Warum schwingt mein Kristall mit der 4-fachen angegebenen Frequenz?

Diese Antwort stammt eigentlich von @glen_geek, der am 21. Juni um 1:23 Uhr kommentierte:

Dieser obere rechte Knopf "VARIABLE" sieht gegen den Uhrzeigersinn gedreht aus. Sollte im Uhrzeigersinn auf die Position „CAL“ gedreht werden.

und es ist wahr. Ich habe keine Ahnung, warum ich die Diskrepanz nicht bemerkt habe, ich hätte hören sollen, dass 440 Hz nichts mit der Stimmgabel zu tun haben und die 1 kHz, von denen ich sprach, überhaupt nichts mit einem hohen C zu tun haben. Alle meine Frequenzmessungen waren 8- Falte wegen dieses variablen Knopfes zu hoch.

Und das beweist auch, dass diese supereinfache Oszillatorschaltung mit nur diesen 2 Invertern gut und zuverlässig funktioniert.

Wenn Glen Geek @glen_geek den Ruf haben will, ermutige ich ihn, die Antwort zu geben, damit ich sie akzeptieren kann.

Die meisten dieser Oszillatoren erfordern externe 22-pF-Kondensatoren von jedem Ende des STAL, um eine Nettophaseninversion zu erreichen, um eine ordnungsgemäße Oszillation zu implementieren.

Da 22pF GROSS ist, wird der Siliziumbereich wahrscheinlich nicht verwendet, um diese 44pF-Kappen bereitzustellen (die je nach Empfehlung des Herstellers für Ihre Frequenz variieren können). Enthält Ihr IC diese? Ich sehe zwei Widerstände, Wert 1Kohm.

Wie Kevin White erwähnt hat, verwendet der Pierce-Oszillator nur ein invertierendes Gate, und das scheint mir genau der richtige Ansatz zu sein. Ich bin mir bei der "Serienresonanz" nicht sicher (ich erinnere mich, etwas über verschiedene Resonanzmodi in den Kristallen und Kristallschnittgeometrien gelesen zu haben), aber meine allgemeine Idee ist, dass der Kristall als zweipoliges Gerät ein klares Wechselstromsignal benötigt, das an ihn angelegt wird Pins, dh die beiden Pins sollten "invertiert gegeneinander" angesteuert werden, dh 180 Grad Phasenverschiebung bei Resonanz. Das Metallgehäuse ist praktisch ein dritter Stift, wie eine lose gekoppelte Referenzmasse (Abschirmung), aber das sollte nicht viel ausmachen.

Ich frage mich, was passiert, wenn Sie einen Kristall an einen nicht invertierenden Verstärker anschließen. Ich bin überrascht, dass die Schaltung überhaupt schwingt :-) Mir fällt folgende Erklärung ein: Die beiden in Reihe geschalteten Gatter haben jeweils eine "Laufverzögerung". Die tatsächliche Phasenverschiebung beträgt also nicht 0 ns, nicht 360 Grad. Abhängig von der gewählten Logikfamilie kann die Kaskade eine Ausbreitungsverzögerung zwischen 4 ns und beispielsweise 50 ns haben. Daher schwingt Ihre Schaltung IMO bei einem "oberen harmonischen Modus / Frequenz" des Kristalls mit, wobei diese Zeitbereichs-Ausbreitungsverzögerung Ihrer beiden Tore zusammen einer Phasenverschiebung von 180 Grad entspricht (der Kristall fügt weitere 180 * hinzu) und dem Wechselstrom Verstärkung innerhalb der Schleife ist > 1. Eigentlich, wo die Verstärkung si > 1 undhöchste aller dieser harmonischen Resonanzmoden. Ich neige dazu, diesen Oszillationsstil als "ein wenig parasitär" zu bezeichnen :-)

Eigentlich ist meine obige Erklärung etwas falsch. In Wirklichkeit weist der Kristall (der ein resonanzlastiges Gerät ist) wahrscheinlich einen steilen Phasenverschiebungsgradienten um jeden seiner Resonanzmodi (harmonische Frequenzen) herum auf. Es ist also nicht so, dass "die Ausbreitungsverzögerung der Tore 180 Grad beträgt". Möglicherweise nicht annähernd das. Es pendelt sich bei einer Frequenz in der Nähe eines bestimmten Resonanzmodus ein, bei dem die Ausbreitungsverzögerung "gerade das kleine Bit hinzufügt, das für eine optimale Lösung benötigt wird", wenn es mit der Phasenverschiebung des hochgezogenen Kristalls kombiniert wird ...

Wenn ich noch einmal darüber nachdenke, fange ich wahrscheinlich an zu verstehen, was Kevin ungefähr mit Serienresonanz meinen könnte ... vielleicht zeigt die 4. Harmonische einen Modus an, bei dem die Welle im Kristall dazu neigt, die beiden Stifte gleichphasig im Gleichtaktstil anzutreiben? Gegen das Chassis als "Referenzmittelstift" ? Aber Sie haben das Kristallchassis nicht geerdet ... Dieser Gedankengang bereitet mir etwas Kopfzerbrechen :-)

Der Kristall ist ein elektromechanisches Gerät. Für optimale Arbeitsbedingungen müssen seine Stifte gegen eine "gemeinsame Masse" geladen werden (ideales Mittensignal vielleicht?) Und die optimale Lastkapazität ist im Datenblatt des Kristalls angegeben. Wenn Sie keinen haben, wird es wahrscheinlich für andere Kristalle der gleichen Frequenz und Geometrie ähnlich sein. Dort schwingt der Kristall angeblich glücklich mit seiner Nennfrequenz, wenn Sie ihn mit einem um 180 Grad phasenverschobenen Signal ansteuern. Wenn die "Kristalllastkapazität" niedriger als angegeben ist, zieht sie den Kristall normalerweise etwas von der Mittenfrequenz ab (innerhalb von beispielsweise 400 ppm, IME) - aber eine viel niedrigere kapazitive Last lässt wohl zu, dass sich die höheren harmonischen Modi durchsetzen. ..

Im Frühjahr 2018 habe ich meinen eigenen Hobby-Hack mit einem Kristall gemacht , und ich habe auch einige harmonische Schwingungen gesehen. In meinem Fall war es die 3. Harmonische. Und ich hatte ein kaltes Gelenk in der Schaltung, was beim Debuggen nicht geholfen hat ;-) aber abgesehen von diesem Fehler war meine Lösung, den Kristall in seine Grundresonanz zu bringen: richtig die Stifte laden (was ich von Anfang an getan habe) und Bieten Sie ein zusätzliches Bit LC-Filterung in der Rückkopplungsschleife an, um die Grundfrequenz für die Schleife attraktiver zu machen (in Bezug auf die Schleifenverstärkung). Meine eigenen Motive waren wahrscheinlich anders als deine, aber ich stelle einen Link zur Verfügung, weil die Leute hier viele nützliche Kommentare und Hilfestellungen zum Thema Kristalle gegeben haben.