Кварцевый резонатор как найти

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.

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 приёмников 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.

Свойства кварцевого резонатора

Превосходит ранее существовавшие аналоги, что делает прибор незаменимым во многих электронных схемах и объясняет сферу использования устройства. Это подтверждается тем, что за первое десятилетие с момента изобретения в США (не считая другие страны) выпущено больше 100 тыс. штук приборов.

Среди положительных свойств кварцевых резонаторов, объясняющих популярность, востребованность устройств:

• хорошая добротность, значения которой — 104-106 — превышают параметры ранее использовавшихся аналогов (имеют добротность 300);
• небольшие габариты, которые могут измеряться долями миллиметра;
• устойчивость к температуре, ее колебаниям;
• долгий срок службы;
• простота изготовления;
• возможность построения каскадных фильтров высокого качества без использования ручной настройки.

Кварцевые резонаторы имеют и недостатки:

• внешние элементы позволяют подстраивать частоту в узком диапазоне;
• обладают хрупкой конструкцией;
• не переносят чрезмерного нагрева.

Принцип работы кварцевого резонатора

Работает прибор на основе пьезоэффекта, проявляющегося на пластинке из кварца, причем низкотемпературного. Элемент вырезают из цельного кристалла кварца, соблюдая задаваемый угол. Последний определяет электрохимические параметры резонатора.

Пластинки с обеих сторон покрывают слоем серебра (подходит платина, никель, золото). Затем их прочно фиксируют в корпусе, который герметизируется. Устройство представляет колебательную систему, которая обладает собственной резонансной частотой.

Когда электроды подвергаются переменному напряжению, пластинка из кварца, обладающая пьезоэлектрическим свойством, изгибается, сжимается, сдвигается (зависит от типа обработки кристалла). Одновременно в ней появляется противо-ЭДС, как это происходит в катушке индуктивности, находящейся в колебательном контуре.

Когда подается напряжение с частотой, совпадающей с собственными колебаниями пластинки, то в устройстве наблюдается резонанс. Одновременно:

• у элемента из кварца увеличивается амплитуда колебаний;
• сильно уменьшается сопротивления резонатора.

Энергия, которая необходима для поддержания колебаний, в случае равенства частот низкая.

Обозначение кварцевого резонатора на электрической схеме

Прибор обозначается аналогично конденсатору. Отличие: между вертикальными отрезками помещен прямоугольник — символ пластинки, изготовленной из кварцевого кристалла. Боковые стороны прямоугольника и обкладки конденсатора разделяет зазор. Рядом на схеме может присутствовать буквенное обозначение прибора — QX.

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.

2350

Как же тяжело с вами, не специалистами… Сути не видите. Столько воды, вместо дела льёте. Что важно пропускаете, а что не важно 10 раз фотографируете :))))

В принципе, вот этой фоторафии уже достаточно
avto-master.info/images/U…Perepaivaem-lampochku.JPG
чтобы делать выводы. Под компаундом (большая чёрная «капля») находится бескорпусная микросхема (кристалл). Судя по количеству выводов и назначению самого устройства — это микропроцессор. Кварцевый резонатор находится в непосредственной близости от неё.

Далее включаем голову и начинаем думать логически:

В данной теме avto-master.info/foto-otc…-lampochki-podsvetki.html имеется распиновка выводов разъёма:
1. Сигнал скорости.
2. Датчик температуры.
3. Масса.
4. Подсветка.
5. Плюс зажигания.

На ней можно увидеть, что только один сигнал дискретный — по первому выводу на эту схему поступает сигнал о скорости автомобиля. Значит, данный процессор измеряет частоту поступающих импульсов на этот вход, что бы вычислить скорость движения автомобиля. Что означает, что вычисление времени (периода следования импульсов) в микропроцессоре привязано к тактовой частоте микропроцессора (которую задаёт этот кварцевый резонатор). И если её изменить — то возникнет соответствующая погрешность вычисления.

Обычно, данные о скорости в подобных дисплеях нужны для вычисления расхода топлива. Но этот дисплей отображает только температуру! Это наводит на мысль…

На автомобилях, что бы убрать погрешность измерения температуры воздуха снаружи, (когда автомобиль неподвижен, и внешний датчик температуры может нагреваться от узлов самого автомобиля) температуру с датчика считывают только в движении, например, когда скорость выше 30 км/ч. А когда скорость движения низкая, или автомобиль неподвижен, то данные о температуре на дисплее не обновляются. Когда автомобиль начинает движение, и скорость достигает порога, выбранного разработчиками, то микропроцессор начинает считывать данные от датчика температуры и начинает постепенно корректировать показания на дисплее. И нам кажется, что дисплей показывает действительную температуру воздуха снаружи…

Так что судя по всему, точное вычисление скорости автомобиля в данной схеме не столь существенно! Ну будет порог не 30, а, скажем, 36 км/ч — вы этого и не заметите! Так что с очень большой вероятностью, можно установить кварцевый резонатор с частотой, немного отличающейся от номинальной.

Способность точно измерять время лежит в основе развития всей цивилизации. Создание часов, работающих во всех положениях и условиях, было в основе морского судоходства. В то время как широту можно рассчитать по высоте солнца над горизонтом, для определения долготы необходимо знать сколько сейчас времени в выбранном месте, относительно которого рассчитывается долгота. Железные дороги способствовали дальнейшему развитию часов – когда каждый населенный пункт вдоль железной дороги устанавливает свои часы с помощью солнца, трудно учесть эти различия в расписании. Дальнейшее развитие науки и техники, особенно электроники и радиосвязи, вынуждало создавать все более точные часы, генераторы и частотомеры.

Кварц — распространенный минерал, он является ключевым компонентом гранита и других магматических пород. Очень распространен в осадочных породах, таких как песчаник и сланец. Это обычная составляющая сланца, гнейса, кварцита и других метаморфических пород. Сам кварц известен как диоксид кремния, но в зависимости от содержащихся в нем примесей встречается под многими названиями как минерал и драгоценный камень: от горного хрусталя – дымчатый и розовый кварц, до аметистов, агатов, тигрового глаза или даже обычного кремня.

Так как же столь распространенный минерал стал основой для тайминга и генерации частот? Ответ: пьезоэлектрический эффект. Когда электричество проходит через кристалл кварца он подвергается механической деформации. Это работает и наоборот — физическое дробление или удар по кристаллу создает в нем электрический заряд. Простейшим примером практического использования этого явления являются дешевые электрические зажигалки-пьезики, где нажатие на кнопку или рычаг вызывает сначала медленное сдавливание, а затем быстрое расширение кристалла кварца, что создает импульс высокого напряжения в несколько несколько киловольт.

Ксилофоны, идиофоны и кристаллы

Идиофоны – группа музыкальных инструментов, в которых звукоизвлекающим элементом является твердое тело, возбуждаемое вибрацией при ударе, трении, дергании или выдувании. Частота колебаний зависит от размеров либо вибрирующего тела, либо связанной с ним резонансной камеры. Остановимся на идиофонах, где частота звука зависит от размеров вибрирующего элемента, называемого вибратором. В ксилофоне вибратор представляет собой деревянную пластину, в гонге — металлическую пластину. Каждый из этих инструментов предварительно настраивается с использованием определенных размеров вибратора, а затем путем удаления небольшого количества материала до тех пор, пока не будет достигнута желаемая высота тона.

Кристалл кварца также является своего рода вибратором и имеет определенную резонансную частоту. Но в случае с кварцем мы не услышим никакого звука после удара, трения или дерганья. С другой стороны, на осциллографе видим колебания электричества, генерируемого в кристалле. Частота этих колебаний, как и у идиофонов, зависит от физических размеров кристалла (а также от его структуры и чистоты). Этот факт является основанием для настройки кварцевых резонаторов.

Правда в самом кварцевом резонаторе не найдем ничего такого, что возбудило бы колебания в куске кварца. За все отвечает пьезоэлектрический эффект: импульс тока деформирует кристалл, вызывая в нем колебания, и эти колебания усиливают и ослабляют этот импульс в соответствии с резонансной частотой. Теперь достаточно усилить эти колебания тока и часть из них подать обратно на вход резонатора, чтобы получить устойчивые колебания. Но если на вход резонатора поставить смесь разных частот, а выход подключить к усилителю, то вместо генератора колебаний получим фильтр который будет только усиливать резонансную частоту.

Кварцевые резонаторы

Типичный кварцевый резонатор представляет собой металлическую колбу разных размеров с двумя выводами. На корпусе чаще всего можно найти резонансную частоту и код для идентификации производителя. Символ резонатора и диаграмма-заполнитель выглядят следующим образом:

Как видите, резонатор ведет себя как последовательно-параллельный резонансный контур RLC. Зная значения отдельных элементов можем рассчитать сопротивление резонатора, то есть его сопротивление для выбранной частоты. Правда в этом нет необходимости, так как основные параметры можно найти в документации. Существует несколько способов реализации резонаторов в зависимости от положения электродов и формы самого вибрирующего элемента. Заглянем внутрь типичных кварцевых резонаторов:

Сверху кварцевый резонатор на 32,768 кГц, снизу – резонатор на частоты в МГц. Первый имеет форму классического камертона и вибрирует аналогичным образом. Второй изгибается подобно гонгу или мембране, и частота его колебаний зависит от толщины кварцевой пластины.

Кварцевые резонаторы в качестве генераторов обычно работают с микросхемами, в которых есть почти все необходимое для того, чтобы резонатор резонировал. Но иногда нужно построить свой собственный генератор, то вот классические примеры решений.

Генераторы Колпитца

Для начала простая схема Колпитца (трехточки), работающая с резонаторами с частотой от 1 МГц до 5 МГц:

Резисторы R1 и R3 определяют смещение базы транзистора. R4 устанавливает выходное напряжение. R2 изолирует транзистор от источника питания и ограничивает ток коллектора. Конденсаторы С2 и С5 образуют делитель напряжения в цепи связи, задавая его максимальный уровень. C4 и резонатор Y1 образуют последовательный резонансный контур, C4 допускает небольшой диапазон изменения частоты. C3 действует как фильтр составляющей постоянного тока. C1 фильтрует питание.

Если хотим использовать на схеме резонатор с частотой, отличной от n, нам нужно изменить значения C2 и C5. Чем ниже частота, тем больше должна быть емкость. Схему нельзя перегружать, так как это может повлиять на ее работу. Улучшенным вариантом является следующая схема, которая имеет более широкий частотный диапазон с резонаторами от 1,5 МГц до 20 МГц:

Помимо изменения номинала элементов тут добавлен выходной каскад в схеме с общим коллектором, благодаря чему все это дело стабильно в широком диапазоне частот.

Генератор Пирса

Следующая схема в различных вариантах обычно используется в интегральных микросхемах. Её простота и возможность реализации с использованием инвертора делают довольно популярным методом формирования тактовых сигналов в цифровых схемах.

Дроссель L1 отключает питание в диапазоне частот колебаний и необходим для его правильной работы. Конденсатор С2 создает петлю положительной обратной связи, а резистор R1 ограничивает ее глубину и нагружает затвор полевого транзистора Q1. С4 входит в состав резонансного контура с резонатором Y1 и позволяет его в определенной степени настроить.

Кварцевые генераторы

Кварцевые генераторы отличаются от резонаторов тем, что представляют собой активные системы, требующие источника питания, предлагая взамен готовый интегрированный источник тактового сигнала. Внутри генератора находятся кварцевый резонатор и схема генератора, чаще всего в конфигурации Пирса, и выходной буфер позволяющий запитать несколько микросхем КМОП или ТТЛ. Эти генераторы могут обеспечивать более высокие рабочие частоты, поскольку могут работать не на основной частоте резонатора, а на одной из его гармонических частот.

Проблемы кварцевых резонаторов

Резонаторы и кварцевые генераторы имеют три основные проблемы:

1. Разброс заводских параметров.
2. Восприимчивость к перепадам температуры.
3. Старение со временем.

В спецификации каждого резонатора находится информация о допуске, старении и температурных эффектах, чаще всего в ppm или частях на миллион. Для примера возьмем дешевый кварцевый резонатор для часов с частотой 32,768 кГц. Основной допуск при 25 °C составляет ± 16 частей на миллион. Но сколько это будет в герцах? Посчитаем:

(32768Гц / 1000000) х 16 = 0,524288 Гц

Таким образом базовое значение резонатора может отличаться на ± 0,524288 Гц. Кроме того, в примечании говорится что резонатор стареет максимум на ± 5 частей на миллион в год при 25 градусах Цельсия, то есть на ± 0,16384 Гц.

Почему часовой кварцевый резонатор работает лучше, чем кварцевый резонатор общего назначения? Все просто: первый с самого начала был оптимизирован для относительно точной синхронизации. Работа с более низкой частотой и формой камертона позволила лучше оптимизировать производственный процесс и, таким образом, уменьшить разброс параметров. Из-за его формы температура меньше влияет на резонатор. Резонаторы более высокой частоты колеблются по-разному, так что температура влияет на их колебания в разных направлениях и не всегда одинаково. Именно поэтому так велик разброс параметров по температурному влиянию – производитель может гарантировать определенную частоту при конкретной температуре, то есть при 25°С, и чем дальше от этой температуры, тем больше будет случайность возможных отклонений от базовой частоты. Обычно девиация 30-50 Гц на МГц не имеет большого значения, но что если нужна точность? Есть несколько решений.

TCXO, TCVCXO и OCXO

TCXO означает кварцевый генератор с температурной компенсацией. Это элемент, который помимо собственно кварца и взаимодействующего с ним генератора содержит термодатчик и схему изменяющую частоту генератора в зависимости от температуры. Производитель измерил изменение частоты в зависимости от температуры резонатора и использовал эти данные для всего производства.

TCVCXO означает кварцевый генератор с температурной компенсацией и регулируемым напряжением. Практически он такой же как TCXO, только имеет дополнительный вход, позволяющий регулировать частоту в небольшом диапазоне. Это имеет смысл если есть частотомер, который на порядок точнее генератора.

ОСХО расшифровывается как кварцевый генератор с термоуправлением (с нагревом). При этом кварцевый резонатор нагревается до определенной рабочей температуры и теплоизолируется от внешних условий. Термостат стабилизирует температуру и гарантирует ее стабильность. Эти системы являются наиболее точными кварцевыми генераторами, доступными на рынке. Они используются в высококлассной измерительной технике, где повышенное энергопотребление не имеет значения, а точность и стабильность выступают на первое место.

Есть ли что-нибудь ещё получше? Да, — рубидиевый эталон частоты. На Alliexpress такой стоит почти 1000 долларов. Всё из-за невероятной стабильности, обычно на уровне ±1-2 х 10^-11/1с. Это означает, что паттерн 10 МГц будет менять свою частоту на 0,01 Гц в секунду. Дрейф за 100 секунд будет не больше 0,001 Гц. А ещё рубидиевые атомные часы не стареют как кварцевые, но это уже подходит скорее для военно-космической техники, нам же хватает для радиолюбительства обычных кварцевых резонаторов.

Принцип работы и свойства кварцевого резонатора

Теория

---

Кварцевый резонатор — электронный компонент, в котором пьезоэлектрический эффект и явление механического резонанса используются для построения высокодобротного резонансного элемента электронной схемы.

В современной электронике, особенно в цифровой сложно не найти электронный компонент под названием кварцевый резонатор. По своей сути, кварцевый резонатор является аналогом колебательного контура на основе ёмкости и индуктивности. Правда, кварцевый резонатор превосходит LC-контур по очень важным параметрам.

Добротность — параметр колебательной системы, определяющий ширину резонанса и характеризующий, во сколько раз запасы энергии в системе больше, чем потери энергии за время изменения фазы на 1 радиан. Обозначается символом Q (в отечественной литературе Д).

 
Добротность обратно пропорциональна скорости затухания собственных колебаний в системе. То есть, чем выше добротность колебательной системы, тем меньше потери энергии за каждый период и тем медленнее затухают колебания.

Как известно, колебательный контур характеризуется добротностью. Резонаторы на основе кварца обладают очень высокой добротностью, которая недостижима при использовании обычного колебательного LC-контура. Если добротность обычных контуров лежит в пределах 100 – 300, то для кварцевых резонаторов величина добротности достигает 10⁵ – 10⁷.

 
Ёмкость конденсатора довольно сильно зависит от температуры окружающей среды. У конденсаторов даже есть параметр, который называется ТКЕ (температурный коэффициент ёмкости). Он показывает насколько измениться ёмкость конденсатора при изменении температуры. Резонаторы на основе кварца обладают очень высокой температурной стабильностью. Именно благодаря высокой добротности и температурной стабильности кварцевые резонаторы применяются в радиотехнике очень активно.

 
Любой процессор или микроконтроллер работает на определённой тактовой частоте. Понятно, что для задания тактовой частоты необходим генератор. Такой генератор в качестве источника высокоточных гармонических колебаний, как правило, использует кварцевый резонатор. В тех схемах, где высокая добротность не требуется, могут применяться резонаторы на основе керамики – керамические резонаторы. Добротность резонаторов на основе пьезокерамики составляет не более 10³. Их можно встретить в пультах дистанционного управления, электронных игрушках, бытовых радиоприёмниках.

---

Принцип работы

Принцип работы кварцевого резонатора целиком и полностью опирается на пьезоэлектрический эффект. Основой любого кварцевого резонатора является пластинка из кварца.

 
Кварц — это одна из разновидностей кремнезема SiO₂. Для изготовления резонаторов пригоден только лишь низкотемпературный кварц, который обладает пьезоэлектрическими свойствами. В природе такой кварц встречается в виде кристаллов и бесформенной гальки.

 
Химически кварц очень устойчив и не растворяется ни в одной из кислот, за исключением плавиковой. Также кварц очень твёрдый. По шкале твёрдости он занимает 7-е место из 10.

Кварцевый резонатор является электромеханической колебательной системой. Как известно, любая колебательная система обладает своей резонансной частотой. У кварцевого резонатора также есть своя номинальная резонансная частота. Если приложить к кварцевой пластине переменное напряжение, которое совпадает с резонансной частотой самой кварцевой пластины, то происходит резонанс частот и амплитуда колебаний резко возрастает.

 
При резонансе электрическое сопротивление резонатора уменьшается. В результате получается эквивалент последовательной колебательной системы. Поскольку потери энергии в кварцевом резонаторе очень малы, то он фактически представляет собой электрический колебательный контур с очень большой добротностью.

 
Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора изображена на рисунке ниже.

Здесь С₀ – это постоянная (статическая) ёмкость образующаяся за счёт металлических пластин-электродов и держателя. Последовательно соединённые индуктивность L₁, конденсатор С₁ и активное сопротивление R_акт. отражают электромеханические свойства кварцевой пластинки. Как видим, если отбросить ёмкость монтажа и кварцедержателя С₀, то получиться последовательный колебательный контур.

 
При монтаже кварцевого резонатора на печатную плату стоит позаботиться о том, чтобы не перегреть его. Эта рекомендация наверняка связана с тем, что конструкция кварцевого резонатора довольно тонкая. Температурный перегрев может вызвать деформацию кварцедержателя и пластинок-электродов. Естественно, всё это может отразиться на качестве работы резонатора в схеме.

 
Также известно, что если кварц нагреть свыше +573 °C, то он превращается в высокотемпературный кварц и лишается своих пьезоэлектрических свойств. Конечно, довести температуру кварца до такой температуры оборудованием для пайки нереально.

---

Обозначение кварцевого резонатора

На принципиальных схемах и в технической документации кварцевый резонатор обозначается наподобие конденсатора, только между пластинами добавлен прямоугольник, который символизирует пластинку кварца. Рядом с графическим изображением указывается буква Z или ZQ.

---

Как проверить кварцевый резонатор?

К сожалению, достоверно проверить кварцевый резонатор можно только заменой. Причиной неисправности кварцевого резонатора может быть сильный удар либо падение электронного прибора, в котором он был установлен. Поэтому если есть подозрение в исправности кварцевого резонатора, то его стоит заменить новым. К счастью в практике ремонта неисправность кварцевого резонатора встречается редко, конечно, есть и исключения, но они относятся к портативной электронике, которую частенько роняют.

---

Кварцевый резонатор — это радиоэлемент, который используется в радиотехнических цепях для генерации электрических колебаний. В этой статье мы подробно рассмотрим и развенчаем некоторые мифы, связанные с кварцевым резонатором, а также рассмотрим схемы на его основе.

Пьезоэлектрики

На самом деле, кварц  — это один из самых распространенных минералов в земной коре. Его доля составляет около 60%! Если полупроводниковые радиокомпоненты в основном делают из кремния, то кварц тоже состоит из кремния но в связке с кислородом. Его химическая формула SiO₂.

Выглядит минерал кварц примерно вот так.

Ну прямо как сокровище какое-то! Но ценность этого сокровища спрятана не в самом кварце, а в том, каким свойством он обладает. И этот эффект кварца сделал революцию в прецизионной (точной) электронике для генерации высокостабильных колебаний электрического сигнала.

Еще в 19 веке два брата Кюри обнаружили интересное свойство некоторых твердых кристаллов генерировать ЭДС , деформируя эти кристаллы. Деформация — это изменение формы какого-либо тела с помощью кручения, удара, растяжения и так далее. Так вот, ударяя по таким кристаллам, они обнаружили, что те могут выдавать какое-либо кратковременное напряжение.

Но они также обнаружили еще и обратный эффект. При подаче напряжения на такие кристаллы, эти кристаллы деформировались сами. Невооруженным глазом это было практически не заметно. Такой эффект назвали пьезоэффектом, а вещества  —  пьезоэлектриками.

Следует заметить, что ЭДС возникает только в процессе сжатия или растяжения. Может быть вы подумали, что можно прижать такой кристалл какой-нибудь увесистой болванкой и всю жизнь получать из него энергию? Как бы не так! Кстати, радиоэлемент пьезоизлучатель тоже относится к пьезоэлектрикам, и из него можно получить ЭДС. Ниже можно рассмотреть этот случай на видео. Светодиод, подпаянный к пьезоизлучателю, зажигается при ударе самого пьезоизлучателя.

Не так давно смотрел фильм по National Geographic. Там целые пьезоэлектрические плиты устанавливали на дороге. По ним ходили люди и вырабатывали электрическую энергию, сами того не подозревая). Кстати, очень халявная, чистая и возобновляемая энергия.  Ладно, что-то отвлекся… Так вот, кристаллы кварца тоже обладают пьезоэффектом и способны также вырабатывать ЭДС или деформироваться (изгибаться, изменять форму) под воздействием электрического тока.

[quads id=1]

Кварцевый резонатор

Что представляет из себя кварцевый резонатор

В настоящее время выявлены множество видов кристаллических веществ, но в электронике больше всего используют именно минералы кварца, так как он помимо того, что является пьезоэлетриком, так еще и обладает хорошей механической прочностью.

Резонатор — (от лат. resono —  звучу в ответ, откликаюсь) — это система, которая способна совершать колебания с максимальной амплитудой, то есть резонировать, при воздействии внешней силы определенной частоты и формы. Получается, кварцевый резонатор в электронике, а в народе просто «кварц», — это радиоэлемент, который способен резонировать, если на него подать переменный ток определенной частоты и формы.

Кварцевые резонаторы выглядят примерно так.

Кварц является диэлектриком. А что будет если тонкий диэлектрик разместить между двумя металлическими пластинами? Получится конденсатор! Конденсатор получается очень маленькой емкости, так что замерить его емкость вряд ли получится. Зато не стали мудрить со схемотехническим обозначением кварца, и на схемах его показывают как прямоугольный кусочек кристалла, заключенный между двумя пластинками конденсатора.

Разобрав кварцевый резонатор, мы можем увидеть воочию сам кристалл кварца. Давайте вскроем кварц советского производства вот в таком корпусе.

Здесь мы видим прозрачный кристалл кварца, размещенный между двумя металлическими пластинками, к которым подпаяны выводы.

В маленьких кварцах типа этих

используются тонкие прямоугольные пластинки кварца. Физический размер и толщина кварцевой пластинки внутри кварцевого резонатора строго должна соблюдаться, так как именно ее габаритные размеры влияют на основную частоту колебаний. Здесь правило такое: чем больше толщина пластинки, тем ниже рабочая частота кварца. Поэтому, самые высокие частоты, на которые делают кварцы, составляет не более 50 МГц, так как пластинка получается очень тонкая, что создает трудности при ее изготовлении. Да и держать ее как-то надо в корпусе, не поломав. По идее, можно выжать из кварца частоту и до 200 МГц, но работать такой кварц будет на обертоне.

Обертоны кварцевого резонатора

Обертоны, или как еще их называют, моды или гармоники — это кратные частоты, выше основной частоты кварца. С помощью фильтров гасят основную частоту кварца и выделяют обертон. В кварцевом резонаторе в режиме обертонов используют нечетные обертоны. Если основная частота кварца F — это первый обертон, то его рабочие обертоны будут как 3F, 5F, 7F, 9F.  Стоит также отметить, что амплитуда обертона убывает с ростом его частоты, поэтому, далее 9 обертона смысла брать уже нет, так как выделять амплитуду маленького сигнала очень проблематично.

Пример: возьмем кварц с частотой в 10 Мегагерц. Тогда мы можем возбудить его на обертонах в 30 Мегагерц (третий обертон), в 50 Мегагерц (пятый обертон), в 70 Мегагерц (седьмой обертон) и максимум в 90 Мегагерц (девятый обертон).

Чтобы хоть как-то понять, что такое обертоны, для примера послушайте основную частоту 110 Герц и ее обертоны.

Схема, которая возбуждает кварц на обертонах, сложная и не очень надежная, так как во-первых, надо «давить» главную частоту кварца и выделять обертон, а во-вторых, кварц может возбудиться в режиме случайных колебаний. На практике все-таки делают схемы с умножением главной частоты кварца, что намного проще и надежнее. Здесь также есть еще одно правило: если частота маркируется в целых числах в Килогерцах — это работа на основной гармонике, а если в Мегагерцах через запятую — это обертонная гармоника. Например: РГ-05-18000кГц — резонатор для работы на основной частоте, а РГ-05-27,465МГц — для работы на 3-ем обертоне.

Последовательный и параллельный резонанс кварца

Очень много мифов ходит по интернету именно о кварцевом резонаторе. Самый популярный миф гласит так: если подать постоянное напряжение на кварцевый резонатор, он будет выдавать переменное напряжение с частотой, которая на нем указана. Насчет «частоты, указанной на нем», я, может быть, соглашусь, но насчет постоянного напряжения — увы. Кристалл кварца просто сожмется или разожмется). Некоторые вообще до сих пор думают, что кварц сам по себе выдает переменный ток ). Ага, прям вечный двигатель).

Для того, чтобы понять принцип работы кварцевого резонатора, надо рассмотреть его эквивалентную схему:

С — это собственно емкость между обкладками конденсатора. То есть если убрать кристалл кварца, то останутся две пластины и их выводы. Именно они и обладают этой емкостью.

С1 — это эквивалетная емкость самого кристалла. Ее значение несколько фемтоФарад. Фемто — это 10^-15 !

L1 — это эквивалентная индуктивность кристалла.

R1 — динамическое сопротивление, при работе кварца может достигать от нескольких Ом и до нескольких КОм

Можно заметить, что С1, L1 и R1 образуют последовательный колебательный контур, который обладает своей резонансной частотой.

Резонансная частота такого контура вычисляется по формуле

Но все бы хорошо, но как видите, есть еще в эквивалентной схеме кварцевого резонатора один увесистый конденсатор С, который портит всю малину.

Вся эта схема превращается в сложный параллельный колебательный контур. Резонансная частота такого контура уже будет определяться формулой

Поэтому, запомните: каждый кварцевый резонатор может возбуждаться на двух резонансных частотах. На частоте последовательного резонанса и на частоте параллельного резонанса. Если мы видим на кварце вот такую надпись

это говорит нам о том, что частота последовательного резонанса для этого кварцевого генератора составляет 8 МГц. Кварцевые резонаторы в электронике работают именно на частоте последовательного резонанса. На своей практике не припомню, чтобы кто-то возбуждал кварц для работы на частоте параллельного резонанса.

Часовой кварцевый резонатор

Чаще всего часовой кварц выглядит вот так.

«Что еще за часовой кварц?» — спросите вы.  Часовой кварц — это кварц с частотой в 32 768 Герц. Почему на нем такая странная частота? Дело все в том, что 32 768 это и есть 2¹⁵. Такой кварц работает в паре с 15-разрядной микросхемой-счетчиком. Это наша микросхема К176ИЕ5.

Принцип работы этой микросхемы такой: после того, как она сосчитает 32 768 импульсов, на одной из ножек она выдает импульс. Этот импульс на ножке  с кварцевым резонатором на 32 768 Герц появляется ровно один раз в секунду. А как вы помните,  колебание один раз в секунду — это и есть 1 Герц. То есть на этой ножке импульс будет выдаваться с частотой в 1 Герц. А раз это так, то почему бы не использовать это в часах? Отсюда и пошло название — часовой кварц.

В настоящее время в наручных часах и других мобильных гаджетах этот счетчик и кварцевый резонатор встроены в одну микросхему и обеспечивают не только счет секунд, но и целый ряд других функций, типа будильника, календаря и тд. Такие микросхемы называется RTC (Real Time Clock) или в переводе с буржуйского Часы Реального Времени.

Кварцевый генератор

Что такое генератор? Генератор — это по сути устройство, которое преобразует один вид энергии в другой. В электронике очень часто можно услышать словосочетание  «генератор электрической энергии, генератор частоты, генератор функций » и тд.

Кварцевый генератор представляет из себя генератор частоты и имеет в своем составе кварцевый резонатор. В основном  кварцевые генераторы бывают двух видов:

те, которые могут выдавать синусоидальный сигнал

и те, которые выдают прямоугольный сигнал, который чаще всего используется в цифровой электронике.

 Схема Пирса

Для того, чтобы возбудить кварц на частоте резонанса, нам надо собрать схему. Самая простая схема для возбуждения кварца — это классический генератор Пирса, который состоит всего лишь из одного полевого транзистора и небольшой обвязки из четырех радиоэлементов:

Пару слов о том как работает схема. В схеме  есть положительная обратная связь и в ней начинают возникать автоколебания. Но что такое положительная обратная связь?

В школе всем вам ставили прививки на реакцию Манту, чтобы определить, если у вас тубик или нет. Через некоторое время приходили медсестры и линейкой замеряли вашу реакцию кожи на эту прививку

Когда ставили эту прививку, нельзя было чесать место укола. Но мне, тогда еще салаге, было по барабану. Как только я начинал тихонько чесать место укола, мне хотелось чесать еще больше)) И вот скорость руки, которая чесала прививку, у меня замерла на каком-то пике, потому что совершать колебания рукой у меня максимум получалось с частотой Герц  в 15.  Прививка набухала на пол руки))  И даже  один раз меня водили сдавать кровь в подозрении на туберкулез, но как оказалось, не нашли. Оно и неудивительно ;-).

Так что это я вам тут рассказываю хохмы из жизни? Дело в том, что эта чесотка прививки самая что ни на есть положительная обратная связь. То есть пока я ее не трогал, чесать не хотелось. Но как только тихонько почесал, стало чесаться больше и я стал чесать больше, и чесаться стало еще больше и тд.  Если бы на мою руку не было физический ограничений, то наверняка, место прививки уже бы стерлось до мяса. Но я мог махать рукой только с какой-то максимальной частотой. Так вот, такой же принцип и у кварцевого генератора ;-). Чуть подал импульс, и он начинает разгоняться и уже останавливается только на частоте параллельного резонанса ;-). Скажем так, «физическое ограничение».

Первым делом нам надо подобрать катушку индуктивности. Я взял тороидальный сердечник и намотал из провода МГТФ несколько витков

Весь процесс контролировал с помощью LC-метра, добиваясь номинала, как на схеме — 2,5 мГн. Если не доставало, прибавлял витки, если перебарщивал номинал, то убавлял. В результате добился  вот такой индуктивности.

Транзистора у меня в загашнике не нашлось, и в местном радиомагазине его тоже не было. Поэтому, пришлось заказывать на Али. Кому интересно, брал здесь.

Его правильное название: транзистор полевой с каналом N типа.

Распиновка слева-направо: Сток — Исток — Затвор

Ну а дальше дело за малым. Собираем схемку:

Небольшое лирическое отступление.

Как вы видите, я пытался максимально сократить связи между радиоэлементами. Дело все в том, что все радиоэлементы имеют свои паразитные параметры. Чем длиннее их выводы, а также провода, соединяющие эти радиоэлементы в схеме, тем хуже будет работать схема, а то и вовсе «не зафурычит». Да и вообще, схемы с кварцевым резонатором на печатных платах трассируют не просто так от балды. Здесь есть свои тонкие нюансы. Мельчайшие паразитные параметры могут испоганить весь сигнал на выходе такого генератора.

Итак, кварцевый генератор мы собрали, напряжение подали, осталось только снять сигнал с выхода нашего самопального генератора. За дело берется цифровой осциллограф OWON SDS6062

Первым  делом я взял кварц на самую большую частоту, которая у меня есть: 32 768 Мегагерц. Не путайте его с часовым кварцем (о нем пойдет речь ниже).

Не, ну а что вы хотели? Хотели увидеть идеальную синусоиду? Не тут-то было. Сказались паразитные параметры плохо собранной схемы и монтажа.

Внизу в левом углу осциллограф нам показывает частоту:

Как вы видите 32,77 Мегагерц.  Главное, что наш кварц живой и схемка работает!

Давайте возьмем кварц с частотой 27 МГц.

Частоту тоже более-менее показал верно.

Ну и аналогично проверяем все остальные кварцы, которые у меня есть.

[quads id=1]

Вот осциллограмма  кварца на 16 МГц.

Осциллограф показал частоту ровно 16 МГц.

Здесь поставил кварц на 6 МГц.

Ровно 6 МГц!

На 4 МГц.

Все ОК.

Ну и возьмем еще советский на 1 Мегагерц. Вот так он выглядит.

Сверху написано 1000 КГц = 1МГц.

Смотрим осциллограмму.

Рабочий!

При большом желании можно даже замерять частоту китайским генератором-частотомером.

400 Герц погрешность для старенького советского кварца не очень и много, хотя дело может быть даже не кварце, а в самом частотомере.

[quads id=1]

Схема Пирса для прямоугольного сигнала

Итак, вернемся к схеме Пирса. Предыдущая схема Пирса генерирует синусоидальный сигнал

Но также есть видоизмененная схема Пирса для прямоугольного сигнала

А вот и она:

Номиналы некоторых радиоэлементов можно менять в достаточно широком диапазоне. Например, конденсаторы С1 и С2 могут быть в диапазоне от 10 и до 100 пФ. Тут правило такое: чем меньше частота кварца, тем меньше должна быть емкость конденсатора. Для часовых кварцев конденсаторы можно поставить номиналом в 15-18 пФ. Если кварц с частотой от 1 до 10 Мегагерц, то можно поставить 22-56 пФ. Если не хотите заморачиваться, то просто поставьте конденсаторы емкостью в 22 пФ. Точно не прогадаете.

Также небольшая фишка на заметку: меняя значение конденсатора С1 можно настраивать частоту резонанса в очень тонких пределах.

Резистор R1 можно менять от 1 и до 20 МОм, а R2 от нуля и до 100 кОм. Тут тоже есть правило: чем меньше частота кварца, тем больше значение этих резисторов и наоборот.

Максимальная частота кварца, которую можно вставить в схему, зависит от быстродействия инвертора КМОП. Я взял микросхему 74HC04. Она не слишком быстродействующая. Состоит из шести инверторов, но использовать  мы будем только один инвертор.

Вот ее распиновка:

Подключив к этой схеме часовой кварц, осциллограф выдал вот такую осциллограмму:

Ну как всегда всю картинку испортили паразитные параметры монтажа. Но, обратите внимание на частоту. Осциллограф почти верно ее показал с небольшой погрешностью. Ну оно и понятно, так как главная функция осциллографа отображать сигнал, а не считать частоту)

Кстати, вам эта часть схемы ничего не напоминает?

Не эта ли часть схемы используется для тактирования микроконтроллеров?

Она самая! Просто недостающие элементы схемы уже есть в самом МК

Схема Колпитца

Это также довольно распространенная и знаменитая схема.

За основу взять схема усилителя с общим коллектором (эмиттерный повторитель). Здесь все как обычно. Резисторы R1 и R2 устанавливают рабочую точку для транзистора. Резистор R_E устанавливает уровень выходного напряжения. Транзистор NPN 2N4265 может работать на частотах до 100 МГц, поэтому его и взяли. Эта схема будет работать с кварцами в диапазоне от 1 и до 5 МГц.

Готовые модули кварцевых генераторов

В настоящее время кварцевые генераторы выпускают в виде законченных модулей. Некоторые фирмы, производящие такие генераторы,  достигают частотной стабильности  до 10^-11 от номинала! Выглядят готовые модули примерно так:

или так

Такие модули кварцевых генераторов в основном имеют 4 вывода.  Вот распиновка квадратного кварцевого генератора:

Давайте проверим один из них. На нем написано 1 МГц

Вот его вид сзади.

Подавая постоянное напряжение от 3,3 и до 5 Вольт плюсом на 8, а минусом на 4, с выхода 5  я получил чистый ровный красивый меандр с частотой, написанной на кварцевом генераторе, то бишь 1 Мегагерц, с очень небольшими выбросами.

Ну прям можно залюбоваться).

Да и китайский генератор-частотомер показал точную частоту.

Отсюда делаем вывод: лучше купить готовый кварцевый генератор, чем самому убивать кучу времени и нервов на наладку схемы Пирса или Колпитца. Схема Пирса будет пригодна для проверки резонаторов и для ваших различных самоделок, хотя на Алиэкспрессе встречал готовый проверяльщик кварцевых резонаторов, способный замерять частоту кварцев от 1 и до 50 МГц. Посмотреть можете по этой ссылке.

Плюсы кварцевых генераторов

Плюсы кварцевых генераторов частоты — это высокая частотная стабильность. В основном это 10^-5 — 10^-6 от номинала или, как часто говорят,  ppm (от англ. parts per million) — частей на миллион, то есть одна миллионная или числом 10^-6. Отклонение частоты  в ту или иную сторону в кварцевом генераторе в основном связано с изменением температуры окружающей среды, а также со старением кварца. При старении кварца, частота кварцевого генератора стает чуточку меньше с каждым годом примерно на 1,8х10^-7 от номинала. Если, скажем, я взял кварц с частотой в 10 Мегагерц ( 10 000 000 Герц) и поставил его в схему, то за год его частота уйдет примерно на 2 Герца в минус Думаю, вполне терпимо.

Большой выбор кварцевых резонаторов тут.

Смотрите подробное видео про кварцевый резонатор: