است. در ابتدای این فناوری، کریستال‌های کوارتز طبیعی استفاده می‌شد، اما اکنون کوارتز کریستالی مصنوعی که توسط سنتز هیدروترمال رشد می‌کند، به دلیل خلوص بالاتر، هزینه کمتر و جابجایی راحت‌تر، غالب است. یکی از معدود استفاده های باقی مانده از کریستال های طبیعی برای مبدل های فشار در چاه های عمیق است.

در طول جنگ جهانی دوم و مدتی پس از آن، کوارتز طبیعی توسط ایالات متحده آمریکا به عنوان یک ماده استراتژیک در نظر گرفته شد. کریستال های بزرگ از برزیل وارد شد. “لاسکاهای” خام، کوارتز ماده منبع برای سنتز هیدروترمال، به ایالات متحده وارد می شود یا توسط کوارتز کلمن استخراج می شود. میانگین ارزش کوارتز مصنوعی رشد یافته در سال 1994 60 USD/kg بود.

انواع کوارتز

دو نوع کریستال کوارتز وجود دارد: چپ دست و راست دست. این دو در چرخش نوری متفاوت هستند اما در سایر خواص فیزیکی یکسان هستند. هر دو کریستال چپ و راست را می توان برای اسیلاتورها استفاده کرد، اگر زاویه برش صحیح باشد. در ساخت، معمولاً از کوارتز راست دست استفاده می شود. چهار ضلعی های SiO4 مارپیچ های موازی را تشکیل می دهند.

جهت پیچش مارپیچ جهت چپ یا راست را تعیین می کند. مارپیچ ها در امتداد محور z تراز شده و ادغام می شوند و اتم ها را به اشتراک می گذارند. جرم مارپیچ ها شبکه ای از کانال های کوچک و بزرگ را به موازات محور z تشکیل می دهد. بزرگ‌ها به اندازه‌ای بزرگ هستند که امکان تحرک یون‌ها و مولکول‌های کوچک‌تر را از طریق کریستال فراهم کنند.

کوارتز در چند فاز وجود دارد. در دمای 573 درجه سانتیگراد در 1 اتمسفر (و در دماهای بالاتر و فشارهای بالاتر) کوارتز α تحت وارونگی کوارتز قرار می گیرد و به طور برگشت پذیر به β-کوارتز تبدیل می شود. اما روند معکوس کاملاً همگن نیست و دوقلوسازی کریستال رخ می دهد. در طول ساخت و فرآوری باید دقت شود تا از تغییر فاز جلوگیری شود.

سایر مراحل، به عنوان مثال فازهای با دمای بالاتر تری دیمیت و کریستوبالیت برای نوسانگرها معنی دار نیستند. تمام کریستال های نوسان ساز کوارتز از نوع کوارتز آلفا هستند.

تفاوت بین اسیلاتور و کریستال

اگر شما یک مهندس برق یا یک متخصص سخت افزار هستید، به احتمال زیاد می دانید که چگونه بین نوسانگرها و کریستال ها تفاوت قائل شوید. با این حال، اگر در زمینه صنعتی نیستید، این اصطلاحات ممکن است گیج کننده باشند.

نوسانگر و کریستال در پردازنده ها و سایر دستگاه های الکتریکی استفاده می شوند. می‌توان این قطعات را در واحد پردازش مرکزی (CPU) رایانه‌های رومیزی، لپ‌تاپ‌ها، کنسول‌های بازی، تلفن‌های همراه و سایر ابزارهای پیچیده الکتریکی پیدا کرد. هر دو نوسانگر و کریستال به یک پردازنده اجازه کار می دهند.

با این حال، شباهت های آن‌ها به همین جا ختم می شود. افرادی که فکر می کنند نوسانگرها و کریستال ها به یک شکل عمل می کنند در اشتباه هستند. آنها دو جزء متفاوت هستند و پردازنده را به طرق مختلف نیرو می دهند. اسیلاتور اتصال کامل به ساعت پردازنده را فراهم می کند. نمای بیرونی آن پلاستیکی یا فلزی است و از چهار پین تشکیل شده است.

دو تا از این پین ها به عنوان مجرای برق عمل می کنند. پایه سوم به عنوان خروجی عمل می کند، در حالی که آخرین پایه برای اتصال مکانیکی اضافی استفاده می شود. اسیلاتور با یک بافر پیکربندی شده است، به این معنی که قادر به انجام وظایف درایو خروجی بالا است.

کریستال به اندازه نوسانگر دارای چند ویژگی نیست، صرفاً به این دلیل که یکی از بسیاری از چیزهایی است که یک نوسانگر (اسیلاتور) را تشکیل می دهد. کریستال نوسانگر را همراه با سایر قسمت ها مانند سرپوش ها، تقویت کننده معکوس کننده و بافر خروجی مناسب تشکیل می دهد.

علاوه بر این، کریستال ها باید کالیبره شوند تا در یک پیکربندی نوسانگر (اسیلاتور) قرار گیرند. جزئیاتی مانند پارامترهای بارگذاری و انواع برش رزونانسی باید قبل از قرار دادن کریستال در اسیلاتور نهایی شوند.

به زبان ساده: کریستال به سادگی بخشی از نوسانگر است. همگام سازی یک کریستال برای کار با یک نوسان ساز خاص می تواند دشوار باشد، به همین دلیل است که اکثر مهندسان یک نوسان ساز کامل را به جای قطعات جداگانه مانند کریستال، با در نظر گرفتن مونتاژ خریداری می کنند.

با این حال، مهندسان کهنه کار ترجیح می دهند کریستال ها را خودشان انتخاب کنند، زیرا می دانند کدام نوع کریستال می تواند عملکرد یک نوسانگر را بهینه کند. قرار دادن کریستال مناسب بر روی یک نوسانگر به طور قابل توجهی سرعت پردازنده ساعت را افزایش می دهد.

پردازنده های ساعتی که به راحتی خراب می شوند، معمولا دارای یک نوسان ساز معیوب هستند. کریستال و سایر بخش‌های نوسان‌گر باید در وضعیت بالایی قرار داشته باشند تا یک پردازنده ساعت کاملاً بهینه و ایمن به دست آید.

کاربردهای اسیلاتور کریستالی

به طور کلی می‌دانیم که از نوسانگرهای کریستالی در ریزپردازنده‌ها و میکروکنترلرها برای ارائه سیگنال‌های ساعت استفاده می‌شود. اجازه دهید میکروکنترلر 8051 را در نظر بگیریم که برای آن یک مدار نوسانگر کریستالی خارجی با فرکانس 12 مگاهرتز ضروری است؛ حتی اگر (بر اساس مدل) میکروکنترلر 8051 قادر به کار در 40 مگاهرتز (حداکثر) باشد. 8051 به 12 سیکل ساعت برای یک چرخه ماشین نیاز دارد، به طوری که نرخ سیکل موثر در 1 مگاهرتز (با در نظر گرفتن ساعت 12 مگاهرتز) تا 3.33 مگاهرتز (با در نظر گرفتن حداکثر ساعت 40 مگاهرتز) ارائه شود. این نوسان ساز کریستالی برای تولید پالس‌های ساعت مورد نیاز برای همگام سازی تمام عملیات داخلی استفاده می‌شود.

کاربرد نوسانگر (اسیلاتور) کریستال در بخش‌های نظامی و هوافضا

ایجاد یک سیستم ارتباطی کارآمد، برای اهداف ناوبری، جنگ الکترونیک، در سیستم‌های هدایت و غیره از جمله کاربردهای نوسان ساز است.

استفاده از نوسانگر (اسیلاتور) کریستالی در تحقیق و اندازه گیری

نوسان ساز کریستالی در تحقیقات و اندازه گیری برای ناوبری آسمانی، اهداف ردیابی فضا، در ابزار اندازه گیری و تجهیزات پزشکی و غیره استفاده می‌شود.

کاربردهای صنعتی نوسانگر (اسیلاتور) کریستالی

تعداد زیادی کاربرد صنعتی از نوسانگر کریستالی مانند کامپیوترها، سیستم‌های دیجیتال، ابزار دقیق، سیستم‌های حلقه قفل فاز، دریایی، مودم‌ها، حسگرها، مخابرات، درایوهای دیسک و غیره وجود دارد.

استفاده از نوسانگر (اسیلاتور) کریستال در خودرو

نوسانگر کریستالی برای کنترل موتور، استریو، ساعت و کامپیوتر سفر و در سیستم GPS استفاده می‌شود.