水晶発振器を用いた、発振回路

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  • 質問者：jo_megu
  • 質問日時：2002/01/21 09:41
  • 回答数：2件

水晶発振器（水晶の特性は、発振周波数は11.605MHz、電源電圧は2.8V、消費電流は2.0mA@2.8V)を用いた発振回路を作るのですが当方全く経験がありません。いろいろ調べてみましたが、どうも概念的なものばかりでいまいち回路のイメージがはっきりとしません。なにかいい例、サイトなどがあれば、教えていただけないでしょうか？

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A 回答 (2件)

No.2

古い質問ですがお答えします。


発振器の場合、+3.0-3.3V電源電圧のものであれば、
11MHz帯で+2.8Vで使用するのは特性上まず問題ありません。
接続は単純にVdd端子へ+電源（+2.8V）、GND端子に-電源（0V）、Vdd-GND間にパスコン（0.1-0.01uF)を接続して出力端子から出力を取ります。もう一つの端子はフリーにして下さい。
振動子から発振回路を組む場合は特に低電圧の場合はインバーターで組み上げるのが簡単で確実です。
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No.1

電源電圧が２.８Ｖと低いのがネックですが、３.０Ｖ以上でしたら、キンセキからモジュール化された水晶発振器が出ています。

１４ピンのディップパッケージのサイズで電源を接続することで間単に安定した発振が得られます。

参考URL：http://www.kinseki.co.jp/jpn/fram.htm
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　なお、実際には当方は、増幅器にはトランジスタを用いた反転増幅器、位相器にはCRハイパスフィルタ3段で180度位相を変える進相型を用いています。

　詳細な式や文献、Webサイト、論文等でも良いですので、教えていただければ幸いです。

Aベストアンサー

高調波とフーリエ級数について学習されると、nobuchomさんの疑問はおのずと解けるものと思います。

まず高調波ですが、周波数fの振動(正弦波)に対し、周波数2f、3f、4f・・・の振動(これまた正弦波)を高調波と呼びます。周波数が整数倍でないものは高調波と呼びません。

正弦波以外でも、周期が1/fである振動は全て基本波(周波数fの正弦波)と高調波の重ね合わせで表現できます。
例えばパルス波は
sin(2πft)+1/3・sin(6πft)+1/5・sin(10πft)+・・・+1/(2n+1)・sin((2n+1)πft)・・・
なる無限級数で表されます(フーリエ級数)。
第1項のみ取れば正弦波になります。第2項目以降はすべて高調波です。
世の中の振動・発振には完璧な正弦波というものはなく、パルス波に限らず必ず僅かの高調波を含んでいます。

ymmasayanさんの回答にもありますように移相器あるいは同調回路を通して帰還すると、基本波の成分のみが高調波の成分よりはるかに強く出てきます。仮に発振回路に最初にパルス波を放り込んだところで、高調波成分はすぐに減衰してしまい基本波だけが生き残るのです。

なお基本波しか帰還しなくても増幅回路の非線形性により高調波は自然と出力に現れます。増幅器の非線形性を強めにして故意に高調波を発生させ、それを同調回路でよりわけて取り出す「オーバートーン」という方法もよく使われています。(この場合も、帰還させるのは基本波のみです)

高調波とフーリエ級数について学習されると、nobuchomさんの疑問はおのずと解けるものと思います。

まず高調波ですが、周波数fの振動(正弦波)に対し、周波数2f、3f、4f・・・の振動(これまた正弦波)を高調波と呼びます。周波数が整数倍でないものは高調波と呼びません。

正弦波以外でも、周期が1/fである振動は全て基本波(周波数fの正弦波)と高調波の重ね合わせで表現できます。
例えばパルス波は
sin(2πft)+1/3・sin(6πft)+1/5・sin(10πft)+・・・+1/(2n+1)・sin((2n+1)πft)・・・
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回路に見覚えがあると思ったら、「三角波発振回路及び正弦波発振回路について（http://oshiete1.goo.ne.jp/qa2996921.html）」で質問された方ですね。私はANo.2で回答した者です。

>OPアンプはおそらくμA741だとおもわれます

回路は「振幅制御回路」に出ている全波整流回路とAGC回路を使ったものですか？そのURL（http://www.hobby-elec.org/ckt18_2.htm#2）には、TL082のデータシートが出ていますが、μA741とは古いOPアンプですね。このOPアンプはセカンドソースが多く、AD741(アナログデバイセズ）、NJM741(新日本無線)、MC1741(モトローラ)、LM741(ナショナルセミコンダクタ、フェアアチャイルド)、μA741(テキサスインスツツメンツ)などがありますが、μA741という型番ならテキサスインスツツメンツでしょう。データシート [1] を見ると、Open Lo0p利得が100kHzで20dBあるので、まあ、問題ないでしょう（ウイーンブリッジ発振回路の最低利得は3倍=9.54dB）。

>発振波形の振幅は確か±15[V]だったと思います。

±15V電源だと±15Vの振幅は出ません（データシート [1] の Figure 6 参照）。電源電圧の絶対最大定格は、μA741Cで±18V、μA741Mで±22Vですので、電源電圧をこれ未満にまで大きくすれば±15Vの振幅は出るかもしれませんが、普通、こんな大振幅は出しませんし（せいぜい±10V）、この振幅で歪率0.2%というのは疑問です。μA741のスルーレートは標準で 0.5V/μs ですが（データシートの5ページ）、20kHzで±15Vの振幅は、スルーレートに換算すると1.88V/μsですのでOPアンプの能力を越えています。20kHzで±15Vの振幅は出せないと思います（しかも波形は三角波になって0.2%の歪率どころではないと思います）。本当に発振波形の振幅は±15Vなのですか？

「振幅制御回路」に出ている全波整流回路やAGC回路に使われている抵抗とコンデンサの値も聞きたかったのですが、発振波形の振幅が±15Vというのを聞いて、「本当に測定した結果なのかな」という疑問が涌いてきました。私がこれを書いているPCに回路シミュレータが入っているので、「振幅制御回路」に出ている全波整流回路やAGC回路に使われている抵抗とコンデンサの値が分かれば出力波形をシミュレーションできますが、抵抗とコンデンサの値はいくつでしょうか？

[1] μA741データシート（英語）　http://focus.tij.co.jp/jp/lit/ds/symlink/ua741.pdf

回路に見覚えがあると思ったら、「三角波発振回路及び正弦波発振回路について（http://oshiete1.goo.ne.jp/qa2996921.html）」で質問された方ですね。私はANo.2で回答した者です。

>OPアンプはおそらくμA741だとおもわれます

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Q移相型CR発振回路とウィーンブリッチ発振回路の違い

それぞれの仕組み（発振する仕組み）の違いは、反転回路を使うか、と非反転を使うかの違いで、
帰還率も違えば、周波数条件式も発振条件式も違うことはしらべてわかったのですが、
これらは今の生活で何に使われているんでしょうか？

テレビやラジオ、スピーカーにマイクなどに発振回路が使われているのは想像がつくのですが、
それぞれ「これを使うなら～型」と言うように、発振回路の型の違いによって使われる用途は変わってくるのでしょうか？
教えて下さい！！

Aベストアンサー

　昔のオーディオ帯の測定器には、ウイーンブリッジ発振回路を使用した信号発生器がありました。しかし周波数や振幅の正確さなどを追求するとなかなか難しい点があり、また時代がデジタルの方向に変わって来た事もあって、積分回路で三角波を作り、それを折れ線近似で正弦波に変えるタイプのファンクションジェネレータが主流になりました。
　
　現在、移相型やウイーンブリッジ型の発振回路がどこに使われているか、いろいろ考えてみたのですが、思い付きません。直接正弦波を発生する発振器としては、コルピッツ回路やハートレー回路がありますが、これらは高周波用です。低周波の発振で必要とされるのは、ほとんどがデジタル回路用の矩形波です。
　身の回りの正弦波と言うと、時報の音や電話の話中音（ツーツーという音）がありますが、これらも大抵はデジタル的に合成された音です。モデム用ICの中にも、上記話中音を発生するためのPCM回路が内蔵されていたりします。
　従って、個人的な感覚としては、あまり使われていないと思うのですが、それでもこれらの回路の勉強をしなくても良いと思っている訳ではありません。もしかしたら将来、１００GHｚ帯の新しい発振器が開発され、それを等価回路で表したら、移相型やウイーンブリッジ型発振回路と同じだったりするかも知れませんしね。
　
　「移相型とウイーンブリッジ型の違い」という御質問には、記憶によみがえるものがあります。以下かなり個人的な思い出話になりますが、ご容赦下さい。
　
　中学生のときに、移相型CR発振器を自作したことがあります。２連の可変抵抗器を使って周波数を変化できる簡易測定器です。当時ウイーンブリッジ発振回路というものがあることも本で読んで知ってはいたのですが、抵抗とコンデンサをあのようにつないでどうして周波数が決まるのか理解できず、一方で移相型は、CRによる位相遅延回路を３段つなぐのだから、ちょうど１８０度位相が遅れる周波数で発振するのだという、きわめて私には分かりやすい理屈だったこともあり、移相型で作ることにしました。
　移相型の場合、本来は３連可変抵抗器が必要なのですが、２連のものしか無かったので、１段は固定にしました。全体で１８０度遅れれば良い訳です。
　また、発振の振幅安定化のために、普通はサーミスタを使用するのですが、田舎の中学生には入手方法がわからず、１００V５Wの電球で代用しました。（サーミスタは電流を流すと発熱して抵抗が小さくなります。電球は電流を流すと発熱して抵抗が大きくなります。従って負帰還回路に入れる位置は逆になります）
　そのようにして完成した発振器ですが、いざ動作させてみると、周波数を変えるたびに、振幅がビョンビョンと変化します。周波数を速く変化させると、一旦発振が停止し、おもむろにボヨーンという感じで発振を始めたりします。いろいろ帰還量を調整しても直らず、「たぶんサーミスタでなく電球を使ったのが良くないのだ」と、原因を電球のせいにしてしまいました。
　
　発振条件式について理解されている質問者さんなら、この原因についてはもうお分かりかも知れませんね。ウイーンブリッジ回路の場合、発振条件式には周波数の項は含まれませんが、移相型の場合はもろに周波数の項が含まれます。つまり周波数を変えるたびに、ループゲインが１という状態からずれるので、電球は一生懸命追従しようとしていたのですが、なにぶん熱の時定数による遅れがあり、振幅がとんでもなく変化していたわけです。
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　この経験で私は、「何事も最初はものまねから始る。しかし理屈をちゃんと理解しないと、一人前にはなれないな」と身にしみて思った次第です。

　昔のオーディオ帯の測定器には、ウイーンブリッジ発振回路を使用した信号発生器がありました。しかし周波数や振幅の正確さなどを追求するとなかなか難しい点があり、また時代がデジタルの方向に変わって来た事もあって、積分回路で三角波を作り、それを折れ線近似で正弦波に変えるタイプのファンクションジェネレータが主流になりました。
　
　現在、移相型やウイーンブリッジ型の発振回路がどこに使われているか、いろいろ考えてみたのですが、思い付きません。直接正弦波を発生する発振器としては、コルピ...続きを読む

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Q三角波発振回路及び正弦波発振回路について

三角波発振回路及びウィーンブリッジを用いた正弦波発振回路の周波数の算出式の導出方法がわからなくて困っています。こちらのサイト(http://www.hobby-elec.org/menu.htm)で算出式はわかったんですが、あいにく図書館もしまっており、手元に資料がないため、導出方法がさっぱりわかりません。どなたかご存知の方がいらっしゃいましたら教えてください。よろしくお願いします。

Aベストアンサー

質問の意味は、以下の式をどうやって計算するか？ということでしょうか。

f = 1/{ 2*π*√(C1*C2*R1*R2) }

資料 [1] にある回路（基本構成のほう）を簡略化したのが下の図です。

　　　　　　　　　　← i1 + i2
　　　　　┌───R2──C2──-┐
　　　　　│v0 　　 ┏━━━━┓　 │
　i1┌─┼───┨IN　OUT ┠-┴─ v1
　↓C1　R1↓i2　┗━━━━┛
　　└─┤
　　　　　┷
　　　　GND

OPアンプを固定利得のアンプとみなして、入出力だけあるとします。C1に流れる電流を i1、R1に流れる電流を i2 とすると、R2とC2に流れる電流は i1 + i2 になります（アンプの入力には電流は流れないとする）。また、アンプの入力電圧を v0、出力電圧を v1 とします。すると、素子を流れる電流と素子電圧の関係は

i1 = j*ω*C1*v0 --- [1]
i2 = v0/R1 　　　---[2]
i1 + i2 = ( v1 - v0)/{ R2 + 1/( j*ω*C1 ) } --- [3]

となります（注１）。式 [1] と [2] を [3] に代入すると

j*ω*C1*v0 + v0/R1 = ( v1 - v0)/{ R2 + 1/( j*ω*C1 ) }

となります。ただし、ω=2*π*f で f は周波数。これを整理すると

v2 = [ 1+C1/C2 + R2/R1 + j*ω*{ ω*C1R2 - 1/( ω*C2*R1) } ]*v0 --- [4]

となります。この回路が発振器として動作するには、v1 と v0 の位相が一致している必要があるので、虚数の項がゼロ、つまり

ω*C1*R2 - 1/( ω*C2*R1) = 0　→　ω^2 = 1/( C1*C2*R1*R2 ) →　f = 1/{ 2*π*√( C1*C2*R1*R2 ) } --- [5]

となります。C = C1 = C2、R = R1 = R2とすると f = 1/( 2*π*C*R) となります。

（注１）素子のインピーダンスを Z、素子の両端の電圧を v としたとき、素子に流れる電流 i は、i = v/Z であらわされます。抵抗なら Z = R、コンデンサなら Z = 1/(j*ω*C) です。Rの単位が Ω、C の単位が F のとき、f の単位は Hz となります。

[1] ウィーンブリッジ発振回路の原理　http://www.hobby-elec.org/ckt18_2.htm#3

質問の意味は、以下の式をどうやって計算するか？ということでしょうか。

f = 1/{ 2*π*√(C1*C2*R1*R2) }

資料 [1] にある回路（基本構成のほう）を簡略化したのが下の図です。

　　　　　　　　　　← i1 + i2
　　　　　┌───R2──C2──-┐
　　　　　│v0 　　 ┏━━━━┓　 │
　i1┌─┼───┨IN　OUT ┠-┴─ v1
　↓C1　R1↓i2　┗━━━━┛
　　└─┤
　　　　　┷
　　　　GND

OPアンプを固定利得のアンプとみなして、入出力だけあるとします。C1に流れる電流を i1、R1に流れる電流を i2 とすると、R2とC2に流れる...続きを読む

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Q2.5V_8mAの出力で24V_1A駆動する回路を教えて下さい

ある電子機器の出力(2.5V程度_8mA程度)で、別の出力機器(24V_200mA)の出力をする必要があります。出力は電磁コイルなので、余裕をみて24V_1A程度必要かと思います。
今の案は、PhotoMOSリレー+基板用リレーです。ただ、リレーを2個使用することになるので、あまり納得していません。
上記の入力と出力ですが、もっとシンプルにする方法を教えて下さい。

Aベストアンサー

入出力の機器がどの様な条件で駆動する必要があるのか不明ですが、
>PhotoMOSリレー+基板用リレーです。ただ、リレーを2個使用することになるので・・・
PhotoMOSリレーの代わりに小信号トランジスタで+基板用リレーを
駆動すればよいのではないでしょうか？

基板用リレーがありますので、入出力のアイソレーションは得られますし、
基板用リレーを使う用途なら繰り返し動作周波数も高くなさそうですので・・・
ダーリントン・トランジスタなら１石で直接コレクタで駆動する方法もあります。
　

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Q正弦波発振回路

超音波振動する物を作ろうと思っています。
振動子は安いランジュバン振動子（http://www.rakuten.co.jp/us-dolphin/447365/447367/#402208等）を購入し、発振回路は自作する予定です。
そこで問題となるのは発振回路なのですが、ウィーンブリッジ正弦波発振回路（http://www.interq.or.jp/japan/se-inoue/ckt18.htm）でよろしいのでしょうか？

もしこの発振回路で良い場合、ランジュバン振動子の仕様が例えば
周波数　４０ｋHz
入力電圧　１．０Vrms
インピーダンス　３５オーム以下
静電容　３３００pF
最大許容入力電力　５０W

だったとした場合、どのような点に注意して回路を組む必要がありますでしょうか？（なんとなく思うのは回路の周波数と振動子の周波数を合わせるのかなぁということぐらいです・・・）

電子工作に詳しい方、どうかよろしくお願いします。
また、回路についてよりよいものがありましたらお教えください。

Aベストアンサー

1.0Vrmsは、「測定電圧」であって、最大入力とは無関係ですね。

Z=35Ω、最大許容入力 50Wという条件から、電圧を計算すると41.8Vrmsとなります。
つまり、この振動子の最大能力を出すためには、41.8Vrmsの出力電圧をかけてやらなければならない、ということです。

一般のオーディオアンプでも、40kHｚの再生能力は十分持っていますから、これを利用するのはよいのですが、問題はパワーです。

例えば4Ωで50Wというオーディオアンプは、14.2Vしか出せません。
14.2Vをかけてやったのでは、この振動子には5.8Wしか入りません。
ちなみに、4Ωで41.8Vrms出せるオーディオアンプの定格出力は437Wです。

概算ですが・・・
　　 4Ω　　50W　　14.1V　　5.7W　　　437W
　　 8Ω　　50W　　20V　　 11.4W　　　218W
　　16Ω　　50W　　28.3V　 22.9W　　　109W

静電容量の3300pFは、40kHzで1.2kΩものハイインピーダンスですから、パワーアンプにとっては全く問題ありません。

最後に調整ですが・・・
35Ωとか40kHz（共振周波数）とかは大体の値です。
最も効率よく動作させるためには、実際に共振を観測しながら、最適値に持っていくことが望ましいです。

オシロで振動子への入力波形を観測しながら、40kHz付近で周波数を変化させると、ピークやディップが観測されます。
最も電圧が高くなる点（共振周波数）に固定します。

また、この点では、インピーダンスは必ずしも35Ωになっているとは限りません。
クランプ電流計を使って電流を測り、オシロの電圧を読み取ればインピーダンスが計算できます。
（電流、電圧はrmsに換算する必要があります。rmsで読み取れる電圧計、電流計があれば、それを使用するのがよいでしょう）

最終的に入力電力が、「最大許容入力電力を超えないように」設定する必要があります。

また、最後の最後になりましたが・・・(-_-;)
発振器はサイン波である必要はありません。
矩形波でも、振動子と共振してしまえば、サイン波になってしまいます。（多少の高調波は残りますが）
通常、超音波振動子は矩形波でドライブします。

デジタルICを使った下記のような回路が簡単でよいでしょう。
抵抗をVRに置き換えれば、周波数が変えられます。
http://wave.iobb.net/doc/digital/12.html

参考URL：http://wave.iobb.net/doc/digital/12.html

1.0Vrmsは、「測定電圧」であって、最大入力とは無関係ですね。

Z=35Ω、最大許容入力 50Wという条件から、電圧を計算すると41.8Vrmsとなります。
つまり、この振動子の最大能力を出すためには、41.8Vrmsの出力電圧をかけてやらなければならない、ということです。

一般のオーディオアンプでも、40kHｚの再生能力は十分持っていますから、これを利用するのはよいのですが、問題はパワーです。

例えば4Ωで50Wというオーディオアンプは、14.2Vしか出せません。
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QLC発振回路の発振周波数が理論値と実験値で合わない!!

本日LとCを使った発振回路を作ったのですが，オシロスコープで測定した発振周波数と，計算で求めた理論値とを比較してみると30％程のずれがあります．これはどのような原因が考えられるのでしょうか？

Aベストアンサー

理論式ではアンプ内のＬやＣ成分は勿論、コイルを純粋誘導性リアクタンスと見るし、又コンデンサーを純粋な容量性リアクタンスと考えるでしょう？

でも実際はコイルは線間に静電容量が有りますし、コンデンサーにもリード線や電極に誘導性リアクタンス成分が有ります。
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Q正弦波発振回路、それぞれの特徴

ＬＣ発振、ＣＲ発振、水晶発振のそれぞれの特徴や動作を教えてください。

Aベストアンサー

　　　　　　　　　　長所　　　　　　　　　　　　　　　短所
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　　　　　　計算値と合わせることが可能　　　（数十MHzくらいまで）
　　　　（CR素子は精度の良いものが入手可能）
LC発振　　高い周波数が得意　　　　　精度・安定度は悪い

基本的に、周波数可変の高周波を狙うなら、LC発振しかない。
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Q交流回路のベクトル図と力率についてですが、 図の回路のベクトル図を書いてみました。 V1とV2は同相

交流回路のベクトル図と力率についてですが、
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力率cosθはなぜ赤いθなのでしょうか。

Aベストアンサー

No.1です。

＞補足の回路図で「負荷」と点線で囲ってありますがその注意書が無い質問の手書きの図面でもその考え方は同じなのでしょうか。

「同じ」ということではなく、「どこの力率か」ということで、断りがなければ「負荷の力率」でしょう。
手書きの回路図では、「抵抗+コイル」の部分を「負荷」と考えるのが普通でしょう。

もし、真ん中の「抵抗」だけの部分の力率なら、V1とI1との「電力」ですから、力率は「1」（位相角=0）です。これを問う問題は、ふつうはあり得ないでしょう。

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