Cristais, osciladores e ressonadores. Qual é a diferença?

65

Estou tentando descobrir a diferença entre cristais, osciladores e ressonadores. Estou começando a entender, mas ainda tenho algumas perguntas.

Do meu entendimento, um oscilador é construído a partir de um cristal e dois capacitores. O que é um ressonador então? Existe uma diferença na terminologia?

Se um oscilador e um ressonador são semelhantes, por que esses dois itens:

http://www.digikey.com/product-detail/en/HWZT-16.00MD/535-9379-ND/675574

http://www.digikey.com/product-detail/en/FCR16.0M2G/445-1646-ND/653108

tem dois pinos fora e nenhum chão. Considerando que este

http://www.digikey.com/product-detail/en/ZTT-16.00MX/X908-ND/170095

tem três pinos, um dos quais é um terra?

Algum desses três dispositivos funcionará como um relógio externo para um microcontrolador?

PS: Pontos de bônus para uma explicação de como os capacitores ajudam o cristal a funcionar corretamente. :)

oscillator crystal terminology Alexis K
fonte
2
electronics.stackexchange.com/a/17894/638 Esta resposta entra em alguns dos detalhes de por que os cristais precisam de capacitores.
W5VO
Discussão sobre cristais versus ressonadores aqui: electronics.stackexchange.com/a/20893/4512
Olin Lathrop

Respostas:

50

Tanto os ressonadores cerâmicos quanto os cristais de quartzo funcionam com o mesmo princípio: vibram mecanicamente quando um sinal CA é aplicado a eles. Os cristais de quartzo são mais precisos e estáveis ​​à temperatura do que os ressonadores de cerâmica. O ressonador ou o próprio cristal tem duas conexões. À esquerda, o cristal, à direita, o ressonador de cerâmica.

insira a descrição da imagem aqui insira a descrição da imagem aqui

Como você diz, o oscilador precisa de componentes extras, os dois capacitores. A parte ativa que faz o oscilador funcionar é um amplificador que fornece energia para manter a oscilação funcionando.

insira a descrição da imagem aqui

Alguns microcontroladores têm um oscilador de baixa frequência para um cristal de 32.768 kHz, que geralmente possui os capacitores embutidos, de modo que você só precisa de duas conexões para o cristal (esquerda). A maioria dos osciladores, no entanto, precisa dos capacitores externamente, e então você tem conexões: entrada do amplificador, saída para o amplificador e aterramento para os capacitores. Um ressonador com três pinos possui os capacitores integrados.

A função dos capacitores: para oscilar o cristal amplificador de circuito fechado deve ter uma mudança de fase total de 360 ​​°. O amplificador está invertendo, o que significa 180 °. Juntamente com os capacitores, o cristal cuida dos outros 180 °.

editar
Quando você liga um oscilador de cristal, é apenas um amplificador, ainda não obtém a frequência desejada. A única coisa que existe é um ruído de baixo nível em uma ampla largura de banda. O oscilador irá amplificar esse ruído e passá-lo através do cristal, sobre o qual entra no oscilador novamente, o que o amplifica novamente e assim por diante. Isso não deveria causar muito barulho? Não, as propriedades do cristal são tais que passam apenas uma quantidade muito pequena de ruído, em torno de sua frequência de ressonância. Todo o resto será atenuado. Então, no final, é apenas a frequência de ressonância que resta, e então estamos oscilando.

Você pode compará-lo com um trampolim. Imagine um monte de crianças pulando nele aleatoriamente. O trampolim não se move muito e as crianças precisam se esforçar muito para saltar apenas 20 cm. Mas depois de algum tempo eles começarão a sincronizar e o trampolim seguirá o salto. As crianças vão pular cada vez mais alto com menos esforço. O trampolim irá oscilar em sua frequência de ressonância (cerca de 1 Hz) e será difícil pular mais rápido ou mais devagar. Essas são as frequências que serão filtradas.
A criança pulando no trampolim é o amplificador, ela fornece energia para manter a oscilação.

Leitura adicional
Osciladores de cristal MSP430 de 32 kHz

stevenvh
fonte
11
Obrigado pela ótima resposta. Agora recebo o problema de cristais, osciladores e ressonadores. Isso abriu outra pergunta em minha mente agora. O mC está fornecendo um "tique-taque" constante ao oscilador, que o oscilador amplifica em magnitude? Ou o mC está enviando um sinal para a entrada do oscilador, então o oscilador espera uma certa quantidade de tempo e, em seguida, o oscilador envia um sinal para o mC, que inicia o processo novamente?
Alexis K
@AlexisK - Não, não é assim. A vibração continua continuamente e o amplificador continua empurrando o cristal no mesmo ritmo. Veja a edição da minha resposta.
Stevenvh
Não quero dizer que você precise ser excessivamente rigoroso, mas sua explicação sobre o princípio de operação de um oscilador, se não totalmente errado, é enganosa. Quando você diz: "O amplificador está invertendo, então isso é 180 °. Juntamente com os capacitores, o cristal cuida dos outros 180 °". Aqui, a primeira frase está correta, mas a segunda é apenas um disparate. Como essa pergunta é feita sobre as diferenças, basta uma explicação simples para que você não precise ser muito abrangente sobre o princípio de funcionamento. A explicação sobre a inicialização do oscilador também tem seus problemas: é mais como um balanço :)
Krauss
15

Para responder sua pergunta, um ressonador é essencialmente um cristal de baixo orçamento.

Um oscilador é um circuito amplificador, com realimentação para que ele oscila, e um "elemento determinante de frequência" que o mantém oscilando na frequência desejada. Um cristal pode ser produzido para uma frequência precisa e será desviado muito pouco se a temperatura ou a capacitância dispersa mudar. Também é muito eficiente e requer muito pouca energia para mantê-lo oscilando. Os cristais são geralmente feitos de quartzo e você paga por todos os recursos acima.

Os ressonadores são feitos de elementos cerâmicos em vez de quartzo. Eles não mantêm sua frequência também. Isso pode não ser importante para um microprocessador, mas será importante se o circuito for usado em um rádio, relógio ou outras aplicações críticas de tempo. Eles custam menos e são usados ​​onde a estabilidade não é tão importante.

Os microprocessadores costumam ter a "parte do amplificador" embutida, de modo que tudo que você precisa fazer é adicionar o ressonador ou o cristal. Caso contrário, você constrói um circuito oscilador ou pode comprar um "módulo oscilador", que possui todos os componentes necessários em uma lata. Você precisa fornecer energia a um módulo oscilador.

Para níveis de temporização "não me importo", alguns microprocessadores permitem o uso de um circuito RC (resistor e capacitor) como elemento determinante da frequência. O Microchip PIC ainda tem tudo incorporado.

gbarry
fonte