Как работает кварцевый резонатор. Кварцевый резонатор: принцип работы, устройство и применение в электронике

Как устроен кварцевый резонатор. Какой принцип лежит в основе его работы. Где применяются кварцевые резонаторы в современной электронике. Как проверить исправность кварцевого резонатора.

Что такое кварцевый резонатор и как он устроен

Кварцевый резонатор — это электронный компонент, в котором используется пьезоэлектрический эффект и явление механического резонанса для создания высокодобротного резонансного элемента. Основой резонатора является тонкая пластинка из кварца, к которой с двух сторон прикреплены металлические электроды. Пластинка закреплена в специальном держателе так, чтобы она могла свободно вибрировать.

Кварц для резонаторов — это разновидность кремнезема SiO2, обладающая пьезоэлектрическими свойствами. Используется только низкотемпературный кварц. Он химически очень устойчив и имеет высокую твердость (7 из 10 по шкале Мооса).

Принцип работы кварцевого резонатора

Принцип работы кварцевого резонатора основан на пьезоэлектрическом эффекте. При приложении переменного напряжения к электродам кварцевая пластина начинает деформироваться и вибрировать. Если частота напряжения совпадает с резонансной частотой пластины, возникает резонанс и амплитуда колебаний резко возрастает. При этом электрическое сопротивление резонатора уменьшается.

Фактически кварцевый резонатор представляет собой электромеханическую колебательную систему с очень высокой добротностью (105-107). Это позволяет получить очень стабильные по частоте колебания.

Эквивалентная схема и характеристики кварцевого резонатора

Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора включает:

• C0 — статическую емкость электродов и держателя
• L1 — индуктивность, отражающую механические свойства кварца
• C1 — емкость, отражающую упругость кварца
• R — активное сопротивление, отражающее потери энергии

Основные характеристики кварцевых резонаторов:

• Высокая добротность — 105-107
• Высокая температурная стабильность частоты
• Малые габариты
• Долговечность

Применение кварцевых резонаторов в электронике

Благодаря своим уникальным свойствам кварцевые резонаторы широко применяются в современной электронике:

• В качестве высокостабильных задающих генераторов
• Для задания тактовой частоты в процессорах и микроконтроллерах
• В кварцевых часах и других устройствах точного времени
• В радиопередающих устройствах для стабилизации частоты
• В измерительных приборах
• В фильтрах с высокой избирательностью

История создания и развития кварцевых генераторов

Первые кварцевые генераторы появились в 1920-х годах и использовались для точной генерации радиоволн. В 1970-х произошла революция в часовой индустрии — кварцевые генераторы стали применять в наручных часах. С тех пор они широко используются в электронных устройствах.

Важные вехи в истории кварцевых генераторов:

• 1918 год — Эдвин Колпитц изобрел генератор на катушке индуктивности и конденсаторе
• 1923 год — Джордж Пирс заменил катушку индуктивности на кварцевый кристалл
• 1970-е годы — Появление модульных кварцевых генераторов в компактных корпусах

Схемы кварцевых генераторов

Существует несколько основных схем кварцевых генераторов:

• Генератор Пирса — простейшая схема на инверторе и кварце
• Генератор Колпитца — схема с двумя конденсаторами, формирующими делитель напряжения
• Генератор Клаппа — модификация схемы Колпитца

Выбор конкретной схемы зависит от требуемых характеристик генератора и особенностей применения.

Устройство модульного кварцевого генератора

Современный модульный кварцевый генератор представляет собой микросборку, содержащую:

• Кварцевый резонатор (тонкий диск)
• Интегральную схему генератора
• Дискретные компоненты (конденсаторы, резисторы)
• Металлический корпус для защиты от помех

Интегральная схема генератора обычно содержит:

• Аналоговую часть для поддержания колебаний кварца
• Цифровую часть для деления частоты
• Встроенные конденсаторы большой емкости

Как проверить исправность кварцевого резонатора

Достоверно проверить кварцевый резонатор можно только заменой на заведомо исправный. Причинами выхода из строя могут быть:

• Сильный механический удар
• Падение устройства, в котором установлен резонатор
• Перегрев при пайке

К счастью, выход из строя кварцевых резонаторов происходит довольно редко. При подозрении на неисправность рекомендуется заменить резонатор на новый.

Кварцевые резонаторы, что это такое и где они применяются?

Смотрите также обзоры и статьи:

Кварцевые резонаторы, что это такое и где они применяются?

Наверняка каждый радиолюбитель слышал о таком радиокомпоненте, который называют «кварцем». Что же это за компонент? У многих «кварц» ассоциируется с минералом природного происхождения, но ведь никто не вставляет в устройство целый кварцевый кристалл. Так что же это а компонент, как он устроен и где применяется?

Что такое кварц и как он работает?

Кварц — жаргонное название радиокомпонента, который называется кварцевым резонатором. Основа такого радиокомпонента — кварцевая (или керамическая) пластина, на которой находится два электрода. Под действием тока пластина начинает деформироваться, порождая вибрации определенной частоты. Частота и тип вибрации зависит о типа кристалла (его размеров, формы, толщины), количества электродов, нанесенных на кристалл, а также напряжения и силы тока, которые на него поступают.

Кстати, кварцевые резонаторы способны генерировать противо-ЭДС, что делает их схожими с катушками индуктивности, которые работают в колебательном контуре. Если же частота колебаний подаваемого напряжения равна частоте механических колебаний резонатора, затраты энергии на поддержание работы резонатора значительно снизятся.

Применение кварцевых резонаторов

Если разобрать простые «кварцевые» часы, Вы наверняка найдете в них… кварцевый резонатор. Кварцевые резонаторы с частотой 32768 Гц установлены во всех кварцевых часах. Они выравнивают частоту колебательного контура, которая в свою очередь поступает на двоичный счетчик, а он передает импульсы шаговому двигателю.

Также кварцевые резонаторы являются составным компонентом генераторов тактовых импульсов, которые в свою очередь широко применяются в современной цифровой технике. Преимущества и недостатки перед аналогичными устройствами:

• Кварцы могут иметь очень маленький размер, вплоть до долей миллиметра. Это позволяет применять их даже в самых миниатюрных устройствах и современных гаджетах.
• Современные кварцевые резонаторы имеют невероятно большой срок службы.
• Также, кварцевые резонаторы имеют высокую температурную стабильность. Даже при высоком нагреве при работе устройства,     они будут нормально функционировать.
• С помощью кварцевых резонаторов можно строить эффективные и недорогие каскадные фильтры, которые совершенно не требуют ручной настройки.
• Технология изготовления кварцевых резонаторов весьма простая и эффективная. 

Помимо такого огромного набора преимуществ, у кварцевых резонаторов есть и недостатки. Точнее всего один:

• Весьма узкий диапазон подстройки частоты внешними устройствами. Для создания многодиапазонных систем приходиться собирать синтезаторы частоты различной степени сложности.

Типы кварцевых генераторов Кварцевые генераторы различаются по типу корпуса, а также по частоте, которую они способны выдавать. Основных типов корпуса не так много:

1. HC-49S — прямоугольные низкие кварцы.
2. HC-49U — прямоугольные, как и предыдущие, но более высокие.    
3. HC-49SM — могут иметь форму как и две предыдущие группы, но предназначены для поверхностного монтажа.
4. DIP — прямоугольный корпус с четырьмя выводами.
5. Цилиндры — просто цилиндрический корпус с двумя выводами. Такие кварцевые резонаторы могут иметь самый разный размер.

ПОДХОДЯЩИЕ ТОВАРЫ

Поделиться в соцсетях

Кварцевые генераторы: схема, принцип работы, резонатор

Основу кварцевых генераторов составляют кварцевые резонаторы.

 Кварцевый резонатор

— это пластинка кварца, закрепленная определенным образом в кварцедержателе и представляющая собой электромеханическую колебательную систему. Эти резонаторы относятся к пьезоэлектрическим элементам, принцип действия которых основан на использовании прямого и обратного пьезоэффекта.

 

Прямой пьезоэффект

Состоит в том, что механическая нагрузка на материал элемента вызывает появление электрического напряжения между соответствующими поверхностями элемента.

 Обратный пьезоэффект

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Состоит в том, что электрическое напряжение между соответствующими поверхностями элемента, создаваемое с помощью внешнего источника напряжения, вызывает появление механических напряжений, которые могут изменять форму и размеры элемента.

Кварцевые резонаторы изготавливают из природного и искусственного монокристаллического кварца. Из заготовки вырезают пластины, грани которых определенным образом ориентированы относительно кристаллографических осей монокристалла. В рабочем режиме на обкладках пластины имеется переменное напряжение, и имеют место механические колебания пластины. Используются колебания сжатия-растяжения, изгиба, кручения и другие.

При анализе схемы с кварцевым резонатором (рис. 2.69, а) его удобно заменять эквивалентной схемой, представленной на рис 2.69, б.

Необходимо отметить, что именно эта эквивалентная схема кварцевого резонатора используется в пакете программ «PSpice» для моделирования электронных схем. В эквивалентной схеме могут иметь место и параллельный, и последовательный резонанс. На практике используют оба вида резонанса.

На частоте последовательного резонанса ωk= 1/(Lk·Ck)^1/2резонатор имеет минимальное сопротивление Rk.Частота параллельного резонанса ω₀ ≈ 1/ [ Lk · Ck· C₀ / ( Ck+ C₀ ) ]1/2.

В диапазоне частот между ωk и ω₀ резонатор ведет себя как некоторая индуктивность.

Кварцевые резонаторы характеризуются высокой стабильностью и добротностью (Qk= 10⁴ − 10⁵). Использование кварцевых резонаторов позволяет снизить относительное изменение частоты генераторов до очень малых значений (10⁻⁶ − 10⁻⁹).

Приведем для примера упрощенную схему кварцевого генератора на основе операционного усилителя при использовании последовательного резонанса (рис. 2.70).

На частоте последовательного резонанса в схеме имеет место сильная положительная обратная связь, что и поддерживает автоколебания.

Кварцевый резонатор [База знаний]

Принцип работы и свойства кварцевого резонатора

Теория

КОМПОНЕНТЫ

ARDUINO

RASPBERRY

ИНТЕРФЕЙСЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

---

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.

 

---

Разбираем кварцевый генератор и его крохотную интегральную схему / Хабр

Кварцевый генератор – важный электронный компонент, обеспечивающий очень точную генерацию тактовой частоты за небольшие деньги. Из-за пьезоэлектрического эффекта его электрические свойства меняются в процессе вибрации. Поскольку можно сделать кристалл, который будет вибрировать с определённой частотой, кварцевые генераторы очень полезны для множества применений. Появились они в 1920-х, и сначала обеспечивали точную генерацию волн для радиостанций. В 1970-м году произошла революция наручных часов, когда в них стали использовать кварцевые генераторы высокой точности. Компьютеры, от ENIAC 1940-х годов и до сей поры используют кварцевые генераторы для генерации тактовой частоты.

В современных ПК всё ещё используются кварцевые генераторы, но для получения многогигагерцовых тактовых частот применяются более сложные технологии. ПК использует кристалл с частотой гораздо меньшей, чем рабочая, и умножает её при помощи фазовой автоподстройки частоты. Компьютеры часто используют кристалл на 14 318, поскольку эту частоту использовали в старых телевизорах, и такие кристаллы были недорогими и широко распространёнными.

Для того, чтобы кристалл вибрировал, его схеме требуются дополнительные компоненты. В 1970-х набрали популярность модульные кварцевые генераторы – в этих компактных и лёгких в использовании микросборках комбинировались сам кристалл, ИС и дискретные компоненты. Мне стало интересно, как работает один из таких модулей, поэтому я вскрыл один из них и провёл реверс-инжиниринг его чипа. В данном посте я расскажу, как он работает, и опишу крохотную КМОП-схему, им управляющую. Оказалось, что внутри модуля происходит больше интересного, чем можно было ожидать.

Модуль генератора

Я изучал модуль от карточки для IBM PC. Модуль находится в прямоугольном металлическом корпусе с 4-мя контактами, защищающем электронику от электрического шума (это Rasco Plus в прямоугольном корпусе справа на фото, а не квадратная ИС от IBM). Модуль генерирует сигнал в 4,7174 МГц, что следует из надписи на его корпусе.

Почему же карточка использует кристалл с такой необычной частотой — 4,7174 МГц? В 1970-х IBM 3270 был очень популярным терминалом с ЭЛТ. Терминалы соединялись коаксиальным кабелем и использовали протокол Interface Display System Standard, работавший с тактовой частотой в 2,3587 МГц. В конце 1980-х IBM производила интерфейсные карточки для подсоединения IBM PC к сети 3270. Мой кристалл как раз с одной из таких карточек (тип 56X4927), и частота кристалла равняется 4,7174 МГц – ровно в два раза больше, чем 2,3587 МГц.

Модуль кварцевого генератора находится справа внизу. Надпись на корпусе: Rasco Plus. 4.7174 MHZ, Motorola 1987. Квадратный модуль слева – это ИС от IBM.

Я вскрыл корпус модуля, чтобы посмотреть на его гибридную схему. Я ожидал увидеть там кварцевый кристалл, напоминающий драгоценный камень в шкатулке, однако обнаружил, что кварцевые генераторы используют очень тонкий кварцевый диск. Я повредил его при вскрытии, поэтому у него не хватает кусочка справа вверху. Он виден в левой части фото – с двух сторон к нему подходят металлические электроды. Те, в свою очередь, соединяются с небольшими штырьками, на которых кристалл поднят над поверхностью корпуса, чтобы он мог свободно вибрировать.

Внутри корпуса кварцевого генератора – компоненты, закреплённые на керамической подложке. Они подсоединяются к схеме крохотной золотой проволочной разваркой. Конденсатор на 3 нФ и плёночный резистор на 10 Ом, расположенные на подложке методом поверхностного монтажа, отфильтровывают шум, поступающий от контакта питания.

Схема работы ИС

На фото ниже показан крохотный кристалл ИС под микроскопом. Размечены контактные площадки и основные функциональные блоки. Зелёно-коричневые участки – это кремний, формирующий ИС. Жёлтоватый металлический слой соединяет компоненты с ИС. Под металлом находится красноватый слой поликремния, где формируются транзисторы – но он практически полностью закрыт металлическим слоем. По краям чипа расположена проволочная разварка, подсоединённая к контактным площадкам, соединяющим чип с остальными частями модуля. Две площадки (select и disable) не подсоединены. Чип произведён компанией Motorola в 1986. По артикулу SC380003 информации я не нашёл.

Кристалл ИС с разметкой основных блоков. «FF» обозначает триггеры. «sel» – контактные площадки [select pads]. «cap» – площадки, подсоединённые к внутренним конденсаторам.

У ИС есть две задачи. Во-первых, её аналоговые компоненты заставляют кристалл колебаться. Во-вторых, её цифровые компоненты делят частоту на 1, 2, 4 или 8, и выдают сигнал тактовой частоты с большим током (делитель задаётся двумя контактами выбора на ИС).

Кварцевый генератор реализован по приведённой ниже схеме, которая называется «генератор Колпитца». Она сложнее обычной схемы кварцевого генератора. Суть в том, что кристалл и два конденсатора колеблются с заданной частотой. Однако колебания быстро затухли бы, если бы не поддерживающая обратная связь с поддерживающего транзистора.

Типичный кварцевый генератор строится по простой схеме под названием «генератор Пирса», в которой из кристалла и инвертера формируется цепь обратной связи. Два заземлённых конденсатора в середине делают её очень похожей на классический генератор Колпитца.

Не уверен, по какой причине разобранный мною кварцевый генератор использует более сложную схему, которая требует хитрого смещения напряжения.

В 1918 году Эдвин Колпитц, главный исследователь в компании Western Electric, изобрёл кварцевый генератор на катушке индуктивности и конденсаторе. Сегодня эта схема известна, как генератор Колпитца. Идея в том, что катушка индуктивности с конденсатором формируют «резонансный резервуар», колеблющийся с частотой, зависящей от характеристик компонентов. Можно представлять, что электричество в этом резервуаре как бы плещется туда и сюда между катушкой индуктивности и конденсаторами. Сами по себе колебания быстро затухли бы, поэтому для их подпитки используется усилитель. В оригинальном генераторе Колпитца усилителем была электронная лампа. Позднее схемы перешли на транзисторы, но этот усилитель может быть операционным или другого типа. В других схемах конец заземляется, чтобы в середине шла обратная связь. Тогда конденсаторы ничего не инвертируют, поэтому используется не инвертирующий усилитель.

Упрощённая схема генератора Колпитца с базовыми компонентами.

Ключевая особенность генератора Колпитца заключается в двух конденсаторах, формирующих делитель напряжения. Поскольку они в середине заземлены, на двух концах у них будет напряжение противоположных значений: когда одно повышается, второе понижается. Усилитель берёт сигнал с одного конца, усиливает его, и подаёт на другой. Усилитель инвертирует сигнал, а конденсаторы дают второе инвертирование, так, что обратная связь усиливает оригинальный сигнал (обеспечивая фазовый сдвиг на 360°).

В 1923 году Джордж Вашингтон Пирс, профессор физики в Гарварде, заменил катушку индуктивности в генераторе Колпитца на кристалл. Благодаря этому генератор стал более точным, и его стали широко использовать в радиопередатчиках и других устройствах. Пирс запатентовал своё изобретение и заработал приличные деньги на таких компаниях, как RCA и AT&T. Наличие патентов привело к многолетним судебным тяжбам, дошедшим в итоге до Верховного суда.

Несколько десятилетий генератор Пирса было принято называть генератором Колпитца с кристаллом. В генераторе Пирса часто отсутствовали характерные конденсаторы, вместо которых использовалось паразитная ёмкость электронной лампы. Терминология постепенно менялась, и два разных типа кварцевых генератора начали называть генератором Колпитца (с конденсаторами) и генератором Пирса (без них).

Ещё одно изменение терминологии произошло в связи с тем, что генератор Колпитца, генератор Пирса и генератор Клаппа были топологически идентичными кварцевыми генераторами, отличавшимися только в том, какая часть схемы считалась землёй (коллектор, эмиттер или база соответственно). Все эти генераторы можно называть генераторами Колпитца, только с общим коллектором, общим эмиттером или общей базой.

Этот экскурс в историю я сделал с тем, чтобы показать, что в различных источниках эти генераторы называют по-разному, генераторами Колпитца или Пирса, причём противоречивым образом. Тот генератор, что изучал я, можно назвать генератором Колпитца с общим стоком (по аналогии с общим коллектором). Также его можно назвать генератором Колпитца на основании расположения заземления. Но исторически его можно назвать генератором Пирса, поскольку он использует кристалл. Также он называется кварцевым генератором с одним контактом, поскольку только один контакт кристалла подсоединён к внешней схеме (другой заземлён).

Упрощённая схема генератора

Увеличение напряжения на кристалле включает транзистор, ток идёт в конденсаторы, увеличивая напряжение на них (и на кристалле). Уменьшение напряжения на кристалле выключает транзистор, сток тока (кружок со стрелкой) вытягивает ток из конденсаторов, уменьшая напряжение на кристалле. Таким образом, обратная связь с транзистора усиливает колебания кристалла, поддерживая их.

Цепи напряжения смещения и тока являются важной частью этой схемы. Напряжение смещения устанавливает вентиль транзистора где-то посередине между включённым и выключенным состоянием, поэтому колебания напряжения на кристалле включают его и выключают. Ток смещения находится посередине между значениями токов включённого и выключенного транзистора, поэтому ток, приходящий и уходящий из конденсаторов, сбалансирован (я упрощаю, говоря о включённых и выключенных состояниях – в реальности сигнал будет иметь синусоидальную форму).

Цепи напряжения смещения и тока – это умеренно сложные аналоговые схемы, состоящие из кучки транзисторов и нескольких резисторов. Подробно описывать их не буду, скажу лишь, что они используют цепи обратной связи для генерации нужных фиксированных значений напряжения и тока.

Значительную часть ИС занимают пять конденсаторов. На схеме один расположен сверху, три идут параллельно, формируя нижний конденсатор на схеме, а один стабилизирует цепь напряжения смещения. На фото кристалла ниже показан один из конденсаторов после растворения верхнего металлического слоя. Красные и зелёные участки – это поликремний, формирующий верхнюю пластину конденсатора вместе с металлическим слоем. Расположенный под поликремнием розоватый участок – вероятно, нитрид кремния, формирующий диэлектрический слой. Кремний с добавками, которого на фото не видно, формирует нижнюю пластину конденсатора.

Конденсатор на кристалле. Большой бледный квадрат слева – площадка для подсоединения проволочной разварки к ИС. Сложные структуры слева – фиксирующие диоды контактов. Похожие на клевер структуры справа – это транзисторы.

Интересно, что конденсаторы на чипе не соединяются вместе. Они подсоединены к трём площадкам, связанным между собой проволочной разваркой. Возможно, это придаёт схеме гибкость – ёмкость цепи можно изменить, удалив проводник, ведущий к конденсатору.

Цифровая схема

С правой части чипа находится цифровая схема делителя выходной частоты кристалла на 1, 2, 4 или 8. Благодаря ей один и тот же кристалл может выдавать четыре частоты. Делитель составлен из трёх триггеров, подключённых последовательно. Каждый делит входящий импульс пополам. Мультиплексор 4 к 1 выбирает между оригинальной частотой импульсов или выходом с одного из триггеров. Выбор осуществляется при помощи проводников, подходящих к двум площадкам для выбора с правой части кристалла. Итоговая частота фиксируется на этапе производства. Для декодирования контактов и генерации четырёх управляющих сигналов мультиплексору и триггерам используются четыре вентиля NAND вместе с инверторами.

Реализация логики КМОП

Кип построен на логике КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник). Она использует совместно работающие транзисторы двух типов, N-МОП и P-МОП. На диаграмме ниже показано устройство N-МОП транзистора. Транзистор можно считать переключателем между истоком и стоком, который контролирует вентиль. Исток и сток (зелёные) состоят из участков кремния с добавками, меняющими его полупроводниковые свойства – из N+ кремния. Вентиль сделан из особого кремния, поликремния, отделённого от кремниевой подложки очень тонким изолирующим слоем оксидным слоем. N-МОП транзистор включается, когда вентиль подтягивается вверх.

Структура N-МОП транзистора. Структура P-МОП транзистора похожа, однако участки кремния N- и P-типа меняются местами.

Строение P-МОП транзистора противоположно N-МОП: исток и сток состоят из P+ кремния, включённого в N кремний. Работает он тоже противоположно N-МОП транзистору: включается, когда вентиль подтягивается вниз. Обычно P-МОП транзисторы подтягивают сток вверх, а N-МОП – вниз. В КМОП транзисторы работают, дополняя друг друга, подтягивая выходной сигнал вверх или вниз по необходимости.

На диаграмме ниже показано, как в КМОП реализован вентиль NAND. Если на вход подать 0, соответствующий P-МОП транзистор (вверху) включится и притянет выход вверх. Если на оба входа подать 1, N-МОП транзистор (внизу) включится и подтянет выход вниз. Таким образом схема реализует функцию NAND.

На диаграмме ниже показано, как NAND-вентиль выглядит на кристалле. В отличие от изображений в учебниках, у реальных транзисторов бывает сложная, извилистая форма. С левой стороны находятся P-МОП транзистор, а с правой – N-МОП. Красноватые дорожки над кремнием – это поликремний, формирующий вентили. Большая часть кремния в подложке благодаря добавкам проводит ток, и выглядит чуть темнее непроводящего кремния без добавок с левого и правого краёв, а также в центре. Для изготовления этого фото металлический слой был вытравлен. Жёлтые линии обозначают места, где раньше были металлические проводники. Кружочки — это связи металлического слоя с нижними слоями, кремния или поликремния.

Как NAND-вентиль выглядит на кристалле

Транзистор на фото можно сопоставить со схемой NAND-вентиля. Посмотрите на сформированные поликремнием вентили транзистора, и на то, что они разделяют. От участка +5 есть дорожка к выходу через длинный P-МОП транзистор слева. Второй путь идёт через небольшой P-МОП транзистор в центре – это показывает, что транзисторы подключены параллельно. Каждый вентиль контролирует один из входов. Слева дорожка от земли к выходу должна пойти через оба концентрических N-МОП транзистора – они подключены последовательно.

В этой ИС также используется много транзисторов с кольцевыми вентилями. Эта необычная техника расположения элементов позволяет с большой плотностью разместить множество параллельных транзисторов. На фото ниже показано 16 транзисторов с кольцевыми вентилями. Похожие на клевер узоры медного цвета – это сток транзисторов, а снаружи находится исток. Металлический слой (тут он удалён) объединяет соответственно все истоки, вентили и стоки. Параллельные транзисторы работают как один большой. Параллельные транзисторы используются для подачи больших токов на выход. В схеме смещения вместе соединяются различное количество транзисторов (6, 16 или 40), чтобы получать нужное соотношение токов.

Передаточный вентиль

Ещё одна ключевая схема чипа – это передаточный вентиль. Он работает как переключатель, через который сигнал либо проходит, либо нет. На схеме ниже показано, как передаточный вентиль делается из двух транзисторов, N-МОП транзистора и P-МОП транзистора. Если по линии enable подаётся большое напряжение, включаются оба транзистора, и входной сигнал проходит на выход. Если напряжение низкое, они выключаются, блокируя сигнал. Справа показано условное обозначение передаточного вентиля на схемах.

Мультиплексор

Мультиплексор используется для выбора одного из четырёх тактовых сигналов. На диаграмме ниже показано, как мультиплексор реализован на основе передаточных вентилей. Мультиплексор принимает на вход четыре сигнала: A, B, C и D. Один из входов выбирается через активацию соответствующей линии выбора и её дополнения. Этот вход связывается через передаточный вентиль с выходом, а другие входы блокируются. Хотя мультиплексор можно построить и на стандартных логических вентилях, его реализация на передаточных вентилях получается эффективнее.

Мультиплексор 4 к 1 на основе передаточных вентилей

На схеме ниже показаны транзисторы, из которых состоит мультиплексор. Ко входам B и С подключено по паре транзисторов. Думаю, это сделано потому, что у пары транзисторов сопротивление получается половинным. Поскольку входы В и С предназначены для высокочастотных сигналов, пара транзистора позволяет уменьшить задержки и искажения.

На фото ниже показано, как мультиплексор реализован на кристалле физически. Лучше всего видно поликремниевые вентили. Металлический слой удалён. Металлические проводники шли вертикально, соединяя соответствующие сегменты транзисторов. Истоки и стоки соседних транзисторов объединены в единые участки, расположенные между вентилями. В верхнем прямоугольнике находятся N-МОП транзисторы, а в нижнем – P-МОП. Поскольку P-МОП транзисторы менее эффективны, нижний прямоугольник должен быть больше.

Триггер

На чипе есть три триггера, делящие тактовую частоту. Кварцевый генератор использует переключаемые триггеры, которые переключаются между 0 и 1 каждый раз, когда получают входящий импульс. Поскольку два входящих импульса дают один исходящий (0→1→0), триггер делит частоту пополам.

Триггер состоит из передаточных вентилей, инверторов и NAND-вентиля – см. схему ниже. Когда входящий тактовый сигнал равен 1, выход проходит через инвертор и первый передаточный вентиль в точку А. Когда входящий сигнал переключается на 0, открывается первый передаточный вентиль, и в точке А остаётся предыдущее значение. Тем временем закрывается второй передаточный вентиль, поэтому сигнал проходит через второй инвертор и передаточный вентиль в точку В. NAND-вентиль снова его инвертирует, в результате чего значение выхода меняется на противоположное. Второй цикл входящего сигнала тактовой частоты повторяет этот процесс, благодаря чему выход возвращается к изначальному значению. В итоге два цикла входящих сигналов дают один цикл выходящего сигнала, так что триггер делит частоту на 2.

У каждого триггера есть разрешающий вход. Если триггер для выбранного выхода не нужен, он отключается. К примеру, если выбирается режим деления на 2, используется только первый триггер, а два другие отключаются. Полагаю, это делается для уменьшения энергопотребления. Это не зависит от контакта отключения на модуле, который полностью блокирует выходящий сигнал. Это отключаемое свойство опционально; в данном модуле такой функции нет, а контакт отключения не подключен к ИС.

На схеме выше инвертеры и передаточные вентили показаны в виде отдельных структур. Однако в триггере используется интересная структура вентилей, комбинирующая инвертер и передаточный вентиль (слева) в единый вентиль (справа). Пара транзисторов, подключенных к data in, работают как инвертер. Однако если сигнал тактовой частоты нулевой, питание и земля блокируются, и вентиль не влияет на выход, сохраняя предыдущее напряжение. Так работает передаточный вентиль.

Комбинированные инвертер и передаточный вентиль

На фото ниже показано, как один из таких вентилей выполнен на кристалле. На фото видно металлический слой сверху. Под ним видно красноватые вентили из поликремния. Слева расположены два P-МОП транзистора в виде концентрических кругов. Справа находятся N-МОП транзисторы.

Заключение

Хотя модуль кварцевого генератора снаружи кажется простым, внутри него больше компонентов, чем можно было бы ожидать. Там находится не только кристалл кварца, но и дискретные компоненты, и крохотная ИС. В ИС скомбинированы конденсаторы, аналоговые цепи, обеспечивающие колебания, и цифровые цепи для выбора частоты. Можно выбрать одну из четырёх частот, изменяя проводку ИС на этапе производства.

Больше информации по кварцевым генераторам можно найти на сайтах EEVblog, electronupdate и WizardTim. Про генератор Колпитца можно посмотреть на Hackaday.

Закончу фотографией чипа после удаления слоёв металла и оксида, чтобы было видно кремний и поликремний. Больше всего выделяются крупные розоватые конденсаторы, однако можно рассмотреть и транзисторы.

Кликабельно

Генератор Клаппа на основе кварцевого резонатора

В рамках заметки Паяем генератор Клаппа с частотой 11 МГц мы познакомились с генератором на основе LC-контура. В целом, такие генераторы работают, однако не отличаются устойчивостью по частоте. Поэтому сегодня мы рассмотрим аналогичный генератор, но использующий кварц вместо LC-контура.

Схема была найдена в первом томе книги Hands-On Radio Experiments за авторством Ward Silver, NØAX. В книге она приведена с кое-какими неоднозначностями, поэтому была перерисована в KiCad.

Вот что получилось в итоге:

Обратите внимание, что сигнал снимается с базы транзистора и соединение между базой (2) и коллектором (3) отсутствует. Транзистор рекомендуется 2N3904, но если его нет, должен сойти и похожий по характеристикам. Все резисторы — 0.25 Вт 1%, все конденсаторы — NP0, 5%. Кварцевый резонатор должен быть той частоты, какой вы хотите получить сигнал. У меня завалялся лишний резонатор на 6 МГц, его я и использовал.

Fun fact! Вместо конкретного кварца можно впаять гнезда с шагом 2.54 мм. Тогда вместо генератора получится тестер кварцевых резонаторов.

Схема была собрана на односторонней плате для прототипирования с использованием выводных компонентов:

Напомню, что соединения в подобных схемах должны быть как можно короче. Если не лень заморочиться, лучше использовать SMD компоненты. Напомню также, что если вы хотите сделать такую схему на макетке, берите резонатор на 1-2 МГц. Из-за паразитных эффектов генератор на большую частоту вряд ли заведется на макетке.

Осциллограф показал мне следующее:

Если добавить буфер, как это было описано в прошлой статье, сигнал будет выглядеть красивее. При этом генератор будет выдавать в нагрузку 50 Ом около -16 dBm на своей основной частоте. Заинтересованным читателям предлагается доработать схему соответствующим образом в качестве упражнения.

Плывет ли генератор, можно проверить с помощью анализатора спектра, установив Span в 1 кГц, RBW — в 10 Гц, и воспользовавшись функцией Max Hold. За неимением анализатора спектра можно воспользоваться RTL-SDR. Генератор стоит на своей частоте, словно его прибили гвоздями. Если нагреть его зажигалкой или охладить при помощи баллона со сжатым газом, то частота уплывает не более, чем на ±110 Гц. Для сравнения, частота сделанного нами в прошлый раз LC-генератора изменяется в пределах ±15 кГц просто при комнатной температуре.

Если вам хочется узнать больше о кварцевых резонаторах, могу порекомендовать видео «Frequency Generation: Crystals and Ring Oscillators» (части один, два, три и четыре) на YouTube-канале The Signal Path. А у меня на этом все.

Дополнение: Вас также могут заинтересовать статьи Кварцевый генератор на логическом инверторе 74HC04 и Генератор переменной частоты Super VXO.

Метки: Электроника.

Стабилизация частоты микроконтроллера кварцевым резонатором

Чем стабильнее работает МК, тем лучше. Эта аксиома в первую очередь относится к тактовой частоте задающего генератора. Обеспечить её высокую стабильность могут кварцевые резонаторы, подключаемые к выводам ХТ1 (вход) и ХТ2 (выход) подсистемы синхронизации МК.

Немного истории. В 1880 г. французскими учёными братьями Пьером и Жаком Кюри было открыто новое физическое явление — пьезоэлектричество. В 1921 г. профессор Веслейского университета У. Кэди подключил кварцевую пластину к радиогенератору, что обеспечило заметную стабилизацию излучаемой частоты. Радиолюбители сразу же применили эту новинку в самодельных коротковолновых радиопередатчиках середины 1920-х годов.

К настоящему времени существование пьезоэлектрического эффекта обнаружено более чем у 1000 веществ. Вначале использовались кристаллы турмалина и сегнетовой соли. Позже стали применяться кристаллы природного кварца Si02 различной окраски: горный хрусталь (бесцветный), раухтопаз (дымчатый), морион (чёрный), цитрин (золотисто-жёлтый), аметист (сиреневый).

В 1950-х годах была успешно решена проблема выращивания монокристаллов искусственного кварца, который не только не уступает, но и по ряду показателей даже превосходит свой природный аналог.

Диапазон частот современных кварцевых резонаторов составляет от 32768 Гц до 300…400 МГц. Среди них условно выделяют низкочастотные (до 1 МГц), сред-нечастотные (1…30 МГц) и высокочастотные (свыше 30 МГц) резонаторы.

На Рис. 5.1 показана эквивалентная схема кварцевого резонатора. Элементы L1, С1, R1 относятся к ветви последовательного контура. Физически они не существуют, но являются аналогами механических характеристик: массы (L1), упругих свойств (С1), потерь энергии (R1). Последний параметр определяет добротность колебательной системы.

Рис. 5.2. Схемы пьезостабилизированных генераторов: а) генератор с параллельным резонансом; б) генератор с последовательным резонансом.

Статическая ёмкость кварцедержателя СО параллельно с элементами L1, С1, образует ещё один контур, параллельный. Итого на частотной оси размещаются две базовые точки — последовательного и параллельного резонансов. В первой точке кварцевый резонатор имеет минимальное сопротивление, во второй — максимальное, между ними он ведёт себя подобно высокодобротной индуктивности.

Существование двух «седловых» частот у кварцевых резонаторов позволяет разделить схемы их включения на два типа:

• генераторы с параллельным резонансом или осцилляторные генераторы (Рис. 5.2, а), у которых условие баланса фаз обеспечивается индуктивной составляющей. Колебательная система, состоящая из индуктивности (схема замещения резонатора ZQ1) и последовательно соединённых конденсаторов С1, С2, на рабочей частоте подобна параллельному контуру (отсюда и название). Усилитель А1 должен изменять, точнее, инвертировать, фазу сигнала на нечётное число полупериодов: 180°, 540°, 900° и т.д.;

• генераторы с последовательным резонансом или фильтровые генераторы (Рис. 5.2, б), в которых резонатор ZQ1 работает вблизи минимума своего сопротивления при малом сдвиге фазы между напряжением и током. Последовательный резонанс обеспечивает узкую полосу пропускания, в связи с чем отфильтровываются гармоники (отсюда и название). Усилитель A J должен изменять фазу сигнала на чётное число полупериодов: 360°, 720°, 1080° и т.д.

При покупке кварцевого резонатора (на сленге «кварца») следует проверить его внешний вид на «фирменность», а именно, убедиться в наличие легко читаемой и не стираемой пальцами лазерной маркировки с обозначением частоты, знака изготовителя, даты производства, рекомендуемой ёмкости нагрузки. Последний параметр важен, если требуется обеспечить устойчивость запуска строго на штатной частоте в условиях разброса питания и температуры окружающей среды.

Для бытовых схем с МК, как правило, применяют недорогие низко- и средне-частотные кварцевые резонаторы без претензий на высокую стабильность параметров и точность настройки. Основным является режим генерации с параллельным резонансом (Рис. 5.3, а…и). Ещё бывают схемы с электронной подстройкой частоты (Рис. 5.4, а…в), а также с несколькими резонаторами (Рис. 5.5, а…г).

Рис. 5.3. Схемы подключения кварцевых резонаторов к МК (начало):

а) необходимость в резисторах R1, R2 определяется экспериментально по устойчивости запуска МК во всём диапазоне рабочих температур и напряжений питания. Реально в схемах ставится один из двух резисторов или оба заменяются перемычками. Конденсаторы С1, С2 могут отсутствовать, что определяется указаниями из даташита для выводов ХТ1, ХТ2 или RTC1, RTC2;

б) отсутствие конденсаторов «обвязки» возле низкочастотного кварцевого резонатора ZQ1 является штатным режимом работы при условии, что конденсаторы находятся внутри МК и подключаются к выводам ХТ1, ХТ2 установкой определённых конфигурационных битов. Высокочастотные кварцевые резонаторы тоже могут подключаться к МК напрямую, но устойчивость запуска не гарантируется, надо проверять на практике;

в) цепочка СЗ, L1 шунтирует вывод ХТ2 на низких частотах, предотвращая запуск кварцевого резонатора ZQ1 на первой гармонике. Эта схема эффективна для кварцевых резонаторов, работающих на третьей и пятой механических гармониках. Элементы СЗ, L1 могут подключаться не только к выводу ХТ2, но и к выводу ХТ1;

г) кварцевый резонатор ZQ1 включается по стандартной схеме между выводами ХТ1 и ХТ2 МК. Конденсатор С1 подстраивает в небольших пределах частоту генерации. Рекомендуемые ёмкости конденсаторов указываются в даташитах, но реально они могут быть другими и не обязательно одинаковыми. Общий принцип — чем выше частота, тем меньше ёмкость. Один из двух параллельно включённых конденсаторов С1 и С2 может отсутствовать;

д) конденсатором СЗ подстраивают частоту генерации в небольших пределах. Резисторы R1, R2 облегчают условия автозапуска при крайних значениях температуры и напряжения питания. Резистор R2 может отсутствовать, а конденсатор СЗ и резистор R1 допускается заменить перемычками:

Рис. 5.3. Схемы подключения кварцевых резонаторов к МК (окончание):

е) резистор R1 по высокой частоте шунтирует вход ХТ1 генератора МК, что может улучшить условия самовозбуждения при низком напряжении питания;

ж) общая точка соединения конденсаторов С1, С2 подключается не к общему проводу, а к питанию. Это может понадобиться, например, если «плюс» питания соединяется с «массой», или таким путём удобнее делать разводку проводников на печатной плате;

з) запуск кварцевого резонатора ZQ1 на третьей гармонике (24 МГц). Требуется предварительное макетирование с подбором элементов L1, С1, R1

и) схема применяется, если один из выводов кварцевого резонатора ZQ1 обязательно должен иметь соединение с общим проводом. Требуется предварительное макетирование с подбором ёмкостей конденсаторов.

 

Рис. 5.4. Схемы с электронной подстройкой частоты кварцевого резонатора:

а) параллельно конденсатору СЗ подключается цепочка, состоящая из конденсатора С2 и двух варикапов VDI, VD2. Резистором RI изменяется напряжение на варикапах (их ёмкость), вследствие чего подстраивается в небольших пределах частота генерации;

б) транзистор VTJ используется как варикап с изменяемой ёмкостью. Частота генерации регулируется резистором R1. Вновь испечённый «транзисторный варикап» по высокой частоте подключается параллельно конденсатору СЗ с учётом последовательного конденсатора С2;

в) частота задающего кварцевого генератора МК модулируется управляющим напряжением с частотой /^од- Ёмкость высокочастотного варикапа VD1 изменяется в пределах от 20 до 40 пФ при напряжении модулирующего сигнала соответственно от +5 до +0.5 В.

Рис. 5.5. Схемы подключения нескольких кварцевых резонаторов к МК (начало):

а) переключение двух тактовых частот F1 (32768 Гц) и F2 (1 МГц) осуществляется по сигналу от МК. Когда электронный ключ микросхемы DA J разомкнут, то М К работает на частоте F1  когда замкнут — на частоте F2. Резистор R2 может отсутствовать. Вывод 7 микросхемы DA1 соединяется с общим проводом, а вывод 14 — с цепью +5 В. На время переключения частоты должна быть сделана программная пауза. Не лишним будет предусмотреть рестарт МК;

б) параллельное включение нескольких низкодобротных кварцевых резонаторов ZQl…ZQn расширяет диапазон регулирования частоты. Конденсатором С J можно плавно перестраивать тактовую частоту 20 МГц на 120 кГц при сохранении «кварцевой» стабильности генерации. Это очень хороший показатель для схем подобного класса. Резистор RI сопротивлением 4.7…20 кОм уменьшает неравномерность амплитуды. Конденсатор СЗ и катушка L1 задают диапазон перекрытия по частоте. Кварцевые резонаторы должны быть одного типа и одной номинальной частоты. Оптимальное их количество подбирается экспериментально, обычно 4 или 5;

 

Рис. 5.5. Схемы подключения нескольких кварцевых резонаторов к МК (окончание):

в) движковый переключатель S1 коммутирует тактовый сигнал М К от кварцевого генератора G1 или от кварцевого резонатора ZQ1. После переключения необходимо произвести сброс МК;

г) смена частоты генерации осуществляется механическим переключателем SA У, который должен иметь малую переходную ёмкость между своими контактами (единицы пикофарад). После изменения частоты необходимо сделать начальный сброс МК.

Источник: Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема.

Как проверить генерацию на кварце. Что такое кварцевый резонатор и как он работает? Проверка кварцевых резонаторов

Колебаниям уделяется одна из самых важных ролей в современном мире. Так, даже существует так называемая теория струн, которая утверждает, что всё вокруг нас — это просто волны. Но есть и другие варианты использования данных знаний, и одна из них — это кварцевый резонатор. Так уж бывает, что любая техника периодически выходит из строя, и они тут не исключение. Как убедиться, что после негативного инцидента она всё ещё работает как надо?

О кварцевом резонаторе замолвим слово

Кварцевым резонатором называют аналог колебательного контура, базирующегося на индуктивности и ёмкости. Но между ними есть разница в пользу первого. Как известно, для характеристики колебательного контура используют понятие добротности. В резонаторе на основе кварцев она достигает очень высоких значений — в границах 10 5 -10 7 . К тому же он более эффективен для всей схемы при изменении температуры, что сказывается на большем сроке службы таких деталей, как конденсаторы. Обозначение кварцевых резонаторов на схеме осуществляется в виде вертикально расположенного прямоугольника, который с обеих сторон «зажат» пластинами. Внешне на чертежах они напоминают гибрид конденсатора и резистора.

Как работает кварцевый резонатор?

Из кристалла кварца вырезается пластинка, кольцо или брусок. На него наносится как минимум два электрода, которые являются проводящими полосками. Пластинка закрепляется и имеет свою собственную резонансную частоту механических колебаний. Когда на электроды подаётся напряжения, то из-за пьезоэлектрического эффекта происходит сжатие, сдвиг или изгибание (зависимо от того, как вырезался кварц). Колеблющийся кристалл в таких случаях делает работу подобно катушке индуктивности. Если частота напряжения, что подаётся, равна или очень близка к собственным значениям, то требуется меньшее количество энергии при значительных отличиях для поддержания функционирования. Теперь можно переходить к освещению главной проблемы, из-за чего, собственно, и пишется эта статья про кварцевый резонатор. Как проверить его работоспособность? Было отобрано 3 способа, о которых и будет рассказано.

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.

Способ № 2

Для увеличения точности можно к выходу генератора подключить частотомер или осциллограф. Тогда можно будет рассчитать искомый показатель, используя фигуры Лиссажу. Но имейте в виду, что в таких случаях кварц возбуждается, причем как на гармониках, так и на основной частоте, что, в свою очередь, может дать значительное отклонение. Посмотрите на приведённые схемы (эту и предыдущую). Как видите, существуют разные способы искать частоту, и тут придётся экспериментировать. Главное — соблюдайте технику безопасности.

Проверка сразу двух кварцевых резонаторов

Данная схема позволит определить, работоспособны ли два кварцевых резистора, которые функционируют в рамках от одного до десяти МГц. Также благодаря ей можно узнать сигналы толчков, которые идут между частотами. Поэтому вы сможете не только определить работоспособность, но и подобрать кварцевые резисторы, которые наиболее подходят друг другу по своим показателям. Схема реализована с двумя задающими генераторами. Первый из них работает с кварцевым резонатором ZQ1 и реализован на транзисторе КТ315Б. Чтобы проверить работоспособность, напряжение на выходе должно быть больше 1,2 В, и следует нажать на кнопку SB1. Указанный показатель соответствует сигналу высокого уровня и логической единице. Зависимо от кварцевого резонатора может быть увеличено необходимое значение для проверки (можно напряжение каждую проверку повышать на 0,1А-0,2В к рекомендованному в официальной инструкции по использованию механизма). При этом выход DD1.2 будет иметь 1, а DD1.3 — 0. Также, сообщая о работе кварцевого генератора, будет гореть светодиод HL1. Второй механизм работает аналогично, и о нём будет сообщать HL2. Если их запустить одновременно, то ещё будет гореть светодиод HL4.

Когда сравниваются частоты двух генераторов, то их выходные сигналы с DD1.2 и DD1.5 направляются на DD2.1 DD2.2. На выходах вторых инверторов схема получает сигнал с широтно-импульсной модуляцией, чтобы затем сравнить показатели. Увидеть визуально это можно с помощью мигания светодиода HL4. Для улучшения точности добавляют частотомер или осциллограф. Если реальные показатели отличаются на килогерцы, то для определения более высокочастотного кварца нажмите на кнопку SB2. Тогда первый резонатор уменьшит свои значения, и тон биений световых сигналов будет меньше. Тогда можно уверенно сказать, что ZQ1 более высокочастотный, нежели ZQ2.

Особенности проверок

При проверке всегда:

1. Прочитайте инструкцию, которую имеет кварцевый резонатор;
2. Придерживайтесь техники безопасности.

Возможные причины выхода из строя

Существует довольно много способов вывести свой кварцевый резонатор из строя. С некоторыми самыми популярными стоит ознакомиться, чтобы в будущем избежать каких-то проблем:

1. Падения с высоты. Самая популярная причина. Помните: всегда необходимо содержать рабочее место в полном порядке и следить за своими действиями.
2. Присутствие постоянного напряжения. В целом кварцевые резонаторы не боятся его. Но прецеденты были. Для проверки работоспособности включите последовательно конденсатор на 1000 мФ — этот шаг возвратит его в строй или позволит избежать негативных последствий.
3. Слишком большая амплитуда сигнала. Решить данную проблему можно разными способами:

• Увести частоту генерации немного в сторону, чтобы она отличалась от основного показателя механического резонанса кварца. Это более сложный вариант.
• Понизить количество Вольт, что питают сам генератор. Это более лёгкий вариант.
• Проверить, вышел ли кварцевый резонатор действительно из строя. Так, причиной падения активности может быть флюс или посторонние частицы (необходимо в таком случае его качественно очистить). Также может быть, что слишком активно эксплуатировалась изоляция, и она потеряла свои свойства. Для контрольной проверки по этому пункту можно на КТ315 спаять «трехточку» и проверить осцом (одновременно можно сравнить активность).

Заключение

В статье было рассмотрено, как проверить работоспособность таких элементов электрических схем, как частота кварцевого резонатора, а также их свойство. Были обговорены способы установления необходимой информации, а также возможные причины, почему они выходят из строя во время эксплуатации. Но для избегания негативных последствий всегда трудитесь с ясной головой — и тогда работа кварцевого резонатора будет меньше беспокоить.

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?

О кварцевом резонаторе замолвим слово

Кварцевым резонатором именуют аналог колебательного контура, базирующегося на индуктивности и ёмкости. Но меж ними есть разница в пользу первого. Как понятно, для свойства колебательного контура употребляют понятие добротности. В резонаторе на базе кварцев она добивается очень больших значений — в границах 10 5 -10 7 . К тому же он более эффективен для всей схемы при изменении температуры, что сказывается на большем сроке службы таких деталей, как конденсаторы. Обозначение кварцевых резонаторов на схеме осуществляется в виде вертикально размещенного прямоугольника, который с обеих сторон «зажат» пластинами. Снаружи на чертежах они напоминают гибрид конденсатора и резистора.

Как работает кварцевый резонатор?

Из кристалла кварца вырезается пластинка, кольцо либо брусок. На него наносится как минимум два электрода, которые являются проводящими полосами. Пластинка закрепляется и имеет свою свою резонансную частоту механических колебаний. Когда на электроды подаётся напряжения, то из-за пьезоэлектрического эффекта происходит сжатие, сдвиг либо изгибание (зависимо от того, как вырезался кварц). Колеблющийся кристалл в таких случаях делает работу подобно катушке индуктивности. Если частота напряжения, что подаётся, равна либо очень близка к своим значениям, то требуется наименьшее количество энергии при значимых различиях для поддержания функционирования. Сейчас можно перебегать к свету главной препядствия, из-за чего, фактически, и пишется эта статья про кварцевый резонатор. Как проверить его работоспособность? Было отобрано 3 метода, о которых и будет поведано.

Способ № 1

Читайте так же

Тут 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 потом сам импульс передаёт на аналоговый частотомер, который построен на 2-ух диодиках Д9Б и таких пассивных элементах: конденсаторе С4 (1n), резисторе R3 (100к) и микроамперметре. Все другие элементы служат для стабильности работы схемы и чтоб ничего не перегорело. Зависимо от установленной частоты может изменяться напряжение, которое есть на конденсаторе С4. Это достаточно ориентировочный метод и его преимущество — легкость. И, соответственно, чем выше напряжение, тем большая частота резонатора. Но есть определённые ограничения: пробовать её на данной схеме следует исключительно в тех случаях, если она находится в ориентировочных рамках от 3-х до 10 МГц. Проверка кварцевых резонаторов , что выходит за грань этих значений, обычно не подпадает под любительскую радиоэлектронику, но дальше подвергнется рассмотрению чертеж, у которого спектр — 1-10 МГц.

Как проверить кварцевый резонатор

Обычная схема для проверки кварцевых резонаторов, а если добавить в схему мультиметр с возможностью измеря…

Проверка кварцевых резонаторов

Обычная схема для проверки работоспособности кварцевых резонаторов, а так же возможность проверки частоты…

Способ № 2

Для роста точности можно к выходу генератора подключить частотомер либо осциллограф. Тогда можно будет высчитать разыскиваемый показатель, используя фигуры Лиссажу. Но имейте в виду, что в таких случаях кварц возбуждается, при этом как на гармониках, так и на основной частоте, что, в свою очередь, может дать существенное отклонение. Поглядите на приведённые схемы (эту и предшествующую). Видите ли, есть различные методы находить частоту, и здесь придётся экспериментировать. Главное — соблюдайте технику безопасности.

Проверка сразу двух

кварцевых резонаторов

Читайте так же

Данная схема дозволит найти, работоспособны ли два кварцевых резистора, которые работают в рамках от 1-го до 10 МГц. Также благодаря ей можно выяснить сигналы толчков, которые идут меж частотами. Потому вы можете не только лишь найти работоспособность, да и подобрать кварцевые резисторы, которые более подходят друг дружке по своим показателям. Схема реализована с 2-мя задающими генераторами. 1-ый из их работает с кварцевым резонатором ZQ1 и реализован на транзисторе КТ315Б. Чтоб проверить работоспособность, напряжение на выходе должно быть больше 1,2 В, и следует надавить на кнопку SB1. Обозначенный показатель соответствует сигналу высочайшего уровня и логической единице. Зависимо от кварцевого резонатора может быть увеличено нужное значение для проверки (можно напряжение каждую проверку увеличивать на 0,1А-0,2В к рекомендованному в официальной аннотации по использованию механизма). При всем этом выход DD1.2 будет иметь 1, а DD1.3 — 0. Также, сообщая о работе кварцевого генератора, будет пылать светодиод HL1. 2-ой механизм работает аналогично, и о нём будет докладывать HL2. Если их запустить сразу, то ещё будет пылать светодиод HL4.

Когда сравниваются частоты 2-ух генераторов, то их выходные сигналы с DD1.2 и DD1.5 направляются на DD2.1 DD2.2. На выходах вторых инверторов схема получает сигнал с широтно-импульсной модуляцией, чтоб потом сопоставить характеристики. Узреть зрительно это можно при помощи мерцания светодиода HL4. Для улучшения точности добавляют частотомер либо осциллограф. Если реальные характеристики отличаются на килогерцы, то для определения более частотного кварца нажмите на кнопку SB2. Тогда 1-ый резонатор уменьшит свои значения, и тон биений световых сигналов будет меньше. Тогда можно уверенно сказать, что ZQ1 более частотный, ежели ZQ2.

При проверке всегда:

1. Прочитайте аннотацию, которую имеет кварцевый резонатор;
2. Придерживайтесь техники безопасности.

Возможные причины выхода из строя

Существует достаточно много методов вывести собственный кварцевый резонатор из строя. С некими самыми пользующимися популярностью стоит ознакомиться, чтоб в дальнейшем избежать каких-либо заморочек:

1. Падения с высоты. Самая пользующаяся популярностью причина. Помните: всегда нужно содержать рабочее место в полном порядке и смотреть за своими действиями.
2. Присутствие неизменного напряжения. В целом кварцевые резонаторы не страшатся его. Но прецеденты были. Для проверки работоспособности включите поочередно конденсатор на 1000 мФ — этот шаг вернет его в строй либо дозволит избежать негативных последствий.
3. Очень большая амплитуда сигнала. Решить данную делему можно различными методами:

• Увести частоту генерации мало в сторону, чтоб она отличалась от основного показателя механического резонанса кварца. Это более непростой вариант.
• Снизить количество Вольт, что питают сам генератор. Это более лёгкий вариант.
• Проверить, вышел ли кварцевый резонатор вправду из строя. Так, предпосылкой падения активности может быть флюс либо посторонние частички (нужно в таком случае его отменно очистить). Также может быть, что очень интенсивно эксплуатировалась изоляция, и она растеряла свои характеристики. Для контрольной проверки по этому пт можно на КТ315 спаять «трехточку» и проверить осцом (сразу можно сопоставить активность).

Современная цифровая аппаратура нуждается в высокой точности, поэтому часто в цифровых устройствах содержится кварцевый резонатор, который является стабильным и надежным генератором гармонических колебаний. Цифровые работают на основе этой постоянной частоты, и используют ее для работы цифрового прибора. Кварцевые резонаторы являются надежной заменой контура колебаний, собранного на конденсаторе и катушке индуктивности.

Добротность контура колебаний на основе катушки и конденсатора не превышает 300. Она является характеристикой контура колебаний, определяющей величину полосы резонанса. Добротность показывает, во сколько раз энергия колебательной системы превышает потери энергии в течение одного периода колебаний. Чем больше добротность, тем меньше теряется энергии за один период, и медленнее затухают колебания. Емкость конденсатора в обычном контуре колеблется в зависимости от температуры среды. Величина индуктивности катушки также зависит от многих факторов. Существуют даже соответствующие коэффициенты, определяющие зависимость параметров этих элементов от температуры.

Кварцевые резонаторы, в отличие от вышеописанных контуров колебаний, обладают очень большой добротностью, достигающей значения в несколько миллионов. При этом температура в пределах -40 +70 градусов никак не влияет на этот параметр. Высокая стабильность работы кварцевых резонаторов при любой температуре послужила их широкому применению в цифровой электронике и радиотехнике.

Разновидности

По типу корпуса:

• Для объемной установки (цилиндрические и стандартные).
• Для поверхностного монтажа.

По материалу корпуса:

• Металлические.
• Стеклянные.
• Пластиковые.

По форме корпуса:

• Круглые.
• Прямоугольные.
• Цилиндрические.
• Плоские.

По количеству резонансных систем:

• Одинарные.
• Двойные.

По защите корпуса:

• Герметичные.
• Негерметизированные.
• Вакуумные.

По назначению:

• Фильтровые.
• Генераторные.

Важным свойством кварцевых резонаторов для успешной работы является их активность. Но она не определяется только собственными свойствами. Вся электрическая схема влияет на его активность.

В резонаторах, используемых в фильтрах, применяются такие же виды колебаний, как и в генераторных резонаторах. В фильтрах используются 2-х и 4-х электродные вакуумные резонаторы. Для многозвенных фильтров чаще всего применяются 4-х электродные, так как они более экономичные.

Принцип действия и устройство

Кварцевые резонаторы работают на основе пьезоэлектрического эффекта, образующегося на кварцевой пластинке. Кварц – это природный кристалл. Он представляет собой модификацию соединения кремния с кислородом, и имеет химическую формулу Si O 2 . Массовая доля кварца в земной коре составляет около 60%, в свободном виде 12%. В других минералах также может содержаться кварц.

Для производства кварцевых резонаторов используют низкотемпературный кварц. Он обладает выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Химическая устойчивость кварца очень высока, растворить кварц способна только гидрофторидная кислота. По твердости кварц стоит на втором месте после алмаза. Кварцевую пластинку для резонатора изготавливают путем вырезания из кварца кусочка под заданным определенным углом. В зависимости от этого угла среза кварцевая пластинка отличается разными электромеханическими параметрами.

В результате образуется колебательный контур, обладающий собственной частотой резонанса, определяющей работу всего резонатора. Если к электродам пластинки приложить переменное напряжение с частотой резонанса, то возникнет резонансный эффект, а амплитуда колебаний пластинки значительно повысится. При этом резонатор уменьшит свое сопротивление на значительную величину. Этот процесс подобен тому процессу, который происходит в контуре колебаний последовательного вида (на основе катушки и конденсатора). Потери энергии при возбуждении кварцевого резонатора на частоте резонанса очень малы, так как добротность кварцевого контура колебаний очень высока.

Эта эквивалентная схема состоит из:

• R – Сопротивление.
• С1 – Емкость.
• L – Индуктивность.
• С2 – Статическая электрическая емкость пластинок вместе с держателями.

Эти элементы определяют электромеханические параметры кварцевой пластинки. Если удалить монтажные элементы, получается последовательный контур LС . При установке на монтажную плату, кварцевый резонатор не переносит чрезмерного нагрева, так как его конструкция очень хрупкая. Сильное нагревание может деформировать держатель и электроды, что отражается на функционировании готового кварцевого резонатора. Кварц полностью теряет свои свойства пьезоэлектрика при нагревании до температуры 5370 градусов. Однако паяльник не способен так сильно разогреваться.

На электрических схемах кварцевый резонатор обозначается по аналогии с конденсатором, но между пластин изображен прямоугольник, символизирующий кварцевую пластинку. На схеме резонатор обозначен «QX ».

Обычно причиной неисправностью кварцевого резонатора становится сильный удар или падение устройства, в котором он находится. В этом случае резонатор подлежит замене на новый, с такими же параметрами. Такие неисправности возникают в маленьких приборах, которые проще уронить, или повредить. Но такие повреждения резонаторов встречаются не часто, и обычно неисправность устройства кроется совсем в другом.

Как проверить кварцевые резонаторы

Для проверки резонатора на его работоспособность, собирают специальный простой тестер, помогающий проверить кроме работы резонатора, еще и его частоту резонанса. Схема такого устройства похожа на кварцевый генератор, собранный на транзисторе.

Подключив резонатор между отрицательным полюсом и базой транзистора через защитный конденсатор, с помощью частотомера измеряют частоту резонанса. Такая схема подходит для настройки контуров колебаний. При включенной схеме исправный резонатор создает колебания. В результате на эмиттере транзистора возникает переменное напряжение с частотой резонанса тестируемого резонатора.

Если к выходу тестера подключить частотомер, то можно измерить частоту резонанса. При стабильной частоте и небольшом нагревании корпуса резонатора частота не должна значительно изменяться. Если частотомер не обнаруживает возникновение частоты, либо она сильно изменяется или имеет большие отличия от номинала, то резонатор негоден и требует замены.

При использовании такого тестера для настройки контуров, емкость С1 обязательна. Но при проверке исправности резонаторов ее присутствие в схеме не требуется. При этом колебательный контур просто подсоединяют на место кварцевого резонатора и тестер начинает создавать колебания таким же образом.

Тестер, выполненный по рассмотренной схеме, хорошо зарекомендовал себя на частоте 15-20 мегагерц. Для других интервалов можно найти другие схемы, собранные на микросхемах и других компонентах.

Сфера применения

Благодаря стабильности параметров кварцевых резонаторов, они нашли широкое использование в различных областях.

• Многие измерительные устройства работают на основе таких резонаторов, при этом точность измерений очень высока.
• Пьезокварцевая пластина применяется в качестве резонатора в морском эхолоте для выявления объектов, расположенных в воде, исследования дна моря, определения нахождения отмелей и рифов. Это дает возможность изучения жизни в океане в глубоководных районах, а также создания точных карт морского дна.
• Кварцевые резонаторы нашли широкую популярность в кварцевых часах , так как частота колебаний кварцевой пластины практически не зависит от температуры, и имеет малое относительное изменение частоты.

Кварцевые резонаторы расширяют свою сферу использования, потребность в них постоянно увеличивается, так как они обладают повышенными метрологическими параметрами, эффективностью работы.

Современная цифровая техника требует высокой точности, поэтому совсем неудивительно, что практически любое цифровое устройство, какое бы не попалось сегодня на глаза обывателю, содержит внутри кварцевый резонатор.

Кварцевые резонаторы на различные частоты необходимы в качестве надежных и стабильных источников гармонических колебаний, чтобы цифровой микроконтроллер мог бы опереться на эталонную частоту, и оперировать с ней в дальнейшем, в процессе работы цифрового устройства. Таким образом, кварцевый резонатор — это надежная замена колебательному LC-контуру.

Если рассмотреть простой колебательный контур, состоящий из и , то быстро выяснится, что добротность такого контура в схеме не превысит 300, к тому же емкость конденсатора будет плавать в зависимости от температуры окружающей среды, то же самое произойдет и с индуктивностью.

Не даром есть у конденсаторов и катушек такие параметры как ТКЕ — температурный коэффициент емкости и ТКИ — температурный коэффициент индуктивности, показывающие, насколько изменяются главные параметры этих компонентов с изменением их температуры.

В отличие от колебательных контуров, резонаторы на базе кварца обладают недостижимой для колебательных контуров добротностью, которая измеряется значениями от 10000 до 10000000, причем о температурной стабильности кварцевых резонаторов речи не идет, ведь частота остается постоянной при любом значении температуры, как правило из диапазона от -40°C до +70°C.

Так, благодаря высоким показателям температурной стабильности и добротности, кварцевые резонаторы применяются всюду в радиотехнике и цифровой электронике.

Для задания тактовой частоты, ему всегда необходим генератор тактовой частоты, на который он мог бы надежно опереться, и генератор этот всегда нужен высокочастотный и при том высокоточный. Здесь то и приходит на помощь кварцевый резонатор. Конечно, в некоторых применениях можно обойтись пьезокерамическими резонаторами с добротностью 1000, и таких резонаторов достаточно для электронных игрушек и бытовых радиоприемников, но для более точных устройств необходим кварц.

В основе работы кварцевого резонатора — , возникающий на кварцевой пластинке. Кварц представляет собой полиморфную модификацию диоксида кремния SiO2, и встречается в природе в виде кристаллов и гальки. В свободном виде в земной коре кварца около 12%, кроме того в виде смесей в составе других минералов также содержится кварц, и в общем в земной коре более 60% кварца (массовая доля).

Для создания резонаторов подходит низкотемпературный кварц, обладающий ярко выраженными пьезоэлектрическими свойствами. Химически кварц весьма устойчив, и растворить его можно лишь в гидрофторидной кислоте. По твердости кварц превосходит опал, но до алмаза не дотягивает.

При изготовлении кварцевой пластинки, от кристалла кварца под строго заданным углом вырезают кусочек. В зависимости от угла среза полученная кварцевая пластинка будет отличаться по своим электромеханическим свойствам.

Так получается колебательная система, обладающая собственной резонансной частотой, и кварцевый резонатор, полученный таким образом, обладает собственной резонансной частотой, определяемой электромеханическими параметрами.

Теперь если приложить к металлическим электродам пластики переменное напряжение данной резонансной частоты, то проявится явление резонанса, и амплитуда гармонических колебаний пластинки весьма значительно возрастет. При этом сопротивление резонатора сильно понизится, то есть процесс аналогичен происходящему в последовательном колебательном контуре. В силу высокой добротности такого «колебательного контура», энергетические потери при его возбуждении на резонансной частоте пренебрежимо малы.

На эквивалентной схеме: C2 — статическая электроемкость пластинок с держателями, L — индуктивность, С1 — емкость, R — сопротивление, отражающие электромеханические свойства установленной пластинки кварца. Если убрать монтажные элементы, останется последовательный LC-контур.

В процессе монтажа на печатную плату, кварцевый резонатор нельзя перегревать, ведь конструкция его довольно хрупка, и перегрев может привести к деформации электродов и держателя, что непременно отразится на работе резонатора в готовом устройстве. Если же разогреть кварц до 5730°C, он вовсе утратит свои пьезоэлектрические свойства, но, к счастью, нагреть элемент паяльником до такой температуры невозможно.

Обозначение кварцевого резонатора на схеме похоже на обозначение конденсатора с прямоугольником между пластинами (кварцевая пластинка), и с надписью «ZQ» или «Z».

Часто причиной повреждения кварцевого резонатора является падение или сильный удар устройства, в котором он установлен, и тогда необходимо заменить резонатор на новый с той же резонансной частотой. Такие повреждения свойственны малогабаритным приборам, которые легко уронить. Однако, по статистике, подобные повреждения кварцевых резонаторов встречаются крайне редко, и чаще неисправность прибора оказывается вызвана иной причиной.

Чтобы проверить кварцевый резонатор на исправность, можно собрать небольшой пробник, который поможет не только убедиться в работоспособности резонатора, но и увидеть его резонансную частоту. Схема пробника представляет собой типичную схему кварцевого генератора на одном транзисторе.

Включив резонатор между базой и минусом (можно через защитный конденсатор на случай короткого замыкания в резонаторе), остается измерить частотомером резонансную частоту. Эта схема подойдет и для предварительной настройки колебательных контуров.

Когда схема включена, исправный резонатор станет способствовать генерации колебаний, и на эмиттере транзистора можно будет наблюдать переменное напряжение, частота которого будет соответствовать основной резонансной частоте тестируемого кварцевого резонатора.

Подключив к выходу пробника частотомер, пользователь сможет наблюдать эту резонансную частоту. Если частота стабильна, если небольшой нагрев резонатора поднесенным паяльником не приводит к сильному уплыванию частоты, то резонатор исправен. Если же генерации не будет, или частота будет плавать или окажется совсем другой, чем должна быть для тестируемого компонента, то резонатор неисправен, и его следует заменить.

Данный пробник удобен и для предварительной настройки колебательных контуров, в этом случае конденсатор C1 обязателен, хотя при проверке резонаторов его можно из схемы исключить. Контур просто подключается вместо резонатора, и схема начинает генерировать колебания аналогичным образом.

Пробник собранный по приведенной схеме замечательно работает на частотах от 15 до 20 МГц. Для иных диапазонов вы всегда можете поискать схемы в интернете, благо их там много, как на дискретных компонентах, так и на микросхеме.

Xtal Operation »Примечания по электронике

Работа кристаллов кварца зависит от пьезоэлектрического эффекта, который связывает механические резонансы с электрической системой.

---

Учебное пособие по кристаллам кварца, Xtals Включает:
Кристаллы кварца: xtals Что такое кварц Как работает кристалл Кристаллический обертон Вытягивание частоты кристалла кварца Кристалл кварца огранки Кварцевое старение Изготовление кристаллического резонатора Как указать кристалл кварца VCXO TCXO OCXO Кристаллический фильтр Монолитный кристаллический фильтр Керамический резонатор и фильтр Технические характеристики керамического фильтра

---

Работа кварцевых резонаторов или кристаллов зависит от пьезоэлектрического эффекта и резких механических резонансов материала.

Электрические сигналы преобразуются из своей электрической формы в механические колебания. Именно на эти колебания влияют механические резонансы кристалла кварца, а затем они соединяются обратно в электрическую систему.

Потери, связанные с кристаллами кварца, очень низкие, а это означает, что селективность или добротность чрезвычайно высока.

Условное обозначение схемы кварцевого резонатора, xtal

Пьезоэлектрический эффект

При изучении того, как работает кристалл кварца, сначала необходимо понять основы пьезоэлектрического эффекта.

Это эффект, который проявляется в ряде материалов, как природных, так и синтетических.

Пьезоэлектрический эффект проявляется в кварце, а также в ряде керамических материалов, используемых в электронной промышленности, а также в ряде органических веществ. По этой причине доступны некоторые керамические резонаторы, хотя их характеристики не равны характеристикам кварца с точки зрения использования в качестве резонатора.

Пейзоэлектрический эффект используется не только в резонаторах, но его также можно использовать для электрических преобразователей — датчиков движения, датчиков напряжения, кристаллических микрофонов и многих других.

Когда возникает пьезоэлектрический эффект, в некоторых твердых материалах возникает электрический заряд в результате приложенного механического напряжения. Этот эффект преобразует механическое напряжение в кристалле в напряжение и наоборот, то есть напряжение может вызвать образование заряда в материале, или размещение заряда в материале вызовет возникновение напряжения.

Как работает кварцевый резонатор: основы

Для работы кристалла кварца обнаружено, что пьезоэлектрический эффект преобразует электрические импульсы в механическое напряжение, которое подвержено механическим резонансам с очень высокой добротностью кристалла, и это, в свою очередь, снова включается в электрическую цепь.

Кристалл кварца может колебаться по-разному, и это означает, что он имеет несколько резонансов — каждый на разной частоте.

К счастью, способ, которым заготовка кристалла кварца вырезан из самого оригинального кристалла, может очень значительно уменьшить это. Фактически, угол граней относительно осей исходного кристалла определяет многие из его свойств, от способа его вибрации до его активности Q и его температурного коэффициента.

Если посмотреть, как работает кварцевый резонатор, можно увидеть, что существует три основных способа, которыми кристалл может вибрировать:

• Продольная мода: В продольной моде кристалл удлиняется и укорачивается.Это приводит к тому, что центр становится тоньше, когда кристалл расширяется, и толще, когда он укорачивается.
  Кварцевый резонатор продольной вибрации
• Низкочастотный режим сдвига грани: Для кристаллов, которые работают в этом режиме, вся прямоугольная форма кристалла колеблется, как показано ниже.
  Кварцевый резонатор, низкочастотная сдвиговая вибрация
• Высокочастотный сдвиг: Высокочастотный сдвиговой режим используется для большинства кварцевых резонаторов, работающих в диапазоне 1 МГц и выше.
  Кварцевый резонатор с высокочастотной сдвиговой вибрацией

Способ, которым заготовка кристалла вырезан из объемного кристалла, влияет на способ его вибрации. В частности, большое влияние имеет угол, под которым он срезан относительно осей объемного кристалла кварца. Есть несколько стандартных «разрезов», которым даны имена, и они имеют известные и полезные рабочие параметры. Разрез, известный как разрез AT, используется для большинства кристаллов, используемых в традиционных радио и электронных схемах, и обычно он вибрирует с использованием высокочастотного режима сдвига.

Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Для анализа электрического отклика кварцевого резонатора очень часто бывает полезно изобразить его как эквивалентные электрические компоненты, которые потребуются для его замены. Эту эквивалентную схему затем можно использовать для анализа ее отклика и прогнозирования ее характеристик, как показано на диаграмме ниже:

Приведенная ниже эквивалентная схема часто называется 4-параметрической моделью кристалла, и ее достаточно для многих расчетов и для иллюстрации работы кристалла.

Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Эти теоретические составляющие компоненты можно приравнять к реальным физическим характеристикам кристалла:

• L: Индуктивность возникает из-за массы материала.
• C1: Эта емкость возникает из-за податливости кристалла.
• R: Этот элемент возникает из-за потерь в системе. Самый большой из них возникает из-за потерь на трение при механической вибрации кристалла.
• Co: Эта емкость в теоретической эквивалентной схеме кристалла кварца возникает из емкости между электродами кристаллического элемента. Это часто называют шунтирующей емкостью.

Кристаллы кварца находят применение не только в генераторах, но и в фильтрах. Здесь они предлагают уровни производительности, которые не могут быть достигнуты другими формами фильтров. Часто в одном фильтре можно использовать несколько кристаллов для получения правильной формы.

Кристаллический параллельный и последовательный резонанс

Есть два режима, в которых может работать кварцевый генератор, что видно из эквивалентной принципиальной схемы.

Кварцевые резонаторы могут работать в любом режиме, и на самом деле разница между параллельными и последовательными резонансными частотами довольно мала. Обычно они различаются примерно на 1%.

Характеристика импеданса кварцевого резонатора

Из двух режимов чаще используется параллельный режим, но может использоваться любой.Цепи генераторов для использования различных режимов, естественно, различны, поскольку один колеблется, когда кристалл достигает своего максимального импеданса, а другой работает, когда кристалл достигает своего минимального импеданса.

Crystal Q, добротность

Добротность или добротность — важный аспект резонанса кристалла кварца. Кристаллы предлагают очень высокий уровень Q, иногда превышающий 100 000.

Соответственно, необходимо иметь возможность рассчитать уровень Q, чтобы иметь возможность определять другие ограничения и конструктивные соображения для схемы, в которой она должна работать.

Существует простое уравнение, позволяющее вычислить значение Q для данного кристалла.

Из этого можно видеть, что последовательная емкость имеет большое влияние на добротность. Уменьшение последовательной емкости увеличивает добротность прямо пропорционально данной частоте.

Резонаторы из кварцевого кристалла представляют собой сложную связь между электрическими и механическими доменами. Хотя теоретически кажется, что работа теории кажется довольно простой, на практике многие эффекты работают вместе, и они могут связываться неожиданным образом.Известно, что резонаторы из кварцевого кристалла возбуждаются другой модой в конкретной цепи и, следовательно, работают на неправильной частоте. Понимание того, как работают кварцевые резонаторы, может помочь выявить эти проблемы в том маловероятном случае, когда они могут возникнуть. Часто в этом случае достаточно добавления резонансного контура к генератору, чтобы гарантировать, что он может работать только в требуемом режиме.

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .

Кварцевые резонаторы »Электроника

Кварцевые резонаторы иногда называют xtals, и как резонаторы они обеспечивают чрезвычайно высокие уровни добротности для генераторов и фильтров и широко используются во многих приложениях для проектирования радиочастотных схем.

---

Учебное пособие по кристаллам кварца, Xtals Включает:
Кристаллы кварца: xtals Что такое кварц Как работает кристалл Кристаллический обертон Вытягивание частоты кристалла кварца Кристалл кварца огранки Кварцевое старение Изготовление кристаллического резонатора Как указать кристалл кварца VCXO TCXO OCXO Кристаллический фильтр Монолитный кристаллический фильтр Керамический резонатор и фильтр Технические характеристики керамического фильтра

---

Резонаторы на кварцевом кристалле используются для создания резонансных элементов с очень высокой добротностью во многих электронных конструкциях и, в частности, во многих конструкциях радиочастотных схем в генераторах и фильтрах.Часто в схемотехнике эти электронные компоненты могут упоминаться как «Xtals», а ссылки на схемотехнические конструкции для них могут быть даны как xtal1 и т. Д.

Кристаллы кварца могут быть дешевыми в производстве, даже несмотря на то, что они обладают исключительной производительностью, и могут использоваться для всего, от электронных схем для микропроцессорных тактовых генераторов до высокопроизводительных фильтров, высокостабильных генераторов, управляемых печью, кварцевых генераторов с температурной компенсацией и многих других общих и радиочастотных схем .

Как следует из названия, кварцевые резонаторы изготавливаются из кварца, который является естественной формой кремния. Однако большая часть кварца, используемого в электронной промышленности, производится синтетически.

Кварцевые резонаторы доступны во многих размерах и форматах, чтобы удовлетворить требованиям большинства приложений. От небольших устройств для поверхностного монтажа до больших кристаллов, монтируемых в сквозные отверстия, а также для розеток, существует множество размеров и форматов этих электронных компонентов.

Кварцево-кристаллический резонатор HC49 с проволочными выводами

Основы кварцевого резонатора

Технология кварцевого резонатора основана на замечательных свойствах кварца. При помещении в электронную схему кристалл кварца действует как настроенная схема. Однако у него исключительно высокий показатель Q.

.

Обычные настроенные схемы LC могут показывать значения в несколько сотен, если они тщательно спроектированы и сконструированы, но кристаллы кварца показывают значения до 100 000.

Помимо Q, кристаллическая технология также имеет ряд других преимуществ.Они очень устойчивы к температуре и времени. Фактически, для большинства кристаллов эти цифры указаны, и они обычно могут составлять ± 5 ppm (частей на миллион) в год для старения и ± 30 ppm в диапазоне температур от 0 до 60 ° C.

Кристалл природного кварца

В процессе работы кристалл кварца использует пьезоэлектрический эффект для преобразования электрических сигналов в механические колебания. Они заставляют кристалл вибрировать, и механические резонансы кристалла затем воздействуют на механические колебания.Затем пьезоэлектрический эффект возвращается обратно в электрическую область, и сигналы преобразуются обратно под воздействием механических резонансов.

Общий эффект заключается в том, что кристалл кварца связывает механические резонансы с очень высокой добротностью с электрической областью, что позволяет очень стабильным и высокодобротным резонансам влиять на электрические сигналы.

Обозначение цепи кристалла кварца

Обозначение схемы кварцевого резонатора, используемого в схемах проектирования электроники, простое.Символ кристалла кварца показывает две пластины по обе стороны от основного кварцевого элемента. Он состоит из двух линий, одна вверху, а другая внизу с центральным прямоугольником.

Во многих отношениях символ схемы хорошо отображает сам кристалл, особенно потому, что первые кварцевые резонаторы состояли из кварцевой пластины, зажатой между двумя проводящими пластинами.

Обозначение схемы для кварцевого резонатора, xtal

В отличие от многих других обозначений схемы, существует очень мало вариантов обозначения схемы с кварцевым кристаллом, и, соответственно, он широко известен.

Принцип работы кварцевых резонаторов

Принцип действия кристалла кварца основан на том факте, что кварц проявляет пьезоэлектрический эффект. Это означает, что когда напряжение создается поперек кристалла, видна электродвижущая сила или электрический потенциал. Верно и обратное, тогда когда на кристалл подается потенциал, он слегка отклоняется.

Это означает, что пьезоэлектрический эффект позволяет соединить механическую и электрическую области.

Что касается работы кристалла кварца в качестве резонатора с высокой добротностью, кристалл кварца может иметь электрический сигнал, такой как сигнал в радиоприемнике, помещенный поперек него. Это превращается в механическую вибрацию.

Механические свойства кристалла кварца действуют как резонатор с очень высокой добротностью. Эффект от этого затем преобразуется обратно в электрическую область. Общий результат состоит в том, что электрической цепи кажется, что присутствует электрический фильтр с очень высокой добротностью.

В любой конструкции электронной схемы полезно видеть эквивалентную схему кристалла, чтобы электронная конструкция могла быть выполнена правильно. Стандартная эквивалентная схема для кварцевого резонатора приведена ниже.

Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Кварцевый кристалл использует

Кристаллы кварца используются в двух основных формах применения: как резонансный элемент в генераторах и в фильтрах. В обоих приложениях очень высокая добротность кварцевого кварцевого резонатора позволяет достичь очень высоких уровней производительности, и именно поэтому они используются во многих общих схемах для недорогих тактовых генераторов, а также в более требовательных приложениях для проектирования радиочастотных схем.

Некоторые виды использования этих электронных компонентов вместе с их сокращениями описаны более подробно ниже:

• Осцилляторы: Высокая добротность кварцевого кристалла означает, что используемые генераторы могут обеспечивать очень высокий уровень точности и стабильности. Существует несколько вариантов использования кварцевых резонаторов в электронной конструкции в зависимости от требований к характеристикам и ограничений по стоимости.
  • Кварцевый осциллятор — XO: Кварцевые резонаторы можно очень просто использовать в простой схеме генератора.Поскольку основные кварцевые резонаторы относительно недороги, они часто используются в качестве резонатора для приложений, где они, например, являются резонатором в тактовом генераторе микропроцессора. Кварцевый кварцевый резонатор, используемый в материнской плате ПК

    Обычно требования к точности этих генераторов не слишком высоки, и поэтому затраты можно свести к минимуму, используя кварцевый кристалл. При использовании в этих приложениях кристаллы кварца дешевле, чем многие другие решения, которые не работают так же хорошо.Очевидно, что простые кварцевые генераторы также используются во многих других областях.

  • Кварцевый генератор, управляемый напряжением — VCXO: Для некоторых приложений может потребоваться небольшое изменение частоты генератора. VCXO или генератор Xtal, управляемый напряжением, относительно легко построить.

    Схемы просты и обычно включают использование переменного напряжения для управления варакторным диодом в кристаллической схеме.Изменение реактивного сопротивления варактора изменяет общую резонансную частоту кристалла и связанных с ним схем.

    Однако ввиду высокой добротности кристаллического резонатора возможны только относительно небольшие изменения частоты. Эти схемы могут быть построены или доступны как коммерческие модули.

    Подробнее о . . . . VCXO.
    

  • Кварцевый генератор с температурной компенсацией — TCXO: Одной из основных причин изменения частоты кварцевого генератора является изменение температуры.Там, где требуется более высокая стабильность частоты, чем может обеспечить стандартный генератор, можно использовать TCXO, Xtal Oscillator с температурной компенсацией. Как следует из названия, эта форма осциллятора применяет к осциллятору температурную компенсацию. Несмотря на то, что они не обладают такими же характеристиками, как кварцевый генератор, управляемый печью, они, тем не менее, способны обеспечить очень высокий уровень стабильности и производительности для многих схемных решений.

    Подробнее о .. . . TCXOs.
    
  • Кварцевый генератор, управляемый печью — OCXO: Там, где требуется очень высокий уровень стабильности частоты, лучшим вариантом является кварцевый генератор, управляемый печью. Эта форма кварцевого генератора, получившая название OCXO: Oven Controlled Crystal Oscillator, удерживает кристалл и связанные с ним схемы в «духовке» с регулируемой температурой. Он работает при температуре выше температуры окружающей среды и поддерживается при постоянной температуре, пока работает осциллятор.Таким образом сводятся к минимуму любые изменения, вызванные изменениями температуры. Подробнее о . . . . OCXOs.
    
• Фильтры: Другое основное применение кварцевых резонаторов — фильтры. Здесь резонатор используется в цепи, которая используется для приема полезных сигналов и отклонения нежелательных. Очень высокие уровни добротности, достижимые при использовании кварца, означают, что эти фильтры обладают очень высокой производительностью.

  Кварцевые фильтры могут состоять из монокристалла, но более сложные фильтры, предлагающие гораздо более высокий уровень производительности, могут быть изготовлены с использованием шести или даже восьми кристаллов. Ввиду того факта, что в этих фильтрах используются опыт и передовая конструкция радиочастотных схем, их часто получают в виде фильтрующих модулей, хотя многие из них производятся самими конечными производителями / разработчиками.

Кварцевый кристалл SMD

Кварцевый кристалл преимущества и недостатки

Технология кристаллов кварца

предлагает очень много преимуществ, но против этого есть и другие моменты, которые следует включить в уравнение при рассмотрении их использования:

Преимущества кварцевых резонаторов:

• Резонатор с очень высокой добротностью: Добротность кристалла кварца очень высока.Это, в свою очередь, дает несколько преимуществ:
  
  • Очень стабильный сигнал при использовании в генераторе.
  • Низкий уровень фазового шума при использовании в генераторе.
  • При использовании в фильтре можно достичь очень высокого уровня селективности. Кристаллические фильтры обеспечивают отличную производительность и являются одними из лучших вариантов для фильтров резкости в различных приложениях.
• Низкая стоимость: Базовые кристаллы доступны по очень разумной цене.Их использование часто может привести к более дешевым часам или другому источнику при использовании в качестве резонатора. Очевидно, что резонаторы на кристалле кварца с высокими техническими характеристиками стоят дороже.

Недостатки кварцевых резонаторов:

• Размер: Резонансное поведение кристалла зависит от механических колебаний. В результате размер не может быть легко уменьшен, и они могут быть большими по сравнению с другими компонентами SMT. Тем не менее, кристаллы с новой технологией поверхностного монтажа теперь доступны в очень маленьких корпусах.
• Пайка: Ввиду их производительности пайка должна выполняться с осторожностью, соблюдая максимальные температуры и время пайки.
• Фиксированная частота: Хотя это также может быть преимуществом, кристалл имеет свои собственные резонансные частоты. После того, как они выбраны и изготовлены, их нельзя изменить, хотя можно немного «потянуть» частоту генератора.

Как и в любой технике, у этих электронных компонентов есть свои плюсы и минусы.Понимание этих проблем и преимуществ, которые они приносят, поможет наилучшим образом использовать их на этапе электронного проектирования.

Кристалл кварца SMD в корпусе HC49

Кристалл кварца и осцилляторы, временная шкала

С тех пор, как появились первые признаки пьезоэлектрического эффекта и действия кристаллов кварца, потребовалось много лет, чтобы их развитие достигло той стадии, на которой оно находится сейчас.

Ранние исследования продемонстрировали этот эффект, и прошло несколько лет, прежде чем была разработана радиотехника и можно было продемонстрировать и затем усовершенствовать действие кварцевых резонаторов или кристаллов.

Заметка об истории и временной шкале кварцевого резонатора:

Кристаллы кварца стали неотъемлемой частью современной электроники, обеспечивая высокоэффективный резонатор по низкой цене. Эти компоненты разрабатывались на протяжении многих лет, и в их разработке участвовало множество людей и организаций.

Подробнее о История кристалла кварца.

Как изготавливаются кварцевые резонаторы

Кварцевые резонаторы выпускаются в огромных количествах.Производственный процесс начинается с сырого кремния, который превращается в синтетический кварц, а затем из него изготавливаются отдельные кварцевые резонаторы. После изготовления основных кристаллов кварца их обрезают и затем инкапсулируют.

В некоторых областях производственного процесса кварцевого резонатора некоторые элементы имеют некоторое сходство с производством полупроводников, хотя производимые продукты сильно отличаются.

В процессе производства кристаллов кварца используются такие процессы, как травление, осаждение и т.п.

Спецификация кварцевых резонаторов

При выборе кварцевого резонатора для общей схемы или конструкции ВЧ схемы необходимо выбрать множество параметров. Многие из них относятся к работе кристалла и обычно не наблюдаются с другими электронными компонентами.

Обычно производителям требуется ряд параметров, часто изложенных в определенной форме, прежде чем они смогут произвести и поставить требуемый кристаллический элемент.

Решения о различных параметрах, которые должны быть выбраны, могут зависеть от других электронных компонентов в схеме или от общей электронной конструкции.

Понимание различных параметров, которые необходимо выбрать, и того, каким образом они могут повлиять на конструкцию электроники и выбор других электронных компонентов, гарантирует принятие правильных решений.

Кварцевые резонаторы широко используются в электронной промышленности. Их можно использовать в кварцевых генераторах и кварцевых фильтрах, где они обеспечивают исключительно высокий уровень производительности.В дополнение к этому, недорогие элементы с более низкими допусками широко используются в кварцевых генераторах для тактовых частот микропроцессорных плат, где они используются в качестве дешевых резонаторных элементов. Независимо от того, как он используется, кварцевый резонатор обеспечивает исключительно высокий уровень производительности при затратах на его производство.

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .

Описание кварцевого резонатора

Точное время — одно из основных требований для многих технологий, которые мы принимаем как должное, но многие ли из нас останавливаются, чтобы рассмотреть компонент, который позволяет нам его получить? Кварцевый кристалл — это наш стандарт, когда нам нужна доступная, известная и стабильная тактовая частота для наших микропроцессоров и других цифровых схем. Возможно, пора присмотреться к нему поближе.

Первые электронные генераторы на радиочастотах основывались на электрических свойствах настроенных цепей с индукторами и конденсаторами, чтобы поддерживать их на частоте. Настроенные схемы дешевы и просты в изготовлении, однако на их стабильность частоты сильно влияют внешние факторы, такие как температура и вибрация. Таким образом, ВЧ-генератор, использующий настроенную схему, может дрейфовать на многие кГц за период своей работы, и на его синхронизацию нельзя полагаться. Задолго до того, как для компьютеров потребовалась точная синхронизация, радиопередатчики 1920-х и 1930-х годов должны были оставаться на частоте, и приходилось прилагать значительные усилия, чтобы удерживать настроенный передатчик на цели.Кристалл кварца ждал, чтобы налететь и спасти нас от этих усилий.

Хорошая вибрация

Эквивалентная схема кристалла кварца. Вольфманкурд [PD} через Wikimedia Commons. Решение проблемы стабильности частоты настроенного контура заключалось в использовании кварцевого кристалла, резонансного элемента, физические свойства которого значительно менее подвержены влиянию внешних факторов, таких как температура, чем индукторы или конденсаторы. Кристаллы кварца являются пьезоэлектрическими, то есть, когда вы их деформируете, они развивают электрический заряд, а когда к ним прикладывается электрический заряд, они, в свою очередь, деформируются.Таким образом, вы можете электрически создать физическую вибрацию в тщательно вырезанном кристалле кварца. Так же, как камертоны, гонги и другие упругие твердые тела могут проявлять физический резонанс, кристалл можно использовать в качестве электрического резонатора.

Электрическая эквивалентная модель кристалла кварца — это модель последовательно настроенной цепи, включенной параллельно конденсатору, что придает ей некоторые свойства как параллельной, так и последовательно настроенной цепи. Однако он отличается от настроенной схемы, изготовленной из обычных компонентов, тем, что имеет чрезвычайно высокую добротность или узкую полосу пропускания.Он может быть включен в цепь обратной связи генератора так же, как и настроенный контур, и тогда генератор будет успешно работать на своей резонансной частоте.

Твердый как камень

Осциллятор Пирса. Омегатрон [CC BY-SA 3.0], через Wikimedia Commons. Практические кристаллы принимают форму точно отшлифованных дисков или пластин синтетического кварца с химически нанесенными металлическими электродами с обеих сторон. Они устанавливаются в герметично закрытые пакеты для обеспечения их устойчивости.

Существует множество конфигураций кварцевого генератора, но наиболее вероятной схемой, с которой вы столкнетесь при работе с цифровыми схемами, является генератор Пирса. Вы обнаружите, что это реализовано с использованием дискретных логических вентилей, а также во множестве микропроцессоров и других ИС. Кристалл состоит из пары конденсаторов и резистора смещения высокого номинала в виде схемы фазового сдвига от выхода к входу инвертора. Один из конденсаторов может иногда иметь небольшой переменный конденсатор, включенный параллельно, что позволяет выполнять очень небольшие корректировки частоты для корректировки допусков отдельных кристаллов.На резонансной частоте кристалла требуется сдвиг фазы на 180 градусов в кристалле для поддержания колебаний.

То, что вы только что прочитали, представляет собой очень простой пример того, что такое кристалл, как он работает и как вы можете увидеть его использование. Однако это даст вам только часть истории, поскольку кварцевый резонатор — это больше, чем кажется на первый взгляд.

Это все в подтекстах

Резонансная частота кристалла кварца пропорциональна его размерам.По мере того, как кристалл становится тоньше, частота увеличивается. В конце концов, когда частота увеличивается, наступает момент, когда толщина материала не может быть уменьшена дальше без разрушения кристалла, поэтому существует верхняя частота, выше которой кристалл не может быть изготовлен. Он варьируется в зависимости от используемых методов, но обычно составляет где-то выше 20 МГц.

Демонстрация гармонических обертонов в звуковых волнах в закрытой трубе. Commator [CC BY-SA 4.0], через Wikimedia Commons.Конечно, вы заметите, что кристаллы доступны с частотой, во много раз превышающей эту частоту, так что случилось? Ответ заключается в том, что частоты кристалла выше этого числа достигаются за счет гармонических обертонов. Частота ниже 20 МГц — это просто основной резонанс, другие резонансы могут быть достигнуты в том же кристалле с кратностью основной гармоники. Этот эффект можно легко продемонстрировать на примере стоячих волн в привязанном канате или в акустических свойствах закрытой трубы, как показано на диаграмме.

На практике кристалл, предназначенный для использования обертона, будет иметь резонансы, нечетные кратные его основной частоте. Так, например, обертонный кристалл с основной частотой 10 МГц также будет иметь резонансы обертона на 30 и 50 МГц.

Обертонная версия генератора Пирса с дополнительной настройкой схемы. Примечание 340 к приложению Fairchild Semiconductor, Кристаллические генераторы HCMOS.

Однако включение обертонного кристалла в схему Пирса, показанную выше, не вызовет его колебания на частоте обертона, вместо этого он будет работать на своей основной частоте.Обертонный осциллятор должен включать в себя дополнительную настроенную схему, предназначенную для подавления основной частоты, оставляя наиболее заметные из обертоновых резонансов определять частоту колебаний. В нашем примере из примечания к приложению логики CMOS, индуктор в выходной цепи инвертора выполняет эту задачу.

Помимо осциллятора, есть еще одна функция, в которой вы можете встретить кристаллы. В радиосхемах их чрезвычайно узкая полоса пропускания означает, что они могут быть подключены гирляндой для создания чрезвычайно селективного фильтра.Один метод генерации передачи с одной боковой полосой использует кварцевый фильтр, достаточно узкий, чтобы выделить одну боковую полосу из сигнала AM несущей с подавлением двух боковых полос.

Скорее всего, когда вам понадобятся часы с кварцевым управлением в наши дни, вам понадобится готовый модуль кварцевого генератора, и вам никогда не придется создавать свои собственные. А когда вам нужна более высокая частота, вы будете использовать микросхему тактового генератора с фазовой автоподстройкой частоты, так что вам никогда не понадобится создавать генератор обертонов.Но если речь идет о каком-либо часто используемом компоненте, знание основ не причинит вреда, и кристаллы не являются исключением.

[Показанное и уменьшенное изображение кристалла Arduino: DustyDingo [Общественное достояние], через Wikimedia Commons.]

Осциллятор

— как работает кристалл?

Кристаллы ниже их резонансной частоты кажутся в основном емкостными. Выше своей резонансной частоты они кажутся в основном индуктивными. На своей резонансной частоте они кажутся в основном резистивными.

Трижды нарисуйте генератор Пирса, заменив кристалл одним из этих компонентов. Это может помочь вам понять, как это работает.

Параллельные резонансные кристаллы на самом деле указаны немного ниже основной частоты. Это заставляет кристалл казаться немного емкостным на указанной частоте. Дополнительная емкость добавляет немного дополнительного фазового сдвига, чтобы помочь генератору запускаться и работать.

Вход усилителя видит более сильный сигнал около основной гармоники кристалла (резистивный, обычно менее 100 Ом ESR).Более мелкие внеполосные сигналы уменьшаются или блокируются, поэтому сигнал на основной частоте становится сильнее (после усиления) и доминирует.

Толкнуть кого-нибудь на качели. Как бы вы ни старались, качели действительно будут двигаться вперед-назад только на некоторой основной частоте.

Представьте себе кристалл как поверхность воды. Теперь пошлите рябь (волны) по этой поверхности. Волны перемещают поверхность вверх и вниз, эффективно изгибая поверхность. Кристалл тоже изгибается при вибрации.

Изгиб может быть вызван приложением электрического поля к кристаллу кварца, но также сам изгиб создает противоположное электрическое поле в кристаллической решетке. В состоянии покоя эти силы уравновешены, и кристалл не имеет заряда.

Что легче вибрировать рукой: линейка 12×1 дюйм или лист фанеры 6×4 футов? Очевидно, меньшая линейка может вибрировать быстрее!

Кристаллы такие же. Их размеры определяют их резонансную частоту; более мелкие и / или более тонкие кристаллы вибрируют быстрее.Это также то, что ограничивает основную частоту кристалла: кристаллы становятся слишком маленькими или слишком тонкими для точной обработки механической обработкой или химическим травлением на более высоких частотах.

На действительно низких частотах кристаллы становятся настолько большими или толстыми, что требуется слишком много энергии, чтобы заставить их изгибаться; поэтому для низкочастотных синхронизирующих кристаллов 32,768 кГц используется конструкция кварцевого резонатора.

Кристаллы могут колебаться на нескольких частотах. Это обертоны, кратные основному тону, но они, как правило, слабее основного.Можно разработать схему, заставляющую кристалл колебаться на обертоне, обычно третьем или пятом. Обычно кристаллы с частотой более 40 МГц предназначены для 3-го или 5-го обертона, а не для основного тона, поэтому внимательно прочтите спецификации перед покупкой!

кристаллов, осцилляторов и резонаторов. Какая разница?

И керамические резонаторы, и кристаллы кварца работают по одному и тому же принципу: они механически вибрируют, когда на них подается сигнал переменного тока. Кристаллы кварца более точны и устойчивы к температуре, чем керамические резонаторы.Сам резонатор или кристалл имеет два соединения . Слева кристалл, справа керамический резонатор.

Как вы говорите, генератору нужны дополнительные компоненты, два конденсатора. Активная часть, которая заставляет генератор работать, — это усилитель, который подает энергию для поддержания колебаний.

Некоторые микроконтроллеры имеют низкочастотный осциллятор для кристалла 32,768 кГц, который часто имеет встроенные конденсаторы, так что вам нужно только два соединения для кристалла (слева).Однако большинству генераторов конденсаторы требуются извне, и тогда у вас есть три соединения: вход усилителя, выход усилителя и земля для конденсаторов. В резонатор с тремя выводами встроены конденсаторы.

Функция конденсаторов: для генерации в замкнутом контуре усилитель-кристалл должен иметь полный фазовый сдвиг 360 °. Усилитель инвертирующий, это 180 °. Вместе с конденсаторами кристалл заботится о остальных 180 °.

edit
Когда вы включаете кварцевый генератор, это просто усилитель, вы еще не получаете желаемую частоту.Единственное, что есть шум низкого уровня в широкой полосе пропускания. Генератор усиливает этот шум и пропускает его через кристалл, после чего он снова входит в генератор, который снова усиливает его, и так далее. Разве это не должно вызвать у вас очень много шума? Нет, свойства кристалла таковы, что он пропускает только очень небольшое количество шума вокруг своей резонансной частоты. Все остальное будет приглушено. В конце концов, остаётся только резонансная частота, а затем мы колеблемся.

Можно сравнить с батутом. Представьте себе группу детей, случайно прыгающих на нее. Батут не сильно двигается, и детям нужно приложить много усилий, чтобы подпрыгнуть всего на 20 см. Но через некоторое время они начнут синхронизироваться, и батут последует за прыжком. Дети будут прыгать все выше и выше с меньшими усилиями. Батут будет колебаться на своей резонансной частоте (около 1 Гц), и будет трудно прыгать быстрее или медленнее. Это частоты, которые будут отфильтрованы.
Ребенок, прыгающий на батуте, является усилителем, он поставляет энергию для поддержания колебаний.

Дополнительная литература
Кварцевые генераторы MSP430 32 кГц

Осциллятор

— Как проверить кварцевый резонатор на плате?

Насколько я понимаю, ответа не последовало. Позвольте предложить другой ответ.

Большинство современных микросхем используют так называемый осциллятор Пирса для генерации стабильных часов с использованием кристаллов. Вот конфигурация главной схемы:

Как видно, схема не симметрична: правая сторона — это выход какого-то драйвера (обычно обозначается как XO), а левая сторона — вход на инвертирующий усилитель (обычно обозначаемый как XI).Поэтому относительно безопасно исследовать конец XO (выходной), при условии, что зонд имеет относительно высокий импеданс. Подойдет обычный пассивный пробник 1:10 с входным сопротивлением 1 МОм. На практике выходной драйвер в усилителе схемы сделан намеренно слабым, как правило, с нагрузочной способностью не более 1 мА, чтобы предотвратить перегрузку Xtal, но 1 мА должно быть достаточно для управления пробником осциллографа 1M.

Емкость наконечника пробника может сместить частоту колебаний на 20-50 ppm, так как это изменит настройку цепи (Xtal нагрузка, C1 последовательно с C2).Однако нагрузка датчика на XO не должна нарушать колебания, за исключением случаев, когда вся схема является слишком маргинальной и не соответствует критериям стабильности (отрицательное сопротивление усилителя должно быть в 3-5 раз больше, чем Xtal ESR). Если датчик делает это, считайте тест Xtal неудачным.

Никогда не следует пробовать вход XI, может быть, только датчиком 100 МОм, и только из любопытства. Причина не в емкости наконечника (2-8-12 пФ или что-то еще), а в появлении сдвига постоянного тока на выводе XI из-за конечного сопротивления зонда.Генератор Пирса представляет собой очень тонкую нелинейную схему и имеет очень важную составляющую обратной связи по постоянному току R1, которая эффективно регулирует входной уровень постоянного тока до точки максимального усиления, обычно примерно на полпути от земли к Vcc. Компонент R1 обычно составляет 1 МОм и выше, и колебания центрируются в автоматически выбранной точке постоянного тока. При подключении пробника даже на 10 МОм эта точка смещается вниз, усиление падает, а колебания затухают.

И, конечно же, лучший способ проверить колебания — не трогать его щупами, а иметь внутренний буфер с выходом на какой-то другой тестовый пин GPIO.

Обзор схемы кварцевого генератора Работа с приложениями

Кварцевый генератор — это схема электронного генератора, которая используется для механического резонанса колеблющегося кристалла из пьезоэлектрического материала. Он создаст электрический сигнал с заданной частотой. Эта частота обычно используется для отслеживания времени, например, наручные часы используются в цифровых интегральных схемах для обеспечения стабильного тактового сигнала, а также используются для стабилизации частот для радиопередатчиков и приемников.Кристалл кварца в основном используется в генераторах радиочастоты (RF). Кварцевый кристалл является наиболее распространенным типом пьезоэлектрических резонаторов, мы используем их в схемах генераторов, поэтому они стали известны как кварцевые генераторы. Кварцевые генераторы должны быть спроектированы таким образом, чтобы обеспечивать нагрузочную емкость.

Существуют различные типы электронных схем генератора, которые используются, а именно: линейные генераторы — генератор Хартли, генератор с фазовым сдвигом, генератор Армстронга, генератор Клаппа, генератор Колпитца.Осцилляторы релаксации — осциллятор Ройера, кольцевой осциллятор, мультивибратор и осциллятор, управляемый напряжением (ГУН). Вскоре мы собираемся подробно обсудить кварцевые генераторы, такие как работа и применение кварцевого генератора.

Что такое кристалл кварца?

Кристалл кварца проявляет очень важное свойство, известное как пьезоэлектрический эффект. Когда механическое давление прикладывается к граням кристалла, на кристалле появляется напряжение, пропорциональное механическому давлению.Это напряжение вызывает искажение кристалла. Величина искажения будет пропорциональна приложенному напряжению, а также переменному напряжению, приложенному к кристаллу, который он заставляет вибрировать с собственной частотой.

Схема на кристалле кварца

На приведенном ниже рисунке представлен электронный символ пьезоэлектрического кристаллического резонатора, а также кристалл кварца в электронном генераторе, который состоит из резистора, катушки индуктивности и конденсаторов.

Принципиальная схема кварцевого генератора

На приведенном выше рисунке показан новый кварцевый кварцевый генератор с частотой 20psc 16 МГц и один из видов кварцевых генераторов, который работает с частотой 16 МГц.

Кварцевый осциллятор

Обычно биполярные транзисторы или полевые транзисторы используются в схемах кварцевых генераторов. Это связано с тем, что операционные усилители могут использоваться в различных схемах низкочастотных генераторов с частотой ниже 100 кГц, но операционные усилители не имеют достаточной полосы пропускания для работы. Это будет проблемой на более высоких частотах, которые соответствуют кристаллам с частотой выше 1 МГц.

Для решения этой проблемы разработан кварцевый генератор Колпитца. Он будет работать на более высоких частотах.В этом генераторе цепь LC-резервуара, обеспечивающая колебания обратной связи, заменена кварцевым кристаллом. Принципиальная схема кварцевого генератора

Работа кварцевого генератора

Схема кварцевого генератора обычно работает по принципу обратного пьезоэлектрического эффекта. Приложенное электрическое поле вызывает механическую деформацию некоторых материалов. Таким образом, он использует механический резонанс вибрирующего кристалла, который сделан из пьезоэлектрического материала для генерации электрического сигнала определенной частоты.

Обычно кварцевые генераторы очень стабильны, имеют хорошую добротность (Q), они небольшие по размеру и экономичны. Следовательно, схемы кварцевого генератора лучше по сравнению с другими резонаторами, такими как LC-схемы, камертоны. Обычно в микропроцессорах и микроконтроллерах мы используем кварцевый генератор 8 МГц.

Эквивалентная электрическая схема также описывает действие кристалла в кристалле. Просто посмотрите на эквивалентную электрическую схему, показанную выше.Основные компоненты, используемые в схеме, индуктивность L представляет собой массу кристалла, емкость C2 представляет собой податливость, а C1 используется для представления емкости, которая образуется из-за механического формования кристалла, сопротивление R представляет собой трение внутренней структуры кристалла, Схема генератора на кварцевом кристалле Диаграмма состоит из двух резонансов, таких как последовательный и параллельный резонанс, т. е. двух резонансных частот.

Кварцевый генератор работает

Последовательный резонанс возникает, когда реактивное сопротивление, создаваемое емкостью C1, равно реактивному сопротивлению, создаваемому индуктивностью L.Fr и fp представляют собой последовательные и параллельные резонансные частоты соответственно, а значения «fr» и «fp» можно определить с помощью следующих уравнений, показанных на рисунке ниже.

Приведенная выше диаграмма описывает эквивалентную схему, график для резонансной частоты, формулы для резонансных частот.

Использование кварцевого генератора

В целом мы знаем, что в конструкции микропроцессоров и микроконтроллеров кварцевые генераторы используются для обеспечения тактовых сигналов.Например, давайте рассмотрим микроконтроллер 8051, в этом конкретном контроллере схема внешнего кварцевого генератора будет работать с частотой 12 МГц, что очень важно, хотя этот микроконтроллер 8051 (в зависимости от модели) способен работать на частоте 40 МГц (макс.), Должен обеспечивать 12 МГц. в большинстве случаев, потому что для машинного цикла 8051 требуется 12 тактовых циклов, чтобы обеспечить эффективную частоту цикла от 1 МГц (принимая тактовую частоту 12 МГц) до 3,33 МГц (принимая максимальную тактовую частоту 40 МГц). Этот конкретный кварцевый генератор имеет тактовую частоту от 1 МГц до 3.33 МГц используется для генерации тактовых импульсов, необходимых для синхронизации всех внутренних операций.

Применение кварцевого генератора

Существуют различные применения кварцевого генератора в различных областях, и некоторые из приложений кварцевого генератора приведены ниже

Приложение кварцевого генератора Колпитца

Генератор Колпитса используется для генерации синусоидального выходного сигнала на очень высоких частотах . Этот генератор может использоваться в качестве датчиков различных типов, таких как датчики температуры. Благодаря устройству на ПАВ, которое мы используем в схеме Колпиттса, он воспринимает сигналы непосредственно с его поверхности.

Кристаллический осциллятор Колпитца

Генераторы Колпитца применяются в основном там, где используется широкий диапазон частот. Также используется в условиях незатухающих и непрерывных колебаний. Используя некоторые устройства в схеме Колпитца, мы можем добиться большей температурной стабильности и высокой частоты.

Colpitts используется для развития мобильной связи и радиосвязи.

Применение кварцевого генератора Армстронга

Эта схема была популярна до 1940-х годов.Они широко используются в регенеративных радиоприемниках. На этом входе радиочастотный сигнал от антенны магнитно вводится в контур резервуара через дополнительную обмотку, и обратная связь снижается, чтобы регулировать усиление в контуре обратной связи. Наконец, он производит узкополосный радиочастотный фильтр и усилитель. В этом кварцевом генераторе резонансный контур LC заменен контурами обратной связи.

Кристаллический осциллятор Армстронга

В военной и авиакосмической промышленности

Кристаллические осцилляторы используются в военной и авиакосмической промышленности для создания эффективных систем связи.Система связи предназначена для использования в целях навигации и радиоэлектронной борьбы в системах наведения.

In Research and Measurement

Кварцевые генераторы используются в исследованиях и измерениях для астрономической навигации и слежения за космосом, в медицинских устройствах и в других сферах. измерительные приборы.

Промышленное применение кварцевого генератора

Есть много промышленных применений кварцевого генератора. Они широко используются в компьютерах, контрольно-измерительных приборах, цифровых системах, в системах фазовой автоподстройки частоты, модемах, морских судах, телекоммуникациях, в датчиках, а также в дисководах.

Кристаллический осциллятор

также используется для управления двигателем, часами и бортовым компьютером, стереосистемой и в системах GPS. Это автомобильное приложение.

Кварцевые генераторы используются во многих товарах народного потребления. Например, системы кабельного телевидения, видеокамеры, персональные компьютеры, игрушки и видеоигры, сотовые телефоны, радиосистемы. Это потребительское приложение Crystal Oscillator.

Это все о кристаллическом осцилляторе, его работе и приложениях.Мы считаем, что информация, представленная в этой статье, поможет вам лучше понять эту концепцию. Кроме того, с любыми вопросами относительно этой статьи или любой помощью в реализации проектов в области электротехники и электроники вы можете обратиться к нам, оставив комментарий в разделе комментариев ниже.