陶瓷谐振器在触摸时会改变并保持频率

电器工程 振荡器 谐振 谐波
2022-01-03 19:53:59

我在使用陶瓷谐振器测试电路时遇到了一个奇怪的现象,可以通过用手指触摸电路来改变其输出频率。只要我不再通过触摸或循环电源来干扰它,该电路就会无限期地保持这种较高频率的振荡。然而,它总是在上电时以正确的频率启动。

这就是示波器上的输出。请注意,即使运行数小时,两种波形都是稳定的。正常波形 频率增加

谐振器是 Kyocera KBR-480Y,指定以 480 kHz 谐振。我使用 CD4011BE 四 NAND 芯片的两个门作为逆变器来驱动电路。这是一个手绘示意图:示意图

用红色圈出的是电路中容易触摸的部分。它在谐振器的引线周围,包括反馈电阻和负载电容。 电路底部

这是电路从顶部看的样子。小型表面贴装器件是波纹计数器,应该对这种情况没有影响。顶视图

我的问题是:

  • 这是怎么发生的?什么机制导致这种情况发生?我隐约知道晶体和陶瓷谐振器有多种谐振模式,但我不确定为什么触摸它会产生这种效果。
  • 在设计中有意利用/利用此属性是否可行?是否有一种可靠的方法可以诱导这种效应,从而从额定值较低的谐振器产生更高频率的信号?
  • 我想与第二个问题有关,如何抑制这种行为?在生产板上发生这种情况并不好。

感谢您查看此内容,并为我缺乏知识和经验提前道歉。

附加信息 - 这是信号在谐振器两条腿上的样子。紫色的连接到第一个反相器的输入,黄色的腿连接到门的输出。如果这很重要,两个探头都是 Siglent PP215 设置为 10 倍衰减。谐振器双腿的信号

4个回答

正如其他答案中所说,陶瓷谐振器振荡器电路非常敏感,因为它们具有高输入阻抗和巨大的增益。电路中的偏置电阻约为 1 兆欧,负载电容约为 100 pF。用大约 100 kohm 和 10pF 阻抗的手指戳它会对电路操作产生相当大的影响。

但问题的真正根源在于您使用的NAND IC类型不适合绘制的电路,或者绘制的电路不适合芯片。谐振器引脚处的波形揭示了这一点,因为它们是相当方波而不是很好的正弦波,因此它们包含谐波。

所以系统增益太大,谐振器被过度驱动。通常这些振荡器电路使用一个简单的反相器,如 4069UB,其中 UB 表示无缓冲。您使用的芯片是 4011B,其中 B 表示 Buffered。它不是一个简单的与非门,它在输入和输出端有额外的反相器,因此它具有更大的增益,并且它不能像UB门那样在线性反馈放大器模式下稳定运行。

因此,由于已经存在巨大的增益和谐波,当用手指戳它时,该电路对进入奇怪的振荡模式更加敏感。

为了解决这个问题,应该减少增益。缓冲的 4011B 应该真正更改为无缓冲的 4011UB。另一种选择是在 NAND 输出和谐振器之间添加串联电阻。

故意使用较高频率的振荡模式不是这些谐振器的设计目的,它们旨在用于额​​定基频。至少您可以获得专门用于在 3 次谐波下运行的晶体,以获得您想要的额定频率。但是以更高的谐波运行它们也意味着它们可能由于公差和设计运行的更大输入功率和谐波含量而不稳定。振荡模式可能与预期模式不同,并且可能不稳定。

陶瓷谐振器具有泛音模式,如石英晶体。这是一张图片,由 ECS 从此页面拍摄。您可以看到大约 455kHz 的主模式,以及略高于 1MHz 的其他几种模式。

通常,当您的振荡器在错误模式下运行时,这是因为您在该其他模式的频率下获得了太多增益。在这种情况下,您可能只是获得了太多收益。就在您标记为“无阻尼电阻”的地方,您可能应该在其中放置一个串联电阻。我会选择电路在室温下可靠启动的电阻的 1/2 到 1/3,然后 - 如果它很重要 - 我会在所需的工作温度范围内测试它。

在此处输入图像描述

就个人而言,我不会尝试在陶瓷谐振器中利用这一点,除非我购买的是专门为此目的制造的。

它通常用石英晶体完成(或者至少在简单的频率合成出现之前)。但是,当您在生产系统中使用晶体时,您会购买指定用于泛音操作的晶体——如果您打算在生产系统中以近 30MHz 的频率操作,您将不会购买 10MHz 的晶体。

然而,我怀疑陶瓷谐振器振荡器的优势是否会超过使其在泛音下工作的难度,因为在基频下工作的晶体振荡器将使用更少的组件并且可能会减少令人头疼的问题。

你的手指是导电的,无论是电阻性的还是电容性的。谐振器电路往往是高阻抗类型,因此当您触摸它时,您会在电路中添加并联电阻和电容。因此,你正在将它诱导到它能够维持的另一个频率。

我们可以说你的电路有多个谐振频率。就像拥有一个球、两个山谷和一座小山。通电时,球落入谷 1。但随后你扰乱此状态,球向上移动并落入谷 2。当干扰消除后,球仍留在谷 2。

在设计中有意利用/利用此属性是否可行?

不,因为它相当不稳定。即使没有您的手指动作,振荡器也可能以第二谐振频率唤醒。

我想与第二个问题有关,如何抑制这种行为?

我想,正确的 PCB 布局可以防止这种行为。