RN14WT188.7K1R石英晶體的壓電效應,石英晶體的化學成分是Sio2,它具有優良的性能,不需要人工極化處理,沒有熱釋電效應,介電常數和壓電常數的溫度穩定性好,所以是應用最為廣泛的一種壓電晶體。除了天然石英以外,現在已有物理、化學性質與天然石英幾乎完全相同的人造石英,而成本大大低于天然石英。

圖9-28所示為石英晶體的理想外形,它具有規則的幾何形狀。這是由于晶體內部結構對稱性的緣故。石英晶體有三個晶軸,如圖9-29所示。其中z軸稱為光軸,它是用光學方法確定的。z軸方向上沒有壓電效應;經過晶體的棱線,并且垂直于光軸的X軸稱為電軸。沿X軸方向施加外力時,在垂直于此軸的棱面上壓電效應最為明顯;垂直于X―z平面的y軸稱為機械軸,沿y軸或X軸方向施加機械應力(拉或壓)時,在y軸方向不產生壓電效應,只產生形變。

石英晶體的理想外形,(a)左旋石英晶體;(b)右旋石英晶體。

石英晶體的直角坐標系,(a)左旋石英晶體,(b)右旋石英晶體

石英晶體的壓電效應與其內部結構有關。為了直觀地了解其壓電效應,我們將組成石英(Sio2)晶體的硅離子和氧離子的排列在垂直于晶體z軸的Xy平面上的投影,等效為正六邊形排列。圖中+代表Si++++;-代表20--。

石英晶體壓電效應機理示意圖,當石英晶體未受作用力時,正、負離子(即Si++++和20~~)正好分布在正六邊形的頂角上,形成三個大小相等、互成120°夾角的電偶極矩p1、F2和F3,如圖9-30(a)所示,p=gJ(g為電荷量,J為正、負電荷之間距離,電偶極矩方向為負電荷指向正電荷)。此時,正、負電荷中心重合,電偶極矩的矢量和等于零,即R+蘆2十F3=0。因而晶體表面不產生電荷,石英晶體從整體上說呈電中性。

當石英晶體受到沿X方向的壓力作用時,晶體沿X方向產生壓縮變形,正、負離子的相對位置隨之變動,正、負電荷中心不再重合,如圖9-30(b)所示。電偶極矩在X軸方向的分量為(F1+p2+F3)x)o,在X軸的正方向沿晶體表面上出現正電荷。而在y軸和z軸方向的分量均為零,即(F1+f2+f3)y=0,(F1+F2+F3)z=o。在垂直于y軸和z軸的晶體表面上不出現電荷。這種沿X軸作用力,而在垂直于此軸晶面上產生電荷的現象稱為“縱向壓電效應”。

當石英晶體受到沿y軸方向的壓力作用時,晶體的變形如圖9-30(c)所示。電偶極矩在X軸方向的分量為(Fl+p2+p3)x<o,在X軸的正方向的晶體表面上出現負電荷。同樣,在垂直于y軸和z軸的晶面上不出現電荷。這種沿y軸作用力,而在垂直于X軸晶面上產生電荷的現象,稱為“橫向壓電效應”。

當晶體受到沿z軸方向的力(無論是壓力或拉力)作用時,因為晶體在X方向和y方向的變形相同,正、負電荷中心始終保持重合,電偶極矩在X、y方向的分量等于零。所以沿光軸方向施加作用力,石央晶體不會產生壓電效應。

當作用力Fx或Fy的方向相反時,電荷的極性將隨之改變。如果石英晶體的各個方向同時受到均等的作用力(如液體壓力),石英晶體將保持電中性。所以,石英晶體沒有體積變形的壓電效應。

當石英晶片的X軸方向施加壓縮力時,產生的電荷q正比于作用力Fx,而與晶片的幾何尺寸無關。電荷極性如圖9-31(a)所示。如果晶片在晶軸X方向受到拉力(大小與壓縮力相等)的作用,則仍在垂直于X軸表面上出現等量的電荷,但極性卻相反如圖9-31(b)所示。

置0端為低電平有效,如果系統沒有復位信號,電路的REsEr輸人端應保持為高電平計數器才能正常工作。

檢查自啟動能力的方法是:將該電路的6個無效狀態:1010、1011、1100、1101、1110和1111分別作為現態,代人電路的狀態方程組而求其次態。如果還沒有進入有效狀態,再以新的狀態作為現態求次態,以此類推,看最終能否進

人有效狀態。結果證明,這6個狀態在一、兩個時鐘周期后全部都能進人有效循環狀態,電路具有自啟動能力。于是,可畫出完全狀態圖,如圖6.3.5所示。

圖6.3,5 圖6.3.4電路的完全狀態圖,如果要求電路必須從0000開始計數,則可將前述復位電路連接在RESEr輸人端。在開始計數前使REsFr產生低電平脈沖,強制4個觸發器進入0000的初始狀態,待RESEr=1后再開始計數。

例6.3.2 試設計一序列編碼檢測器,當檢測到輸人信號出現110序列編碼(按自左至右的順序)時,電路輸出為1,否則輸出為0。

解:(1)由給定的邏輯功能建立原始狀態圖和原始狀態表從給定的邏輯功能可知,電路有一個輸人信號A和一個輸出信號y,電路功能是對輸人信號A的編碼序列進行檢測,一旦檢測到信號處出現連續編碼為110序列時,輸出為1,檢測到其他編碼序列,則輸出均為0。

設電路的初始狀態為o,如圖6.3.6中大箭頭所指。在此狀態下,電路輸出y=0,這時可能的輸人有A=0和A=1兩1/0種情況。當CP脈沖相應邊沿到來時,若 圖6.3.6 例6.3.2的原始狀態圖.