Comment fonctionne un cristal de quartz?

Pourriez-vous expliquer comment fonctionne un cristal de quartz, peut-être avec un schéma simple avec les choses essentielles? Je sais que cela agit comme une sorte de stabilisateur pour un oscillateur, mais rien de plus.

Le quartz est un matériau piézoélectrique, ce qui signifie que si vous le déformez mécaniquement, il développe des charges à sa surface. De même, si vous placez des charges sur sa surface, cela provoque des contraintes mécaniques dans le cristal. La façon dont un cristal de quartz profite à un circuit est que mécaniquement le cristal agit un peu comme un diapason, avec une fréquence de résonance naturelle, et la propriété piézoélectrique permet de le coupler dans un circuit électronique. Étant donné que la fréquence de résonance est principalement déterminée par la taille physique et la forme du quartz, vous obtenez une référence de fréquence qui est beaucoup moins sensible à la température que vous obtiendriez en utilisant uniquement des circuits LC.

Il y a déjà deux excellentes réponses, donc je vais juste essayer de donner une explication différente de la même chose.

Contexte

Ainsi, dans un oscillateur Pierce, vous avez un système numérique connecté à un oscillateur à cristal.

Maintenant, vous avez probablement vu comment les portes logiques changent d'état, avec un temps de montée spécifié. Si vous consacrez du temps à l'apprentissage de la compatibilité électromagnétique ou à la conception numérique à grande vitesse (le meilleur livre existant étant celui de Johnson ), vous apprendrez que cela peut être considéré comme une large gamme de fréquences.

Que fait le cristal

Il y a deux façons de voir ce que fait le cristal, à partir du domaine fréquentiel et du domaine temporel. Je vais commencer par le domaine fréquentiel en raison de préférences personnelles. Je pousse tous les ingénieurs électriciens avec qui je travaille à devenir chez eux avec le domaine fréquentiel; de nombreux problèmes deviennent simples ici, et des réponses compliquées ont un sens.

Domaine de fréquence

Du point de vue du domaine fréquentiel, un cristal est un filtre à une fréquence très spécifique avec un facteur Q (qualité) très élevé. Cela signifie que de toutes ces fréquences que vous générez, vous n'autorisez que celle spécifique que le cristal autorise.

Dans le domaine temporel

L'autre façon est de penser à une porte attachée à elle-même. S'il n'y avait rien, cela créerait une onde carrée avec une fréquence égale au retard, mais cette fréquence n'est pas extrêmement fiable et variera également en fonction de nombreux paramètres de fabrication. C'est là que le cristal l'affecte. Si le cristal a un front montant placé dessus, il ne "traversera" le signal qu'à la fréquence pour laquelle il a choisi. Soudain, l'onde carrée de 100 MHz devient une onde sinusoïdale de 20 MHz en raison du cristal.

Un peu de réflexion supplémentaire

Vous vous demandez pourquoi les oscillateurs tirent autant de courant? Vous chargez et déchargez la capacité du circuit oscillateur 20 millions de fois par seconde. De plus, pour tous les cycles d'horloge, de nombreux transistors de votre circuit font de même. si vous n'avez pas besoin de vitesse, un oscillateur à 32 KHz coûte très peu d'énergie aux microcontrôleurs.

Faites-moi savoir si je peux être plus clair.

De Wikipédia :

Un cristal oscillateur a deux plaques électriquement conductrices, avec une tranche ou diapason de cristal de quartz pris en sandwich entre eux. Lors du démarrage, le circuit autour du cristal lui applique un signal AC de bruit aléatoire, et par pur hasard, une infime fraction du bruit sera à la fréquence de résonance du cristal. Le cristal commencera donc à osciller en synchronie avec ce signal. Au fur et à mesure que l'oscillateur amplifie les signaux sortant du cristal, les signaux dans la bande de fréquence du cristal deviendront plus forts, dominant éventuellement la sortie de l'oscillateur. La bande de résonance étroite du cristal de quartz filtre toutes les fréquences indésirables.

J'aime mentionner quelques fonctionnalités supplémentaires - plutôt importantes -:

• Le quartz peut être exploité en série ainsi qu'en fonctionnement résonnant parallèle (cependant, les deux fréquences de résonance sont assez proches l'une de l'autre);

• Dans certaines applications (en particulier pour les oscillateurs à transistors comme le type Pierce), le quartz n'est PAS utilisé comme circuit résonnant mais comme inducteur de haute qualité .