Кварцевый резонатор

Схема измерителя кварцев

За основу устройства взяты два генератора CD74HC4060 (74HC4060 не было в магазине, но судя по даташиту они ещё «круче»), один работает на низкой частоте, второй на высокой. Самыми низкочастотными какие у меня были, оказались часовые кварцы, а самым высокочастотным оказался негармониковый кварц на 30 МГц. Генераторы из-за их склонности к самовозбуждению было решено переключать просто коммутируя напряжение питания, о чём индицируют соответствующие светодиоды. После генераторов установил повторитель на логике. Возможно вместо резисторов R6 и R7 лучше установить конденсаторы (сам я не проверял).

Как оказалось, в устройстве запускаются не только кварцы, но и всякие фильтры о двух и более ногах, которые с успехом и были подключены в соответствующие разъёмы. Один «двуногий» похожий на керамический конденсатор запустился на 4 МГЦ, который после был с успехом применён вместо кварцевого резонатора.

На снимках видно, что применены два вида разъёмов для проверки радиодеталей. Первый сделан из частей панелек – для выводных деталей, а второй представляет фрагмент платы приклеенный и припаянный к дорожкам через соответствующие отверстия — для SMD кварцевых резонаторов. Для вывода информации применён упрощённый частотомер на микроконтроллере PIC16F628 или PIC16F628A, который автоматически переключает предел измерения, то есть на индикаторе частота будет или в кГц или в МГц.

Как проверить кварцевый резонатор

Проблемы с небольшими приборами возникают, если они получают сильный удар. Такое происходит при падении устройств, содержащих в конструкции резонаторы. Последние выходят со строя и требуют замены по тем же параметрам.

Проверка резонатора на работоспособность требует наличия тестера. Его собирают по схеме на основе транзистора КТ3102, 5 конденсаторов и 2 резисторов (устройство подобно кварцевому генератору, собранному на транзисторе).

Прибор необходимо в подключаемых соединениях, подключениях подключить к базе транзистора и отрицательному полюсу, защищая установкой защитного конденсатора. Питание схемы включения постоянное – 9В. Плюс подключают на вход транзистора, к его выходу – через конденсатор – частотомер, который фиксирует частотные параметры резонатора.

Схемой пользуются при настройке контура колебаний. Когда резонатор исправный, он при подключении выдает колебания, которые приводят к появлению переменного напряжения на эмиттере транзистора. Причем частота напряжения совпадает с аналогичной характеристикой резонатора.

Прибор неисправен, если частотомер не фиксирует возникновение частоты или определяет наличие частоты, но она – либо намного отличается от номинала, либо при нагреве корпуса паяльником сильно изменяется.

Кварцевый резонатор как проверить? Проверка кварцевых резонаторов

Колебаниям уделяется одна из важнейших ролей в современном мире. Так, даже существует так именуемая теория струн, которая утверждает, что всё вокруг нас — это просто волны. Но есть и другие варианты использования данных познаний, и одна из их — это кварцевый резонатор

Так бывает, что неважно какая техника временами выходит из строя, и они здесь не исключение. Как убедиться, что после негативного инцидента она всё ещё работает как следует?

Возможные причины выхода из строя

Слабой стороной КР считается непереносимость перегрева. В случае нагрева платы резонатор теряет свои качества и может разрушиться. Учитывая хрупкое крепление кристалла, резонатор нужно уберегать от случайных ударов. В результате резкого толчка кварцевая пластинка может потерять устойчивость и выпасть из рамки.

Область применения кварцевых резонаторов постоянно расширяется. Возможность изготовления радиокомпонентов миниатюрных размеров позволяет использовать их в устройствах небольших габаритов. Широкий ассортимент КР, представленный на радиорынке, даёт возможность подобрать нужную модель устройства по доступной цене.

Способ № 1

Здесь транзистор КТ368 играет роль генератора. Его частота определяется кварцевым резонатором. Когда поступает питание, то генератор начинает работать. Он создаёт импульсы, которые равны частоте его основного резонанса. Их последовательность проходит через конденсатор, который обозначен как С3 (100р). Он фильтрует постоянную составляющую, а затем сам импульс передаёт на аналоговый частотомер, который построен на двух диодах Д9Б и таких пассивных элементах: конденсаторе С4 (1n), резисторе R3 (100к) и микроамперметре. Все остальные элементы служат для стабильности работы схемы и чтобы ничего не перегорело. Зависимо от установленной частоты может меняться напряжение, которое есть на конденсаторе С4. Это довольно приблизительный способ и его преимущество – легкость. И, соответственно, чем выше напряжение, тем большая частота резонатора. Но существуют определённые ограничения: пробовать её на данной схеме следует только в тех случаях, если она находится в приблизительных рамках от трех до десяти МГц. Проверка кварцевых резонаторов, что выходит за грань этих значений, обычно не подпадает под любительскую радиоэлектронику, но далее будет рассмотрен чертеж, у которого диапазон — 1-10 МГц.

Применение

С развитием радиоэлектроники КР нашли своё применение в таких приборах, как:

• кварцевые часы работают на основе эффекта кварцевого резонанса, что позволяет им функционировать с максимальной точностью;
• различные измерительные устройства, оснащённые кварцевыми резонаторами, являются высокоточными приборами;
• морские эхолоты, благодаря кварцевым резонаторам, определяют местонахождение различных объектов на большой глубине под водой (рельеф дна, отмели и разные крупные и мелкие предметы);
• опорные генераторы;
• радиостанции;
• полосовые фильтры радиоприёмников.

Преимущества

Кварцевые резонаторы обладают непревзойдённой точностью метрологических параметров. Высокая эффективность работы вызвала повсеместную замену аналоговых приборов на кварцевые устройства.

Дополнительная информация. Появление нового материала такого, как графен, может в будущем совершенно изменить конструкцию резонатора.

Настройка прибора

При настройке кнопкой S1 включить режим НЧ (загорится светодиод VD1) и воткнув в соответствующий разъём кварцевый резонатор на 32768Гц (желательно с материнской платы компьютера) подстроечным конденсатором С11 установить на индикаторе частоту 32768Гц. Резистором R8 устанавливается максимальная чувствительность. Все файлы — платы, прошивки, даташиты на используемые радиоэлементы и другое, скачайте в архиве . Автор проекта — nefedot

Обсудить статью ПРИБОР ДЛЯ ПРОВЕРКИ ЧАСТОТЫ КВАРЦЕВ

Кварцевые резонаторы, как и большинство других радиокомпонентов, желательно проверить на работоспособность перед их использованием в радиолюбительской практике. Одна из простейших схем такого пробника была опубликована в чешском радиолюбительском журнале. Схема пробника предельно проста в повторении, поэтому представляет интерес для широкого круга радиолюбителей.

Кварцевые резонаторы относятся к простейшим радиокомпонентам, но у радиолюбителей практически нет приборов для их проверки перед использованием. Это подчас приводит к недоразумениям. Внешне никаких повреждений кварцевый резонатор может не иметь, а в схеме не работает. Причин этому может быть много

В частности, одна из них — падение резонатора из-за неосторожного обращения. Произвести первичную проверку кварцевых резонаторов еще до их использования поможет простая конструкция, описанная в

Проверяемый кварцевый резонатор подключается к контактам К2 (рис.1). На транзисторе Т1 выполнен широкодиапазонный генератор. Он рассчитан на проверку кварцев, рабочая частота которых находится в диапазоне 1…50 МГц. Несколько изменив параметры некоторых радиокомпонентов схемы, в частности. С2 и СЗ. можно проверять и другие кварцы.

В том случае, если кварцевый резонатор работоспособен. на эмиттере транзистора Т1 присутствует высокочастотное переменное напряжение. Диодами D1, D2 оно выпрямляется, сглаживается конденсатором С5 и подается на базу ключевого транзистора Т2, отпирая его. При этом светится светодиод LD1.

Кварцевый резонатор является электронным прибором, построенным на пьезоэффекте, а также механическом резонансе. Применяется радиостанциями, где задает несущую частоту, в часах и таймерах, фиксируя в них интервал в 1 секунду.

Емкость нагрузки СL

Измеренное или вычисленное значение емкости, включенной параллельно с кварцевым резонатором. Резонансная частота кварца, включенного в реальную электрическую цепь, будет изменяться в некоторых пределах при разных значениях емкости нагрузки. Для упрощения взаимодействия заказчиков и производителей резонаторов практикуется настройка резонаторов при определенном значении нагрузочной емкости. В этом случае измеренная частота должна соответствовать номинальной с учетом указанной точности настройки.

Как правило, для согласования емкости нагрузки используют конденсаторы Cg , подключаемые между выводами кварцевого резонатора и общим проводом (рисунок 2). Расчет номинала емкости конденсаторов Cg осуществляется по формуле (6), где CL – емкость нагрузки, указанная в технической документации, а CS – значение паразитной емкости (примерно 5 пФ).

Например, для емкости нагрузки равной 16 пФ имеем:

Cg = 2·(16-5) = 22 пФ

Обычно определяется как мощность, рассеиваемая кварцевым резонатором. Минимальное значение этого параметра определяется количеством энергии, необходимой для нормального запуска резонатора и обеспечения устойчивых колебаний. Однако повышенное значение этого параметра может вызвать ухудшение параметров старения и механические повреждения кристалла.

Современный и устаревший резонаторы.

О деталях устройства

Часть платы собрана на выводных деталях, а часть на SMD. Плата разработана под ЖКИ индикатор «Винстар» однострочный WH1601A (это тот у которого контакты слева вверху), контакты 15 и 16, служащие для подсветки, не разведены, но кому надо может для себя добавить дорожки и детали. Я не развёл подсветку так как применил индикатор без подсветки от какого-то телефона на таком-же контроллере, но сначала стоял винстаровский. Кроме WH1601A можно применить WH1602B – двухстрочный, но вторая строка задействована не будет. Вместо транзистора, что на схеме можно применить любой такой же проводимости желательно с бОльшим h21. На плате разведены два входа питания, один от мини USB, другой через мост и 7805. Также предусмотрено место под стабилизатор в другом корпусе.

Микропроцессорный генератор

Большинство микропроцессоров, микроконтроллеров и PIC имеют два вывода генератора, обозначенных OSC1 и OSC2, для подключения к внешней кварцевой кристаллической цепи, стандартной сети RC- генератора или даже керамическому резонатору. В микропроцессорных системах такого типа кварцевый генераторгенерирует последовательность непрерывных прямоугольных импульсов, основная частота которых контролируется самим кристаллом. Эта основная частота регулирует поток инструкций, управляющих процессором устройства. Например, мастер часов и системное время.

Описание и принцип работы

Некоторые из факторов, которые влияют на стабильность частоты генератора, как правило, включают в себя: изменения температуры, изменения нагрузки, а также изменения напряжения питания постоянного тока и многое другое.

Стабильность частоты выходного сигнала может быть значительно улучшена путем правильного выбора компонентов, используемых для резонансной цепи обратной связи, включая усилитель. Но есть предел стабильности, который можно получить из обычных контуров резервуаров LC и RC.

Чтобы получить очень высокий уровень стабильности генератора, кварцевый кристалл обычно используется в качестве устройства для определения частоты для создания осциллятора другого типа, известного как кварцевый генератор.

Когда источник напряжения подается на небольшой тонкий кусочек кристалла кварца, он начинает менять форму, создавая характеристику, известную как пьезоэлектрический эффект. Этот пьезоэлектрический эффект является свойством кристалла, посредством которого электрический заряд создает механическую силу, изменяя форму кристалла, и наоборот, механическая сила, приложенная к кристаллу, создает электрический заряд.

Затем пьезоэлектрические устройства могут быть классифицированы как преобразователи, поскольку они преобразуют энергию одного вида в энергию другого (электрическую в механическую или механическую в электрическую). Этот пьезоэлектрический эффект создает механические колебания или колебания, которые можно использовать для замены стандартной цепи LC- бака в предыдущих генераторах.

Существует множество различных типов кристаллических веществ, которые можно использовать в качестве осцилляторов, причем наиболее важными из них для электронных схем являются минералы кварца, что отчасти объясняется их большей механической прочностью.

Кристалл кварца, используемый в кварцевом генераторе, представляет собой очень маленький, тонкий кусок или пластину из резаного кварца с металлизацией двух параллельных поверхностей для обеспечения требуемых электрических соединений. Физический размер и толщина кусочка кварцевого кристалла строго контролируются, поскольку он влияет на конечную или основную частоту колебаний. Основная частота обычно называется характеристической частотой кристаллов.

После резки и формирования кристалл не может быть использован на любой другой частоте. Другими словами, его размер и форма определяют его основную частоту колебаний.

Характеристика или характерная частота кристаллов обратно пропорциональна его физической толщине между двумя металлизированными поверхностями. Механически вибрирующий кристалл может быть представлен эквивалентной электрической цепью, состоящей из низкого сопротивления R, большой индуктивности L и небольшой емкости C, как показано ниже.

Литература

Смагин А. Г., Ярославский М. И. Пьезоэлектричество кварца и кварцевые резонаторы. — М.: «Энергия», 1970. — 488 с. — 6000 экз.

Альтшуллер Г. Б. Кварцевая стабилизация частоты. — М.: «Связь», 1974. — 272 с. — 5600 экз.

Андросова В. Г., Банков В. Н., Дикиджи А. Н. и др. Справочник по кварцевым резонаторам / Под ред. П. Г. Позднякова. — Связь, 1978. — 288 с. — 15 000 экз.

Глюкман Л. И. Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1981. — 232 с. — 10 000 экз.

Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объёмных и поверхностных акустических волнах: Материалы, технология, конструкция, применение: Пер. с чешск. — М.: Мир, 1990. — 584 с. — 4050 экз. — ISBN 5-03-001086-6.

Ладик А. И., Сташкевич А. И. Изделия электронной техники. Пьезоэлектрические и электромеханические приборы: Справочник. — М.: Радио и связь, 1993. — 104 с. — 3000 экз. — ISBN 5-256-01145-6, ISBN 5-256-00588-X.

Что это такое, и зачем он нужен

Прибор является источником, обеспечивающим гармонические колебания высокой точности. Имеет, при сравнении с аналогами, большую эффективность работы, стабильные параметры.

Первые образцы современных устройств появились на радиостанциях в 1920-1930 гг. как элементы, имеющие стабильную работу, способные задавать несущую частоту. Они:

• пришли на смену кристальным резонаторам, работавшим на сегнетовой соли, появившимся в 1917 в результате изобретения Александра М. Николсона и отличавшимся нестабильностью;
• заменили использовавшуюся ранее схему с катушкой и конденсатором, которая не отличалась большой добротностью (до 300) и зависела от температурных изменений.

Чуть позже кварцевые резонаторы стали составной частью таймеров, часов. Электронные компоненты с собственной резонансной частотой 32768 Гц, которая в двоичном 15-разрядном счетчике задает временной промежуток равный 1 секунде.

Приборы используются сегодня в:

• кварцевых часах, обеспечивая им точность работы независимо от температуры окружающей среды;
• измерительных приборах, гарантируя им высокую точность показателей;
• морских эхолотах, которые применяются при исследованиях и создании карт дна, фиксации рифов, отмелей, поиска объектов, находящихся в воде;
• схемах, соответствующих опорным генераторам, синтезирующим частоты;
• схемах, применяемых при волновом указании SSB или сигнала телеграфа;
• радиостанциях с DSB-сигналом с промежуточной частотой;
• полосовых фильтрах приемников супергетеродинного типа, которые более стабильны и добротны, чем LC-фильтры.

Устройства изготавливаются с разными корпусами. Делятся на выводные, применяемые в объемном монтаже, и SMD, используемые в поверхностном монтаже.

Их работа зависит от надежности схемы включения, влияющей на:

• отклонение частоты от необходимого значения, стабильность параметра;
• темп старения прибора;
• нагрузочную емкость.

Принцип действия

На пластинку, тонкий цилиндр, кольцо или брусок, вырезанные из кристалла кварца с определённой ориентацией относительно кристаллографических осей монокристалла нанесены 2 или более электродов — проводящие металлические полоски, выполненные напылением в вакууме или вжиганием плёнки металла на заданные поверхности кристалла.

Резонатор механически крепится в узлах рабочей моды колебаний, чтобы снизить потери колебательной энергии через крепление кристалла. Для иных мод колебаний узлы собственных колебаний расположены в иных местах кристалла и поэтому иные моды колебаний подавлены. Для рабочей моды колебаний кристалл имеет некоторую собственную резонансную частоту механических колебаний, причем на этой частоте добротность механического резонатора очень высока.

При подаче напряжения на электроды благодаря обратному пьезоэлектрическому эффекту происходит изгиб, сжатие или сдвиг в зависимости от того, каким образом вырезан кристалл относительно кристаллографических осей, конфигурации возбуждающих электродов и расположения точек крепления.

Собственные колебания кристалла в результате пьезоэлектрического эффекта наводят на электродах дополнительную ЭДС и поэтому кварцевый резонатор электрически ведёт себя подобно резонансной цепи, — колебательному контуру, составленному из конденсаторов, индуктивности и резистора, причем добротность этой эквивалентной электрической цепи очень велика и близка к добротности собственных механических колебаний кристалла.

Если частота подаваемого напряжения равна или близка к частоте собственных механических колебаний пластинки, затраты энергии на поддержание колебаний пластинки оказываются намного ниже, нежели при большом отличии частоты. Это тоже соответствует поведению электрического колебательного контура.

Генератор Пирса

Другая распространенная конструкция кварцевого генератора — это модель Пирса. Генератор Пирса очень похож по конструкции на предыдущий генератор Колпитца и хорошо подходит для реализации схем кварцевого генератора, использующих кристалл как часть его цепи обратной связи.

Генератор Пирса — это, прежде всего, последовательный резонансно настроенный контур (в отличие от параллельного резонансного контура генератора Колпитца), который использует JFET для своего основного усилительного устройства, поскольку полевые транзисторы обеспечивают очень высокие входные импедансы с кристаллом, подключенным между стоком и затвором через конденсатор C1, так как показано ниже.

В этой простой схеме кристалл определяет частоту колебаний и работает на своей последовательной резонансной частоте, что дает путь с низким импедансом между выходом и входом. При резонансе наблюдается сдвиг фазы на 180 o , что делает обратную связь положительной. Амплитуда выходной синусоидальной волны ограничена максимальным диапазоном напряжения на выводе стока.

Резистор R1 управляет величиной обратной связи и возбуждением кристалла, в то время как напряжение на радиочастотном дросселе RFC меняется в течение каждого цикла. Большинство цифровых часов и таймеров используют генератор Пирса в той или иной форме, поскольку он может быть реализован с использованием минимума компонентов.

Наряду с использованием транзисторов и полевых транзисторов, мы также можем создать простой базовый параллельный резонансный кварцевый генератор, аналогичный по работе генератору Пирса, с использованием КМОП-инвертора в качестве элемента усиления. Основной кварцевый генератор состоит из одного инвертирующего логического элемента триггера Шмитта, такого как TTL 74HC19 или CMOS 40106, 4049, индуктивного кристалла и двух конденсаторов. Эти два конденсатора определяют величину емкости нагрузки кристаллов. Последовательный резистор помогает ограничить ток возбуждения в кристалле, а также изолирует выход инвертора от комплексного сопротивления, образованного конденсаторно-кристаллической сетью.

Параметры кварцевых резонаторов

Номинальная частота – частота F_н, указанная на маркировке или в документации на кварцевый резонатор (измеряется в МГц или кГц). Базовая частота – реальная частота резонатора F_о, измеренная в заданных условиях эксплуатации. Как правило, определяются только климатические условия, а именно базовая температура окружающей среды Т_о, (равная 25± 2°С для резонаторов со срезом типа АТ). Рабочая частота – реальная частота резонатора F, измеренная в реальных условиях эксплуатации (климатических, механических и электрических). Обычно определен только допустимый диапазон изменения рабочей температуры.

Точность настройки частоты – максимально допустимое относительное отклонение базовой частоты резонатора от номинальной частоты. Измеряется в миллионных долях от номинальной частоты, обозначаемых как ppm (part per m illion) или 1•10 -6. В отдельных редких случаях значение этого параметра приводится в процентах. Как правило, значение точности настройки частоты кварцевого резонатора выбираются из стандартного ряда.

Параметры кварцевых резонаторов.

Температурная нестабильность частоты

Относительное отклонение рабочей частоты резонатора от базовой частоты.  Может быть представлено в виде зависимости от рабочей температуры T, в соответствии с формулой для кварцевых пластин с типом среза АТ и формулой (4) для кварцевых пластин остальных типов.  Долговременная нестабильность частоты (старение) – систематическое изменение базовой частоты с течением времени из-за внутренних изменений в кварцевом резонаторе. Параметр старения задается как относительное изменение базовой частоты за заданный промежуток времени. Это значение выражается в частях миллиона за год (например, 3 ppm / year ). Уход частоты под влиянием старения в максимальной степени сказывается в течение первых 30 – 60 дней эксплуатации, после чего влияние этого фактора уменьшается. Стандартный ряд относительных отклонений частоты для резонаторов общего назначения включает следующие классы точности: ±5, ±10, ±15, ±20, ±30, ±50, ±75 и ±100 ppm.

Режим работы резонатора (номер гармоники)

Режим работы резонатора – неизменяемый параметр, определяющий частоту колебания. Для кристаллов кварца может использоваться не только основная частота, но и ее нечетные гармоники – обертоны. Например, кристалл может работать на основной частоте 10 МГц, или в нечетных гармониках приблизительно 30 МГц (третий обертон), 50 МГц (пятый обертон) и 70 МГц (седьмой обертон).