Кварц в электронике: Страница не найдена | Практическая электроника

Содержание

Кварцевый резонатор.

Принцип работы и свойства кварцевого резонатора

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.

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.

Естественно, при применении конденсатора в составе LC-контура, частота его колебаний будет очень сильно зависеть от внешней температуры среды. То же касается и индуктивности, у которой также есть своя температурная характеристика - ТКИ.

Понятно, что для использования в цифровой технике (в том числе и в технике связи) требуется более стабильный и надёжный источник гармонических колебаний.

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 кварцевого резонатора.

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.


Кристалл кварца

Химически кварц очень устойчив и не растворяется ни в одной из кислот, за исключением плавиковой. Также кварц очень твёрдый. На шкале твёрдости он занимает седьмое место из десяти.

Чтобы изготовить кварцевую пластинку берётся кристалл кварца и из него под определённым углом вырезается пластинка. От угла, под которым происходит срез, зависят электромеханические свойства кварцевой пластины. Тип среза существенно влияет на температурную стабильность, количество паразитных резонансов, резонансную частоту.

Далее на две стороны кварцевой пластины наносят металлизированный слой (из серебра, никеля, золота или платины) и посредством жёстких проволочных контактов закрепляют в кварцедержателе. Всю эту конструкцию помещают в герметичный корпус.

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.


Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора

Здесь С0 – это постоянная (статическая) ёмкость образующаяся за счёт металлических пластин-электродов и держателя. Последовательно соединённые индуктивность L1,конденсатор С1 и активное сопротивление Rакт. 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 5730 С, 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.


Условное обозначение кварцевого резонатора на схемах

Как проверить кварцевый резонатор?

Многие начинающие радиолюбители задаются вопросом: “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.

Более подробную информацию о кварцевых резонаторах вы узнаете из книги, которую найдёте здесь.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

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.

Как подключить кварцевый резонатор

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.

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. 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.

Что такое кварц

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

Выглядит он примерно вот так:

Ну прямо сокровище какое-то!

Но сокровище спрятано не в самом кварце, а в том, каким свойством он обладает. И этот эффект кварца сделал революцию в прецизионной (точной) электронике…

Еще в 19 веке два брата Кюри обнаружили интересное свойство некоторых твердых кристаллов генерировать ЭДС , деформируя эти кристаллы.

Существует также и обратный эффект, то есть при подаче напряжения мы можем деформировать эти кристаллы. Невооруженным глазом это практически не заметно. Такой эффект называется пьезоэффектом, а вещества – пьезоэлектриками.

ЭДС возникает только в процессе сжатия или растяжения. Может быть вы подумали, прижать такой кристалл и всю жизнь получать из него энергию? Побрейтесь). Кстати, пьезоизлучатель тоже относится к пьезоэлектрикам и из него можно получить ЭДС. Ниже на видео светодиод, подпаянный к пьезоизлучателю. Когда мы давим на пьезоизлучатель, вырабатывается ЭДС, которая и зажигает маленький светодиод:

Не так давно смотрел фильм по National Geographic. Там целые пьезоэлектрические плиты устанавливали на дороге. По ним ходили люди и вырабатывали электрическую энергию, сами того не подозревая). Кстати, очень халявная, чистая и возобновляемая энергия))).

Ладно, что-то отвлекся… Так вот, кристаллы кварца тоже обладают пьезоэффектом и способны также вырабатывать ЭДС или деформироваться (изгибаться, изменять форму) под воздействием электрического тока.

Кварцевый резонатор

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

Кварцевые резонаторы выглядят в основном вот так:

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

Итак, что мы тут видим? Прозрачный кристалл кварца, размещенный между двумя металлическими пластинками, к которым подпаяны выводы самого кварца.

В маленьких кварцах типа этих

используются тонкие прямоугольные пластинки кварца. Здесь правило такое: чем больше толщина пластинки, тем ниже рабочая частота кварца. Поэтому, самые высокие частоты, на которые делают кварцы, составляет не более 50 Мегагерц, так как пластинка получается очень тонкая, что создает трудности при ее изготовлении. Да и держать ее как-то надо в корпусе, не поломав. По идее, можно выжать из кварца частоту и до 200 Мегагерц, но работать такой кварц будет на обертоне.

Что такое обертоны

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

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

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

Схема, которая возбуждает кварц на обертонах, сложная и не очень надежная, так как во-первых, надо “давить” главную частоту кварца и выделять обертон, а во-вторых, кварц может возбудиться в режиме случайных колебаний. На практике все-таки делают схемы с умножением главной частоты кварца, что намного проще и надежнее.

Обозначение кварца на схеме

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

Принцип работы кварца

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

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

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

С1 – это динамическая емкость самого кристалла. Динамическая – это значит проявляется при работе кварца. Ее значение несколько фемтоФарад. Фемто – это 10 -15 !

L1 – это динамическая индуктивность кристалла. Она может достигать несколько тысяч Генри!

R1 – динамическое сопротивление, при работе кварца может достигать от нескольких Ом и до нескольких КилоОм

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

Принцип работы кварцевого резонатора такой: если к обкладкам кварцевого резонатора подвести переменное напряжение, то его пластинка начнет колебаться с частотой подведенного напряжения. Если подведенная частота будет совпадать с собственной резонансной частотой колебания кварца, то наступит резонанс. Напряжение на обкладка кварца резко возрастает. В этом случае кварцевый резонатор ведет себя, как настроенный на определенную частоту колебательный контур с очень высокой добротностью.

Каждый кварц имеет разные частоты последовательного и параллельного резонанса. Если мы видим на кварце вот такую надпись

это говорит нам о том, что на частоте последовательного резонанса мы можем возбудить этот кварц на частоте 8 Мегагерц. В основном кварц работает на частоте последовательного резонанса. Здесь также есть еще одно правило: если частота маркируется в целых числах в Килогерцах – это работа на основной гармонике, а если в Мегагерцах через запятую – это обертонная гармоника. Например: РГ-05-18000кГц – резонатор для работы на основной частоте, а РГ-05-27,465МГц – для работы на 3-ем обертоне.

И запомните раз и навсегда:

Также рекомендую к прочтению продолжение статьи, которая называется кварцевый генератор.

КМОП-генератор с точностью выше, чем у кварца

Компания Integrated Device Technology (IDT) представила полностью кремниевый КМОП-генератор, точность воспроизведения частоты которого, по ее мнению, самая высокая в отрасли.

Для синхронизации высокоскоростных цифровых цепей требуется долговременный опорный сигнал высокой точности. С этой целью обычно применяют кварцевые генераторы. Производители КМОП-генераторов, однако, заявляют о новом поколении устройств, чья точность воспроизведения частоты выше, чем у кварцевых устройств, а габариты и энергопотребление меньше, чем у МЭМС.

Генератор IDT3C02 (сверху) подключен к микросхеме ASIC OEM-приложения

 

«Мы приступили к производству 100-ppm КМОП-генераторов, составляющих конкуренцию кварцевым генераторам. В прошлом квартале наша компания поставила 3,2 млн шт. таких устройств», – заявил Майкл МакКоркводэйл (Michael McCorquodale), учредитель компании Mobius Microsystems, которая изобрела технологию КМОП-генераторов, а в январе этого года была приобретена IDT. В IDT МакКоркводэйл является генеральным директором отдела управления кремниевых устройств стабилизации частоты.

К 2011 г. IDT намеревается создать 50-ppm устройства, а пока поставляет ОЕМ-производителям модели 100-ppm генератора IDT3C02, который успешно заменяет кварцевые генераторы в широком ряду приложений по синхронизации. IDT заявила о том, что ее устройства будут применяться в сетях Gbit Ethernet, в интерфейсах DisplayPort, PCIe, SATA, USB 3.0, SIM-платах, персональных электронных идентификаторах доступа, смарт-картах, микроконтроллерах, твердотельных (SSD) и флэш-накопителях, а также в устройствах для считывания карт.

OEM-производители, как утверждает компания IDT, уже подтвердили, что цифровые цепи с использованием устройств IDT3C02 обеспечивают превосходные показатели BER (Bit Error Rate – частота ошибок по битам) при меньшей стоимости по сравнению с кварцевыми генераторами и весьма миниатюрных размерах 5×3,2×0,9 мм (размеры 50-ppm компонентов будут еще меньше – 2,5×2×0,9 мм).

Разработчики IDT установили цепь компенсации на КМОП-генератор, позволяющую генерировать высокие частоты с большой точностью. Этот компонент можно интегрировать в корпус системы, чего нельзя сделать с кварцевым генератором.

Схема кристалла кремниевого КМОП-генератора IDT состоит из дросселя (вверху) и цепи компенсации

 

IDT поставляет КМОП-генераторы на нескрайбированных пластинах, что позволяет заказчикам устанавливать IDT3C02 на ASIC в многокристальный модуль, а также в такие чувствительные к стоимости системы как флэш-накопители или в бескорпусные кристаллы.

Общее число поданных заявок и полученных патентов IDT по этой тематике составило 35. Патенты касаются уникальной цепи компенсации и метода корпусирования кристаллов, позволяющего изолировать КМОП-генератор от воздействия паразитных полей и окружающей среды. До того как были сделаны эти изобретения, содержащиеся в окружающей среде водяные пары не позволяли достичь точности воспроизведения частоты в 100 ppm и фазового дрожания менее 457 фс.

Фазовый шум термокомпенсированного генератора IDT3C02, характеристики которого неизменны в различных средах, равен 140 дБc/Гц. За счет того, что генератор не использует ФАПЧ, он потребляет менее ¼ энергии, необходимой для кварцевого генератора, МЭМС и других кремниевых генераторов – всего лишь 2 мА в активном состоянии и 200 нА в режиме ожидания. Время включения составляет 100 мкс, а напряжение питания – 1,8–3,3 В. Отсутствие в IDT3C02 движущихся частей (в отличие от кварцевых генераторов и МЭМС) обеспечивает высокую ударопрочность и виброустойчивость.

 

Источник: EETimes

Студия электроники "Кварц"

Козелкин Виктор Александрович

На занятиях дети используют электронный конструктор «Знаток» и макетные платы, позволяющие собирать электронные схемы без пайки, учатся пользоваться современными измерительными приборами.

Окончил МГТУ имени Н.Э. Баумана по специальности "Радиоэлектронные системы".

Преподаватель робототехники в Центре робототехники и программирования "Эдукрафт".

Электроника – не просто интересная наука, в ней есть какая-то необъяснимая притягательность, загадочность и, можно сказать, магия. Ведь когда из кучи деталей в руках ребенка возникает электронная схема, которая вдруг оживает, это действительно воспринимается как волшебство. Электроника привлекательна, прежде всего, возможностью самостоятельно создавать приборы, которые можно использовать в повседневной жизни – радиоприемники, усилители, устройства автоматики, радиоуправляемые модели и прочее.

На занятиях в кружке электроники ребенок:

* Получает разностороннюю подготовку, расширяет свой кругозор благодаря знакомству с историей развития современной техники и изучению смежных дисциплин, таких как физика и химия

* изучает основы электроники, узнаёт, как работают электронные компоненты, из которых созданы все окружающие нас электронные приборы

* развивает навыки решения нестандартных задач

* учится работать в команде, работать над совместными проектамится читать электрические схемы, самостоятельно собирать их, находить неисправности

* разрабатывает и создает свои собственные проекты

На занятиях дети используют электронный конструктор «Знаток» и макетные платы, позволяющие собирать электронные схемы без пайки, учатся пользоваться современными измерительными приборами.

Занятия проходят в интерактивной форме с использованием современных обучающих методик, таких как «Обучение как приключения» (Дейв Бэрджес), а также различных наглядных пособий и обучающих презентаций.

Дополнительная информация по телефону: 8(495)441-95-66

Полярный кварц – вклад в нано- электронику России

30&nbspиюня 2016

В этом году будут запущены объекты первой очереди завода «Полярный кварц».

Комплекс по производству сырья для изготовления микросхем находится в высокой степени готовности. Как реализуется проект и каково его будущее,  «Новостям Югры» рассказал директор департамента экономического развития – заместитель губернатора Павел Сидоров.

Напомним, проект «Полярный кварц» был инициирован в 1998 году. Его цель состояла в создании на территории Югры уникального даже по российским меркам высокотехнологичного производства особо чистых кварцевых концентратов, полного цикла по выпуску кварцевых тиглей и прочей продукции. Такие «ингредиенты», как кварцевый порошок, востребованы наноэлектронной,  оптической, светотехнической и химической промышленностью. Инвестиционный проект особенно актуален сегодня, в свете мировых процессов, понуждающих нас к активному импортозамещению.

Ключевые вехи

По словам Павла Сидорова, важным этапом в развитии проекта стал ввод в эксплуатацию промежуточной перевалочной базы с цехом первичного обогащения кварцевой руды в поселке Усть-Пуйва Березовского района. Назначение комплекса – дробление, классификация, оптическая сортировка жильного кварца месторождений Приполярного Урала Додо и Нестер-Шор.

– Также были проведены работы по изготовлению опытно-промышленных партий продукции для тестирования потенциальными заказчиками. Изучалась перспектива использования продуктов при производстве искусственного пьезокварца. Рассматривается возможность поставки Южноуральскому заводу «Кристалл» кускового кварца для выращивания кристаллов пьезокварца в промышленных масштабах, – рассказал о перспективах сбыта продукции Павел Сидоров.

Уже проведены испытания технологии получения крупки для изготовления качественных электроплавленных кварцевых тиглей, пригодных для выращивания кристаллов кремния.

Заключен договор на выполнение научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы «Создание установки обогащения кварцевых концентратов». Установка сможет в промышленных масштабах производить кварцевые концентраты с минимальным содержанием примесей. Именно такой высококачественный продукт востребован для синтеза полупроводниковых материалов современной электроники. Кроме того, в центральной аналитической лаборатории и на участке опытного производства в Кыштыме разработана и испытана установка непрерывного выщелачивания кварцевой крупки «Гейзер».

Помимо этого, заключено важное соглашение с Югорским государственным университетом о научно-техническом сотрудничестве. Оно, в частности, предусматривает подготовку специалистов в области физикохимии наноматериалов. Также ведется совместная работа с кафедрой строительства по теме применения отходов производства кварцевых концентратов в качестве активной добавки при производстве бетонных смесей (это должно сделать бетон прочнее).

Задачи 2016 года

– На этот год запланирован ввод в эксплуатацию объектов первой очереди строительства завода по производству особо чистого кварцевого концентрата с цехом механического обогащения в Нягани, – рассказал Павел Сидоров. – Доработка технологии обогащения, проводимая с обеспечением гибкости производства, позволит постоянно расширять ассортиментный перечень продукции и улучшать ее качество, а также работать в условиях своевременной технической модернизации производства. Только так предприятие имеет перспективы получения конкурентоспособной продукции.

Расширение продуктовой линейки должно позволить довести объемы переработки до уровня, когда технологические линии будут загружены на полную мощность. Это в свою очередь обеспечит ритмичность добычи.

Перспективы

Сейчас рассматривается возможность выхода на рынок с продукцией, ранее не предусмотренной проектом. Это крошка, кварцевая мука, кварц молотый пылевидный и другие.

В этом году планируется выполнить экономические расчеты по проектированию линий производства монокристаллического кремния, карбида кремния и его монокристаллов.

По материалам UGRA-NEWS.ru

Кварц в «Электроника-004» - The virtual drink — LiveJournal

Из всей линейки катушечных магнитофонов «Олимп» и «Электроника» я выделяю «Электроника-004» (далее Э-004). Это единственный аппарат, где использовался нормальный ведущий двигатель – синхронный ДБ-95, сделанный по лицензии японской фирмы «Шинано Токки».

В других магнитофонах этой линейки использовались асинхронные двигатели. Конечно, со своей задачей они тоже справлялись, но выглядело это не очень красиво. Двигатели питались переменным напряжением сетевой частоты, а для регулировки скорости напряжение питания регулировалось транзистором, включенным в диагональ диодного моста. Т.е. скорость регулировалась за счет изменения проскальзывания, а частота питающего напряжения оставалась неизменной. Наверное, в 70-е годы, откуда берут свое начало эти аппараты, так было сделать легче. Транзисторный коммутатор для двигателя вызывал тогда заметное усложнение аппарата. Тем не менее, в Э-004 на коммутатор раскошелились.

Двигатель ДБ-95 имеет внешний ротор, внутри которого находится кольцевой 8-полюсный магнит. К ротору прикреплена большая стальная шестерня, которая является частью тахогенератора. Внутри ротора находится статор. Его сердечник набран из пластин электротехнической стали и имеет 24 паза. В пазы уложены обмотки каждой из трех фаз, по 8 секций каждая.

Ротор насаживается на вал, который вращается в подшипниках. Спереди находится подшипник скольжения, выполненный в виде бронзографитовой втулки. Такие втулки изготавливают методом порошковой металлургии. Они могут быть бронзовыми, или иметь присадку в виде графита (до 5%). Материал делают пористым, чтобы он мог удерживать смазку. Втулки подвергают специальной обработке в наполненной маслом ванне при температуре 100…120 градусов. В результате масло проникает внутрь пор материала. В литературе работу таких подшипников описывают так:

«Особенностью пористых спеченных подшипников является самосмазывани. Это свойство основано на том, что во время работы, по мере нагревания подшипников, масло, удерживаемое в порах и мельчайших каналах материала за счет капиллярных сил, постепенно вытесняется наружу и образует смазочную пленку на рабочей поверхности, а при остановке и последующем охлаждении всасывается обратно. Очевидно, что ресурс масла, находящегося в порах ограничен и такие подшипники эффективны в узлах, работающих с малой скоростью и нагрузкой, а также там, где допустимо сухое трение.» – К. В. Молоденска, А. А. Цагараев «Применение пористых спеченных материалов при ремонте оборудования».

В настоящее время предлагается широкий ассортимент готовых втулок из пористой бронзы и бронзографита: Sintered bronze bearings.

По причине того, что бронзографитовые втулки пропитаны маслом, при обслуживании их не рекомендуется протирать бензином и другими растворителями. Растворитель способен вымыть масло из пор материала, что приведет к ухудшению смазывания. Протирать такие втулки можно тряпочкой, смоченной в масле.

Почему используют передний подшипник скольжения? Из преимуществ – более низкий шум, чем у подшипников качения и более равномерный момент трения. Неравномерность момента трения может приводить к повышенной высокочастотной детонации. Конечно, существуют прецизионные подшипники качения, которые имеют лучшие характеристики, чем подшипники скольжения. Но, вероятно, они слишком дорогие для данного применения.

Сзади установлен подшипник качения (608ZZ). В отличие от переднего подшипника, он не испытывает значительных радиальных нагрузок со стороны прижимного ролика. Задним торцом вал через шарик упирается в подпятник из какого-то полимера, что-то типа капролона. Силу давления на подпятник обеспечивают пружинящие шайбы, которые устанавливаются на валу между ротором и подшипником качения.

Целью разборки была профилактика двигателя – смазка, замена подшипника качения. Кстати, он был основательно разболтан, в отличие от подшипника скольжения, где не было заметно никакого износа. Главным сюрпризом явилось то, что вал двигателя, который должен быть запрессован в ротор, легко вынулся. Возник вопрос – как закрепить ротор на валу? Решил использовать эпоксидку. Чтобы она затекла в зазор, развел ее растворителем до жидкого состояния. Также был поврежден подпятник – на нем образовалась трещина. Пришлось изготовить новый. Для этого использовал купленный недавно на рынке фторопласт с какими-то добавками (возможно, дисульфида молибдена, но про купленный на рынке материал никогда не узнать всей правды). Из фторопластовой болванки фрезернул пластинку толщиной 1.5 мм и вставил ее в углубление крышки двигателя.

К основанию двигателя сбоку прикручена бакелитовая деталь, на которой размещены датчики скорости и положения ротора. Датчик скорости представляет собой магнитную головку, похожую на головку магнитофона, только с большим зазором. К ней по бокам приклеены небольшие магниты. Когда у зазора головки проходит зуб шестерни, магнитное сопротивление цепи меняется. Меняется и магнитный поток, а на выходе головки получается близкий к синусоидальному сигнал с размахом 0.5 Vp-p. Частота этого сигнала выше частоты вращения ротора в 174 раза (так как шестерня имеет 174 зуба).

Под датчиком скорости расположены датчики положения ротора. Они представляют собой катушки, намотанные на П-образных ферритовых сердечниках. Магнитный поток замыкается через внешнюю часть ротора. Ротор по окружности имеет вставки из немагнитного материала. Катушки включены в схемы генераторов Колпитца (емкостная трехточка) на одном транзисторе. Когда напротив катушки находится немагнитная вставка, индуктивность составляет примерно 1.5 мГн, генератор работает на частоте примерно 125 кГц. Когда ротор поворачивается на такой угол, что напротив катушки оказывается его стальная часть, добротность резко падает и генерация срывается. При этом ток транзисторного каскада резко возрастает. Возрастает и падение напряжения на эмиттерном резисторе, с него снимается готовый логический сигнал.

Чаще для целей определения положения ротора используются датчики Холла, но в то время, наверное, с ними был дефицит.

Сигналы датчиков положения ротора управляют ключами, которые коммутируют обмотки двигателя. Тут имеется полная аналогия с коллекторным двигателем – там тоже в зависимости от угла поворота ротора включается нужная обмотка. Разница только в том, что там обмотки на роторе, а здесь – на статоре. Если подать на такой двигатель (коллекторный или бесколлекторный с электронным коммутатором) постоянное напряжение, то ротор начнет вращаться. По мере разгона будет увеличиваться обратная ЭДС машины и падать потребляемый ток, а вместе с ним и момент. В результате на некоторой скорости наступит равновесие – момент, производимый двигателем, сравняется с моментом потерь. Скорость вращения при этом будет неизвестной и довольно высокой. Нам же надо, чтобы двигатель вращался с вполне определенной скоростью. Для этого вводят петлю обратной связи для регулировки скорости.

Данные о скорости вращения получают с датчика скорости. Регулируя ток обмоток двигателя, надо добиться того, чтобы частота сигнала с датчика скорости имела требуемое значение.

В ранних экземплярах магнитофона, говорят, была установлена плата управления японского производства. Затем ставился ее клон нашего производства. Схема имела отличия от более поздних вариантов. Чуть по-другому была сделана схема датчиков положения ротора. Там не додумались брать сразу логический сигнал с эмиттера транзистора автогенератора. Стояли детекторы сигнала генераторов и дополнительный транзистор для формирования TTL-уровня.

Петля обратной связи по скорости там была выполнена примитивно: сигнал с датчика скорости преобразовывался в короткие импульсы, которые открывали ключ. Этот ключ закорачивал на землю емкость, которая заряжалась по экспоненциальному закону через резистор. Дальше это напряжение, похожее на пилообразное, поступало на компаратор, на выходе которого получались прямоугольные импульсы с ЧИМ-модуляцией (частотно-импульсной). Это чем-то похоже на ШИМ, полезную информацию несет среднее значение напряжения. Это напряжение фильтровалось, усиливалось и подавалось на транзисторный каскад, который управлял током обмоток двигателя.

В более поздней схеме для стабилизации скорости применена полноценная ФАПЧ. Казалось бы, до кварцевой стабилизации частоты вращения остался один шаг. Но вместо этого на плате применен обычный RC-генератор на ОУ. Правда, для улучшения стабильности использованы качественные конденсаторы огромных размеров: К71-4В 0.022 мкФ ±5% 250 В и параллельное ему КСО-5 3300 пФ ±10% 500 В. Наверное, с кварцами тогда тоже был напряг.

Сигнал с частотно-фазового детектора поступает на усилитель ошибки, а дальше управляет выходными ключами. Которые ключами называть не совсем правильно, ведь они работают в линейном режиме. Логика просто разрешает включение транзистора, а аналоговый сигнал может его открыть больше или меньше. В таком режиме транзисторы могут рассеивать значительную мощность, поэтому они установлены на довольно большом радиаторе. Хотя практически они нагреваются слабо. Потребляемый двигателем ток в режиме холостого хода меньше 100 мА, а при максимальной нагрузке составляет 300…400 мА.

На этой плате обнаружил забавную вещь: выводы некоторых резисторов поросли черным мхом. А конкретно R24, 33, 39, 45, 46, 50, 51, 52. Выводы остальных резисторов в норме. На фото два резистора МЛТ, на выводах R33 мох есть, а на выводах R30 – чисто. При этом на всех остальных платах в магнитофоне все чисто. На механике тоже нет никаких следов сырости или чего-то еще.

Самое странное то, что таким черным мхом выводы резисторов покрылись очень выборочно. Но общем фото можно все рассмотреть (фото кликабельно). Насколько я понял, черным мхом покрылись только те выводы резисторов, которые были покрыты серебром. Выводы с обычным лужением остались красивыми. Возможно, этот мох – кристаллы сульфида серебра.

В общем, задача сводится к получению опорной частоты. Нужно сделать кварцованный генератор, но значение выходной частоты потребуется какое-то «кривое».

Расчет требуемой опорной частоты не совсем прост. В книжках по магнитной записи приводится следующая формула для скорости магнитной ленты: V = [pi * (D + d) * (1 - S) * n] / 60, где D – диаметр ведущего вала, d – толщина магнитной ленты, S - коэффициент упругого проскальзывания, n - частота вращения вала.

В зоне контакта ленты с валом она движется по дуге окружности. За скорость ленты принимается скорость точки на половине ее толщины, т.е. к радиусу вала добавляется половина толщины ленты, а к диаметру, соответственно, полная толщина. Величину D + d называют эффективным диаметром ведущего вала Dэфф.

Любые фрикционные передачи, имеющие эластичный элемент, обладают упругим проскальзыванием. В результате передаточное отношение таких передач (например, ременной) не равно в точности отношению диаметров шкивов. А что самое худшее, оно зависит от нагрузки. Упругое проскальзывание является следствием упругой деформации. Не надо путать это понятие с полным проскальзыванием (буксованием).

В ременной передаче скорость шкивов определяется набегающей веткой ремня. Ветки ремня натянуты по-разному. Та, которая растянута больше, движется быстрее (так как через любую плоскость сечения ремня в единицу времени должна проходить одна и та же масса ремня). В результате окружная скорость на ведомом шкиве будет ниже, чем на ведущем, а передаточное отношение не будет равно расчетному. Чем больше разница растяжения веток ремня, тем больше эта разница.

В роликовых фрикционных передачах наблюдаются похожие эффекты, только их рассмотрение менее наглядно. Вообще, теория работы прижимного ролика в магнитофонах довольна сложна, есть разные модели ролика, вплоть до жидкостной с использованием закона Бернулли. Но в данном случае важен лишь тот факт, что на ведущем узле всегда есть проскальзывание. На практике для катушечного магнитофона оно составляет порядка 0.1% и может меняться в зависимости от натяжения ленты по обе стороны ведущего узла, состояния ролика, силы его прижима и т.д. Это довольно печальный факт. Кварцевая стабилизация частоты вращения ведущего вала в магнитофоне не гарантирует точного значения скорости ленты. В отличие от виниловых проигрывателей, где частота вращения диска полностью определяет конечный результат.

Тем не менее, кварцевая стабилизация в магнитофоне весьма полезна, она позволяет уменьшить количество регулировок. Остаточная погрешность совсем невелика и ей можно пренебречь.

Вернувшись к расчету необходимой опорной частоты, надо выяснить диаметр ведущего вала. Измерения дают следующие результаты: вал имеет шейки для подшипников диаметром 8.00 мм, а рабочая часть вала имеет диаметр 7.80 мм. В книжках часто диаметр указан ошибочно как 7.70±0.01 мм.

Тогда для диаметра вала 7.80 мм и толщины ленты 35 мкм (магнитофон настраивается с такой лентой) получаем эффективный диаметр вала Dэфф = 7.800 + 0.035 = 7.835 мм. Длина окружности L = Dэфф * Pi = 24.614378 мм. Для скорости ленты V = 7.5 ips (19.05 см/с) получаем частоту вращения вала Fcapstan = V / L = 7.739379 Гц. Частота тахогенератора (и опорная частота) Fref = Fcapstan * 174 = 1346.652 Гц. С учетом проскальзывания порядка 0.1% получаем Fref = 1347.998 Гц, что совпадает с указанной в документации (1348±3 Гц).

Для скорости 3.75 ips (9.53 см/с) частота таходатчика должна быть ровно вдвое ниже. Но от опорного генератора такой частоты не требуется, так как плата управления имеет отключаемый делитель на 2. Такой же делитель есть и в цепи сигнала таходатчика, что позволяет получить скорость 15 ips (38.1 см/с).

Для получения произвольных частот обычно берут кварцевый генератор с частотой побольше и делитель частоты. В принципе, с этой задачей справился бы 16-разрядный таймер микроконтроллера. Если частота кварца, скажем, 16 МГц, то для получения частоты 1348 Гц ее надо поделить на число порядка 10 000. При этом дискретность установки частоты получится примерно 0.01%, что более чем достаточно.

Генератор опорной частоты хотелось сделать компактным, на основе какой-нибудь 8-ногой ATtiny. Но в таких контроллерах нет 16-разрядных таймеров. Разрешения же 8-разрядного таймера явно недостаточно.

Есть и другой способ получения произвольной частоты – это использование NCO (Numerically Controlled Oscillator). Фактически это часть DDS, только без преобразователя кода фазы в код амплитуды, без ЦАП и без фильтра. NCO состоит из аккумулятора фазы, к которому в каждом такте добавляется значение регистра частоты. Старший разряд аккумулятора фазы можно использовать как выход NCO. Дискретность задания частоты определяется только разрядностью аккумулятора фазы и может быть сделана сколь угодно малой. Естественно, выходной сигнал может менять свое состояние только по фронту тактового сигнала. Поэтому ошибка реального положения фронта выходного сигнала относительно его идеального положения может достигать одного периода тактового сигнала. Именно таким будет джиттер на выходе. Но среднее значение частоты будет выдержано точно.

Микроконтроллеры AVR, в отличие от некоторых микроконтроллеров PIC, не имеют аппаратного блока NCO. Поэтому его приходится реализовывать программно. При программировании на ассемблере при тактовой частоте 16 МГц можно работать с частотой прерываний 0.5 МГц, загрузка процессора при этом получилась примерно 60%. Весь проект тут.

.org OC0Aaddr

                                ;4      address store
	in	tsreg,SREG	;1	save status register

	add	Phase1,Freq1	;1      Phase = Phase + Freq
	adc	Phase2,Freq2	;1
	adc	Phase3,Freq3    ;1
	adc	Phase4,Freq4    ;1

	brmi	Off		;1/2
On:	sbi	PORTB,FOUT	;2	OUT = 1
	rjmp	OnOff		;2
Off:	cbi	PORTB,FOUT	;2	OUT = 0
	nop			;1

OnOff:	out	SREG,tsreg	;1      restore status register
	reti                    ;4	restore address (19 total)

При 32-разрядном аккумуляторе фазы разрешение по частоте составляет примерно 0.0001 Гц. Джиттер – до 2 мкс. В данном случае такой джиттер не играет особой роли, так как петля ФАПЧ имеет ФНЧ, который его будет эффективно подавлять. Да и сам датчик скорости имеет джиттер порядка 6 мкс (рисунок ниже), гнаться за меньшим значение для генератора нет смысла.

Получилась платка размером 27 х 17 мм, которую реализовал на ATtiny25 (спасибо MBedder-у за подарок!). Платка подключается к штатной схеме тремя проводами: GND, OUT, +5V. Удаляются резисторы R40, R44. Вместо R40 впаивается платка своими двумя выводами, третий вывод проводом соединяется с перемычкой +5 В. Штатный генератор можно демонтировать или просто отключить, перерезав дорожку питания.

Текущая версия прошивки – минимальная. Можно добавить кнопки «+» и «–» для точной подстройки скорости по тестовой ленте с сохранением значения в EEPROM. Этим можно учесть реальную величину проскальзывания и погрешность диаметра ведущего вала. Можно пойти дальше и сделать отдельные значения для прямого хода и реверса. Скорость зависит от натяжения, а натяжение ленты перед и после ведущего узла будет разным для прямого хода и реверса, так как справа и слева от вала разное число головок. Дело в том, что после каждой головки из-за наличия трения натяжение ленты увеличивается.

Вообще говоря, из-за упругой деформации ленты ее скорость в разных местах тракта тоже будет разной. Хотя при растяжении ленты будет пропорционально увеличиваться длина волны записанного сигнала, поэтому частота воспроизведенного сигнала в любом месте тракта будет одинаковой. Но если измерять скорость ленты другим способом, например, с помощью специального ролика, он покажет разную скорость в разных местах тракта (рисунок из статьи John G. McKnight «Speed, Pitch, and Timing Errors in Tape Recording and Reproducing»).

Данная доработка – это просто легкий твик штатной платы управления двигателем. Конечно, хочется выкинуть всю эту ерунду на 155-ой серии и заменить более современным блоком управления на микроконтроллере. В будущем, наверное, так и поступлю.

Что касается самого двигателя, тут тоже не все гладко. В первую очередь у него не очень хороший таходатчик. На зазор головки воздействует только один зуб шестерни, поэтому точность ее изготовления напрямую будет определять временную стабильность этого сигнала. В похожих ведущих двигателях немецкой фирмы «Papst Motoren» применен намного лучший датчик. Он состоит из обмотки с магнитопроводом в виде чашки. По периметру этой чашки приклеен многополюсный магнит. Замыкается магнитопровод зубчатым колесом. При его вращении магнитный поток будет модулироваться. Причем будет одновременно работать все зубчатое колесо, неточность его изготовления будет сглажена. Такой датчик будет иметь джитер значительно ниже, как и паразитную амплитудную модуляцию.

Второй недостаток двигателя – плохие датчики положения ротора. Они очень грубо определяют его положение, что делает возможным только питание обмоток прямоугольными импульсами (так называемый вентильный режим работы двигателя). ЭДС этого двигателя имеет близкую к синусоидальной форму, было бы оптимально питать обмотки двигателя током такой же формы. Это позволит уменьшить пульсации момента двигателя. Но для этого надо знать точную позицию ротора. Как вариант, можно в дополнение штатным датчикам положения задействовать датчик скорости и вычислять позицию. Но проще всего заменить датчики положения на датчики Холла с аналоговым выходом. У них на выходе сразу будет синусоидальный сигнал, который можно просто усилить и подать на обмотки двигателя. Так построены многие прямоприводные двигатели виниловых проигрывателей и магнитофонов. Пока я не решил, вводить ли такие модификации, ведь и в своем оригинальном виде двигатель обеспечивает вполне низкий коэффициент детонации.

В качестве финального замечания: разрешение обычного делителя частоты можно повысить, если использовать способы, применяемые в дробных синтезаторах частоты. Получить равномерную последовательность импульсов произвольной частоты таким способом не получится, но задать среднюю частоту с хорошей точностью можно. Процессор будет загружен слабо (требуется одно прерывание на каждое переполнение 8-разрядного таймера), а джиттер будет равен периоду тактовой частоты, а не периоду прерываний NCO. Разные коэффициенты деления, которые должны чередоваться, можно «размазать» по времени дельта-сигма модулятором 1-го порядка. Но это в другой раз.

Что такое кристалл кварца? Взгляд на кварцевые кварцевые генераторы

Эта статья объясняет некоторые теории, лежащие в основе чрезвычайно распространенного электронного компонента.

Википедия сообщает нам, что кварц - второй по распространенности минерал на Земле. Он состоит из кремния и кислорода (не совсем экзотических элементов) в «непрерывном каркасе кремний-кислородных тетраэдров SiO 4 » (не знаю, что это значит ...). Основываясь на этой информации, вы когда-нибудь думали, что кристаллы кварца станут широко распространенными электронными компонентами, которые функционируют как центральный элемент в бесчисленных высокопроизводительных схемах генераторов?

Нет сомнений в том, что вы можете использовать кристаллы кварца, даже не зная, что они на самом деле представляют: вы подключаете кристалл к некоторым выводам микроконтроллера, добавляете пару нагрузочных конденсаторов и получаете осциллятор.Однако я в целом придерживаюсь мнения, что не стоит знать мало или совсем ничего о компонентах и ​​подсхемах, которые мы постоянно используем в наших проектах.

Знания не существуют изолированно. Возможно, вам никогда не понадобится точно знать, почему кусок кварца может превратить цепь обратной связи в генератор, но эта информация является частью обширной сети знаний, которая приводит нас к подлинному пониманию фундаментальных электронных концепций. Другими словами, нам иногда нужно сопротивляться склонности игнорировать детали - они могут оказаться маленькими линиями, соединяющими большие точки.

Схема

Это эквивалентная схема кристалла кварца:

Давайте проясним: кристалл кварца - это кристалл кварца. Если ударить по кристаллу молотком, он не разобьет индуктивность, резистор и два конденсатора. Однако кристаллы кварца имеют (на мой взгляд, довольно загадочные) электромеханические характеристики, которые заставляют кристалл вести себя в контексте электронной схемы, как набор пассивных компонентов, показанный выше.

Все эти компоненты в эквивалентной схеме чрезвычайно распространены. Тогда вам может быть интересно, зачем нам вообще нужен кристалл кварца. Почему бы просто не использовать в одном устройстве конденсаторы, индукторы и резисторы? Что ж, как мы увидим позже, вы никогда не сможете достичь такой же производительности, используя пассивные элементы, особенно если учесть, насколько мал кристалл кварца.

Резонанс

Катушки индуктивности и конденсаторы накапливают энергию. Если вы соедините катушку индуктивности и конденсатор таким образом, чтобы энергия текла туда и обратно между двумя компонентами, вы получите резонансный контур.В идеализированной схеме этот возвратно-поступательный поток продолжается вечно, и у вас будет осциллятор. В реальной цепи колебания уменьшаются по амплитуде (и в конечном итоге прекращаются), поскольку энергия рассеивается резистивными элементами, такими как провода или дорожки печатной платы. Большее сопротивление означает, что колебания более «затухают», т. Е. Амплитуда уменьшается быстрее. Фактор добротности обратно пропорционален сопротивлению, а это означает, что более низкая добротность соответствует более быстрому затуханию колебаний.

Резонанс возникает как в последовательных LC-цепях, так и в параллельных LC-цепях, и если вы посмотрите на эквивалентную схему, вы увидите, что кристалл имеет как последовательный, так и параллельный резонанс.Резонансная частота для последовательно соединенных катушек индуктивности и конденсатора соответствует стандартной формуле:

$$ f_ {SR} = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC_S}} $$

Параллельный резонанс немного сложнее. Эта резонансная частота рассчитывается следующим образом:

$$ f_ {PR} = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L \ left (\ frac {C_SC_P} {C_S + C_P} \ right)}} $$

Однако оказывается, что C P на намного на больше, чем C S (возможно, в 2000 раз больше), что означает, что C S C P / (C S + C P ) примерно равно C S C P / C P .Затем мы исключаем условия C P и получаем

.

$$ f_ {PR} \ приблизительно \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC_S}} \ \ \ \ Rightarrow \ \ \ f_ {PR} \ приблизительно f_ {SR} $$

Итак, две резонансные частоты очень близки друг к другу. Когда вы покупаете кристалл, он указывается на определенную частоту. Практически можно сказать, что рабочая частота кристалла равна f SR .

(Чрезвычайно) Высокий Q

Как упоминалось выше, вы не можете просто заменить кристалл эквивалентным набором пассивных компонентов.Почему? Что ж, вам понадобится серьезная недвижимость на печатной плате, чтобы соответствовать индуктивности кристалла - в моем учебнике говорится, что она может достигать сотен генри, и я нашел эту ветку StackExchange, где кто-то говорит, что это могут быть тысячи. Самый большой фиксированный индуктор, продаваемый Digi-Key, составляет 150 генри; он имеет сопротивление 3,7 кОм, весит полфунта и имеет ширину более двух дюймов. Кроме того, большая индуктивность кристалла сочетается с относительно небольшим сопротивлением, что приводит к очень высокой добротности.

Частотная характеристика

Как известно, катушки индуктивности и конденсаторы имеют реактивное сопротивление.Кристалл кварца также имеет реактивное сопротивление, хотя это реактивное сопротивление немного сложнее из-за взаимодействия между тремя реактивными компонентами.

  • На низких частотах преобладает емкостное реактивное сопротивление.
  • По мере увеличения частоты реактивное сопротивление уменьшается по величине и в конечном итоге достигает нуля при f SR (как и ожидалось - последовательный LC-контур имеет нулевой импеданс на резонансной частоте).
  • После того, как реактивное сопротивление проходит через ноль при f SR , оно быстро увеличивается до бесконечности, потому что f PR немного выше, чем f SR , а импеданс идеальной параллельной LC-цепи бесконечен на резонансной частоте.

Заставляет колебаться

Кристалл кварца - это кристалл, а не осциллятор. Для создания колебаний кристалл должен быть включен в схему, которая имеет типичные характеристики, демонстрируемые схемами генератора, а именно усиление и обратную связь. Если вы посмотрите на классические топологии генераторов, такие как Colpitts или Hartley, вы увидите усилитель (такой как BJT), контур резервуара LC (для обеспечения резонанса) и соединение обратной связи - например, в генераторе Colpitts, обратная связь идет от узла между двумя конденсаторами в цепи резервуара к эмиттеру BJT:

Общая идея та же самая, что и у кварцевых генераторов, потому что кварцевый кристалл, по сути, представляет собой резонансный элемент с очень высокими характеристиками.Генератор Пирса (или Пирса – Гейт) - это обычная топология, используемая для создания цифрового колебания; это выглядит так:

Можно потратить довольно много времени, пытаясь досконально проанализировать и понять все детали этой, казалось бы, простой схемы. Если вы хотите глубже изучить топологию Пирса и осцилляции на основе кристаллов в целом, я думаю, что статья «Кристаллический осциллятор Пирса-Гейт, введение» (написанная для Microwave Product Digest) была бы хорошим местом для начала.

Заключение

Я надеюсь, что теперь у вас есть более четкое представление о 1) что такое кристалл кварца в контексте электроники и 2) как характеристики кристалла кварца могут приводить к колебаниям в сочетании с правильно спроектированной схемой.

Для получения информации об альтернативах генерации на основе кварца, взгляните на мою статью о вариантах осциллятора для микроконтроллеров и мою новость об осцилляторе MEMS, который может предложить производительность намного выше, чем у кварца.

Кристаллы и генераторы кварца, Часть 1: Основы работы с кристаллами

Генератор или функция часов являются ключевыми практически для всех электронных схем, и в большинстве (но не во всех) случаях сердцем этой схемы генератора является крошечный кусок кварца, называемый хрустальная заготовка или плита. Легко и банально думать о кристалле как о простом компоненте, но, как и о большинстве других компонентов, это вводит в заблуждение и неверно; Сам материал и способы его использования имеют множество аспектов, независимо от области применения и электроники.В этом разделе часто задаваемых вопросов будет рассмотрена сама заготовка кристалла кварца, а также некоторые тонкости и вариативности, которым может подвергаться кристалл.

Существуют альтернативы кристаллу на основе кварца, такие как резонаторы на основе MEMS, которые завоевывают все большую долю рынка, и очень простые LC-резонансные «резервуарные» схемы для приложений низкого уровня и с низко-скромными показателями производительности.

Вопрос: Как долго кристаллы кварца использовались в схемах в качестве элементов установки частоты?

A: С начала 20-х -х годов века.Хотя пьезоэлектрический эффект, который они используют (обсуждается ниже), был хорошо известен задолго до этого, этим кварцевым элементам не было места, поскольку не существовало радио и электроники.

Q: Откуда берется кварц?

A: В течение многих десятилетий добыча природного кварца была единственным вариантом, в основном из Бразилии. Кварц подвергался огранке по определенным кристаллическим осям, а затем полировался. Однако с 1970-х годов синтетические кристаллы кварца выращивались во многом как слитки кремния (и с использованием многих из тех же методов и процессов).Это приводит к более близким к идеальным кристаллическим структурам, что дает значительно улучшенные, более стабильные характеристики.

Q: Насколько важны эти кристаллы для определения частоты?

A: Очень, очень важно. Они широко используются для генерации системных часов, а также для установления единой основной частоты в передатчике и приемнике, при этом все необходимые несущие каналы затем выводятся через синтезатор. До появления такой настройки радио можно было настроить одним из двух способов: либо путем ручной настройки LC с помощью ручки и шкалы, либо с помощью кристалла для установки частоты каждого канала.Первый был недорогим, но неточным; последнее было точным, но требовало много кристаллов. Во время Второй мировой войны наличие нужных кристаллов было настолько важно, что в Инженерном корпусе армии была создана специальная команда квалифицированных «шлифовщиков кристаллов», единственной задачей которых было резать, шлифовать и настраивать кристаллы для военных радиоканалов и менять их по мере необходимости нужный.

Развитие синтезаторов частоты изменило потребность в кристаллах и их использование. Например, в 1970-х годах было очень популярно радио Citizen’s Band с 23 полнодуплексными каналами, назначенными в диапазоне 27 МГц.Некоторые «полнополосные» радиостанции несли 23 кристалла канала передачи и 23 кристалла приема (всего 46) для доступа к любым без исключения назначенным каналам; в других радиостанциях были слоты всего для двух-шести пар кристаллов, и пользователям приходилось физически удалять и заменять кристаллы, если они хотели перейти на другие каналы. Напротив, для синтезированного радио требуется только один мастер-кристалл.

Q: Каков основной принцип работы генератора на кристалле кварца?

A: Это еще одно проявление пьезоэлектрического эффекта, которое характеризует двойственность: когда кристалл (не обязательно кварц) подвергается действию электрического поля (напряжения), его размер изменяется в обратном направлении; когда кристалл подвергается напряжению, он производит небольшое напряжение.Этот принцип используется в пьезоэлектрических приводах, небольших аудиоколонках, датчиках давления и многих других приложениях.

Q: Как кварцевая заготовка становится осциллятором?

A: Кварцевая заготовка используется в контуре генератора в качестве резонирующего элемента. Под воздействием потенциала напряжения он начинает вибрировать и колебаться на своей «основной частоте». Это взаимозависимость: электрическая цепь поддерживает механический резонанс и наоборот.Кристалл используется в контуре обратной связи генератора, чтобы ограничивать частоту генератора, Рисунок 1 .

Рис. 1. Многие этапы от заготовки кристалла кварца до готовой упаковки требуют точности и совершенства. (Источник изображения: Slideshare.net)

В: Какие типы схем используются для генератора?

A: Существует много используемых топологий, среди которых наиболее известны генераторы Хартли, Пирса и Колпитца. Каждая конструкция имеет компромиссы с точки зрения сложности, стоимости, стабильности и совместимости с электрическими характеристиками кварцевой заготовки.Понимание этих характеристик имеет решающее значение для высокопроизводительной схемы генератора, включая то, используется ли кристалл в последовательном или параллельном резонансном режиме.

В: Каковы электрические характеристики кварцевой заготовки?

A: Кристаллический материал и заготовка десятилетиями интенсивно изучались электрически, механически и термически, так как их характеристики очень важны для многих систем. Механическая модель, , рисунок 2, , и электрическая модель, , рисунок 3, , тесно связаны.Электрическая модель будет иметь увеличивающуюся детализацию по мере добавления электрических паразитов и тонких механических атрибутов, а также по мере увеличения частоты и уменьшения размера заготовки.

Рис. 2: Упрощенная механическая модель кварцевой плиты является основой для модели электрического эквивалента; эта модель усложняется по мере того, как требуется большая точность. (Источник изображения: Maxim Integrated) Рис. 3. Электрическая модель является аналогом механической модели и необходима для разработки подходящей высокопроизводительной схемы генератора.(Источник изображения: Maxim Integrated)

В: Каков диапазон рабочих частот кварцевого генератора?

A: В зависимости от размеров кварцевой заготовки и соответствующего генератора он может находиться в диапазоне от 50 кГц до нескольких десятков МГц. Более того, кварцевая заготовка становится настолько тонкой (для достижения более высокого естественного механического резонанса), что становится хрупкой и ломается при нормальном использовании.

Q: Так как же вы генерируете частоты ниже или выше этого диапазона?

A: Вы можете использовать делитель или схему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) для преобразования с понижением частоты; для преобразования можно также использовать ФАПЧ.До появления ФАПЧ и синтезаторов было другое решение: кристаллы и их генераторы были разработаны для работы со многими гармоническими обертонами, а затем использовалась фильтрация для выбора гармоники 3 или 5 вместо основного резонанса. Это обеспечивает решение, но требует тщательного выбора типа и характеристик заготовки кристалла, а также схемы генератора.

Q: Существуют ли стандартные частоты кристалла?

A: Да, конечно.Хотя заготовки кристаллов могут быть изготовлены практически для любой частоты в широком диапазоне, есть стандартные, доступные для таких частот, как 100 кГц, 1 МГц, 10 МГц, 3,579545 МГц (часто называемые «3,58 МГц», необходимые для устаревшего аналогового цвета. TV) и другие массовые приложения для массового рынка. В персональных цифровых часах обычно используется кварцевый резонатор с частотой 32 768 Гц, поскольку эту частоту можно легко разделить с помощью триггерной цепи до одного импульса в секунду (32768 = 2 15 ).

Q: Каким образом заготовка кристалла физически подключена к цепи?

A: Плоские электроды упакованы на противоположных чистых поверхностях.Это могут быть тонкие металлические детали или контактные поверхности с гальваническим покрытием. Затем сборку помещают в корпус (часто металлический), чтобы физически защитить его и уменьшить влияние электрических помех, Рисунок 4 .

Рис. 4: Готовые банки в зависимости от размера и применения предлагаются в широком диапазоне пакетов; большинство из них герметичны, чтобы защитить бланк и способствовать достижению стабильной производительности. (Источник изображения: AOR, LTD)

В: Насколько велика кварцевая заготовка?

A: Это функция частоты, но размер типичного среднечастотного кристалла составляет от нескольких квадратных миллиметров до примерно 10 мм × 5 мм × 1 мм; у некоторых кристаллов всего один-два миллиметра с каждой стороны.

Q: Как банк настроен на желаемую резонансную частоту?

A: Путем точной шлифовки и полировки, как стеклянные линзы. Многие годы это делалось вручную квалифицированными мастерами; теперь это, конечно, автоматизировано, причем подготовка и измерение выполняются одновременно.

Q: Каковы основные рабочие параметры кристалла?

A: Конечно, их много: начальная частота резонанса, точность этой частоты, время запуска, фазовый шум (джиттер), кратковременная стабильность (дрейф) и долгосрочная стабильность (дрейф) - это одни из самых важных факторов. ключевые.Многие характеристики представлены в частях на миллион (ppm) или в процентах: 0,0001% соответствует 1 ppm.

В: Что вызывает дрейф / устойчивость?

A: Как и все механические компоненты, кварцевые заготовки слегка, но значимо изменяются в зависимости от температуры. Следовательно, изменение окружающей или рабочей температуры даже на несколько градусов изменит их естественный резонанс и, следовательно, их ключевые характеристики. Кроме того, по мере того, как кристалл «стареет» при использовании из-за повторяющихся механических нагрузок, характеристики кварца меняются, как и резонансная частота (это аналогично повторяющимся изгибам металла или шлифовке металлической поверхности).

Во второй части этого FAQ будут обсуждаться характеристики кварцевых генераторов и то, что можно сделать для повышения производительности, а также сохранения начальной точности во времени и температуре. Эти факторы имеют решающее значение для работы схемы и приложения.

Имеется бесчисленное множество технических документов, трактатов, заметок по применению, руководств для поставщиков и других вспомогательных материалов, поэтому это очень важная тема. Некоторые из них легко читаются и применимы, в то время как другие глубоко погружаются в основы физики (это не значит, что от них мало пользы; они очень полезны).Среди множества таких:

  • Maxim Integrated, Учебное пособие 5265, «Спроектируйте кварцевый осциллятор в соответствии с вашим приложением»
  • Википедия, «Кристаллический осциллятор»
  • Bliley Technologies, «Понимание типов кристаллов внутри ваших осцилляторов»
  • Bliley Technologies, «Выбор наилучшего типа кварцевого генератора для вашего приложения»
  • Bliley Technologies, «2 наиболее важных качества OCXO»
  • Радиоэлектроника, «TCXO, кварцевый генератор с температурной компенсацией»
  • SiTime Corp, «Кремниевые генераторы на основе МЭМС»,

См. Также:

Эта книга полезна в дополнение к многочисленным кратким онлайн-статьям, чтобы получить некоторое представление об истории:

Что такое кристалл кварца SiO2 »Электроника

Кварц широко используется в электронной промышленности для создания высокостабильных резонаторов с высокими рабочими характеристиками и чрезвычайно высокими значениями добротности.


Кристаллы кварца, Учебное пособие 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


Кварц представляет собой кристаллическую форму кремниевого диода SiO 2 .Название «Кварц» происходит от немецкого слова «quaz», хотя другие считают, что это слово произошло от саксонского слова Querkluftertz, что означает поперечно-жильную руду.

Кварц широко используется в электронике, где кварцевые резонаторы используются в качестве высокоэффективных резонаторов для использования в фильтрах и генераторах.

В конструкции электронных схем кварц может обеспечить резонансные электронные компоненты с исключительно высоким уровнем добротности для использования в фильтрах и генераторах.

Кристалл кварца природного происхождения

Основы кварца

Кварц - твердый кристаллический минерал, состоящий из атомов кремния и кислорода.Атомы связаны в непрерывный каркас кремний-кислородных тетраэдров SiO 4 , причем каждый кислород распределяется между двумя тетраэдрами, что дает общую химическую формулу SiO 2 . Кварц - второй по распространенности минерал в континентальной коре Земли после полевого шпата.

Кварц принадлежит к так называемой тригональной кристаллической системе. Идеальная форма кристалла - это шестигранная призма, оканчивающаяся шестигранными пирамидами на каждом конце. Однако это редко встречается в природе, потому что кристаллы имеют тенденцию расти вместе с другими кристаллами кварца и даже с кристаллами других минералов.Это означает, что встречающийся в природе кварц часто не имеет кристаллической формы, описанной в учебнике. Как правило, кристаллы наилучшей формы выращиваются в среде, где они могут вырасти в пустоту, т.е. без соприкосновения с другими кристаллами кварца или других минералов и т. Д.

Однако кристаллы кварца, используемые для изготовления кварцевых резонаторов, доступны в очень ограниченных областях. Ввиду дефицита кварц, используемый в электронных компонентах в качестве резонаторов с высокой добротностью, производится синтетическим способом.

Кварцу можно отнести несколько интересных свойств:

  • Пьезоэлектрические свойства: Кварц проявляет пьезоэлектрический эффект. При этом, если на кристалл прикладывается деформация, возникает электродвижущая сила, и это можно обнаружить, поместив электроды на его поверхность. Именно этот атрибут позволяет использовать кристаллы кварца в конструкциях электронных схем.
  • Точка плавления: Точка плавления кварца выше 1700 ° C.
  • Температура Кюри - альфа- и бета-кварц: Температура Кюри для кварца составляет 573 ° C. Ниже этой температуры форма выходит из нее и обладает своими пьезоэлектрическими свойствами. При температуре выше 573 ° C большая часть его пьезоэлектрических свойств теряется, и его называют бета-кварцем.

Из этих свойств пьезоэлектрический эффект в сочетании с очень высокой добротностью механических резонансов делают кварц практически уникальным.

Хотя некоторые специализированные керамические материалы также демонстрируют аналогичные свойства пьезоэлектричества и механических резонансов с высокой добротностью, их характеристики не так хороши, как у кварца, хотя и имеют более низкую стоимость производства, они по-прежнему широко используются во многих радиочастотных конструкциях, где очень высокие характеристики кварцевых резонаторов не требуется.

Производство кварца

Кварц встречается в естественных условиях, основные источники кристаллического кварца находятся в Бразилии. Здесь были найдены кристаллы самых разных форм и размеров.

С его широким использованием в электронной промышленности расходные материалы начали истощаться к 1940-м и 1950-м годам.

Уменьшение предложения привело к разработке методов производства для создания синтетического кварца, так что кварц можно было использовать в качестве резонаторов в конструкциях электронных схем.

Процесс производства синтетического кварца включает растворение сырого кремниевого диода SiO 2 в водно-щелочном растворе при температуре около 400 ° C и под высоким давлением.

Затем кристаллы можно выращивать. Это очень медленный процесс, и часто скорость роста составляет всего 1 мм в день. Однако такая низкая скорость обеспечивает кристаллы высокой чистоты и, как правило, высокого качества. Качество такое же хорошее, как и естественное.

Контроль роста позволяет выращивать кристаллы в соответствии с требованиями производителей кристаллов.Это позволяет изготавливать изделия разных размеров и ориентации.

Свойства кристаллов кварца

Есть несколько ключевых свойств, которыми обладают кристаллы кварца, которые используются:

  • Форма кристалла: Кристаллы природного и синтетического кварца имеют гексагональное поперечное сечение с шестигранными пирамидами на концах. Направления внутри кристаллов имеют большое значение для изготовления резонаторов и обозначаются осями X, Y и Z.Ось Z проходит в продольном направлении между концами через центр кристалла, а направление наибольшей электрической чувствительности определяется как ось X. Ось Y соединяет две противоположные грани. Поскольку у кристалла шесть граней, есть три оси X и Y.

    Структура кристалла кварца с различными осями и гранями
  • Левый и правый кварц: Кварц называют энантиоморфным. Это означает, что у него есть как левосторонние, так и праворукие версии.Эта разница проявляется в оптическом вращении, хотя другие свойства двух версий идентичны. Обычно для изготовления резонаторов используются кристаллы правого кварца.
  • Кварц анизотропен: Многие свойства кварца зависят от ориентации кварцевого стержня и, что более важно, от решетки внутри кристалла. С точки зрения его использования в кварцевых резонаторах, одним из важных аспектов, который зависит от его направления, является пьезоэлектрический эффект.В результате направление огранки отдельных заготовок кристаллов кварца определяет многие их свойства. Различные режимы вибрации возбуждаются электрическими импульсами в зависимости от направления резания.

Формы кристалла кварца

Существует множество форм кварца, помимо кристаллов, используемых в резонаторах электроники. Кварц - второй по распространенности минерал в континентальной коре Земли после полевого шпата.

Кварцевый Тип Описание
Горный хрусталь Бесцветный и прозрачный
Аметист Пурпурный и прозрачный
Розовый кварц Розовый и прозрачный
Сердолик Красновато-оранжевый и полупрозрачный
Агат Разноцветные и полупрозрачные
Оникс Форма агата с прямыми полосками
Джаспер От красного до коричневого, непрозрачный
Цитрин От желтого через красновато-оранжевый до коричневого и прозрачного
Празиолит Мятно-зеленый и прозрачный

Пьезоэлектрический эффект в кварце

Основная причина использования кварца в электронных компонентах - пьезоэлектрический эффект.Хотя кварц обладает множеством других свойств, которые нравятся многим для использования в ювелирных изделиях, именно электрические свойства, и в частности пьезоэлектрический эффект, означают, что кварц особенно полезен в конструкциях электронных схем и, в частности, во многих конструкциях RF. В качестве электронного компонента кварц способен обеспечивать исключительно высокий уровень производительности в качестве резонансного элемента.

В частности, пьезоэлектрический эффект проявляется в появлении электрического потенциала на сторонах кристалла, который подвергается механической нагрузке.

Аналогично, когда на кристалл подается потенциал, можно увидеть небольшую деформацию.

Причина этого в том, что кристаллическая решетка для разных материалов устроена немного по-разному. Для любого кристаллического вещества решетка состоит из огромного числа повторений одних и тех же основных атомных блоков или элементарных ячеек, как их называют, расположенных упорядоченным образом.

В большинстве кристаллических решеток элементарная ячейка симметрична, но для пьезоэлектрических материалов это не так.

Для пьезоэлектрического материала кристалл электрически нейтрален, потому что их электрические заряды идеально сбалансированы: положительный заряд в одном месте нейтрализует отрицательный заряд поблизости.

Однако, если пьезоэлектрический кристалл деформируется, это сближает одни атомы, а другие могут быть дальше друг от друга. Это нарушает баланс положительных и отрицательных зарядов и вызывает появление чистых электрических зарядов. Этот эффект происходит по всей структуре кристалла, вызывая суммарные положительные и отрицательные заряды на противоположных внешних гранях.

Пьезоэлектрический эффект фактически действует в обоих направлениях - если кристалл деформируется, потенциалы появляются на гранях, и аналогично, если потенциал помещается поперек кристалла, он деформируется.

При работе в качестве резонатора на кристалле кварца электрические импульсы от электрической цепи преобразуются в механические колебания, которые возникают на самом кристалле. На эти колебания влияют механические резонансы кристалла с очень высокой добротностью, а затем эффект снова отражается обратно в электрическую область.

В результате этого можно использовать механические резонансы с очень высокой добротностью для эффективного воздействия на электрические сигналы.

Кварц - особый материал. Хотя многие кристаллы могут казаться очень красивыми и на них обращаются в суд в форме украшений, электрические аспекты также очень важны и позволяют изготавливать и использовать электрические резонаторы с очень высокой добротностью. Они не соответствуют ни одному другому аналоговому электронному компоненту.

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».. .

4 тайны кварцевых кварцевых генераторов

Развитие кварцевых генераторов буквально изменило мир. Технически это можно (и говорится) о многом. Но подумайте об этом! Без кварцевых генераторов мы, возможно, никогда не видели точного времени в часах, широких и четких радиопередач или важных методов связи в военных и космических программах.

Представьте себе, насколько отличался бы наш мир без этих теперь уже привычных технологий.

Задумывались ли вы об истории этих небольших, но важных электронных устройств? Как они появились? Кто изобрел кварцевый генератор? И другие скрытые тайны?

В этом посте вы познакомитесь с совершенно новой перспективой осцилляторов, более подробно рассмотрев 4 скрытые загадки кварцевых генераторов, о которых многие люди не знают.

4 тайны кристаллических осцилляторов

1. Вдохновители всего этого

Все началось с пьезоэлектричества (электрического заряда, который накапливается в определенных твердых материалах (таких как кристаллы, определенная керамика и биологические вещества, такие как кости, ДНК и различные белки) в ответ на приложенное механическое напряжение.)

Это явление было открыто братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. Как видите ... они определенно братья, чье чувство стиля намного опередило свое время. Так держать, братья Кюри!

Изображение: howknowledgeworks.com

На основе концепции пьезоэлектричества первый в мире кварцевый генератор (использующий кристалл соли Рошель) был разработан Александром М. Николсоном в Bell Telephone Laboratories в 1917 году.

Первый кварцевый кварцевый генератор был изобретен более десяти лет спустя, в 1921 году, Уолтером Гайтоном Кэди.Для вашего удовольствия он также изображен ниже. (Боковая мысль: интересно, о чем он думал во время этой фотографии почти 100 лет назад.)


Изображение: extremenxt.com

2. На шаг ближе к HD-радио

В то время как кварцевые резонаторы использовались для сонаров во время Первой мировой войны, одним из первых основных применений кварцевых генераторов было улучшение радиовещания.

Генераторы на кварцевом кристалле были разработаны для высокостабильных эталонных частот в 1920-х и 1930-х годах.До использования кристаллов радиостанции контролировали свою частоту с помощью настроенных схем, которые могли легко отклоняться от частоты на 3–4 кГц. Радиовещательным станциям назначались частоты с интервалом всего 10 кГц, поэтому часто наблюдалось некоторое перекрытие между станциями из-за дрейфа частот.

Вызванное этим разочарование, вероятно, было похоже на то, что вы чувствуете, когда у вас медленный Wi-Fi ...

К 1926 году кристаллы кварца использовались для управления частотой многих радиостанций и были популярны среди радиолюбителей.

Благодаря способности кварцевого генератора поддерживать сильную стабилизацию частоты, это решило проблему дрейфа частоты между станциями и улучшило качество прослушивания.

По теме: Ищете новейшую сверхстабильную технологию OCXO? Откройте для себя сверхстабильные осцилляторы Bliley.

3. Самые точные хронометристы в мире

В 1928 году Уоррен Маррисон из Bell Telephone Laboratories разработал первые часы с кварцевым кристаллом.Кварцевые часы заменили точные маятниковые часы и стали самыми точными хронометрами в мире. Так было ... до тех пор, пока в 1950-х годах не были разработаны атомные часы. Кварцевые часы обеспечивают точность до 1 секунды за 30 лет (30 мс / год)

4. Дефицит кристаллов (и рост синтетических кристаллов)

Во время Второй мировой войны кристаллы и генераторы использовались со всеми кристаллами природного кварца. Однако Вторая мировая война вызвала значительный рост спроса на кристаллы кварца из-за необходимости контроля частоты в военных устройствах, таких как радиоприемники и радары.Этот высокий спрос стимулировал послевоенные исследования по разработке синтетических кристаллов кварца, чтобы удовлетворить более высокие требования.

К 1950 году в Bell Laboratories был разработан гидротермальный процесс выращивания кристаллов кварца в промышленных масштабах. К 1970-м годам почти все кристаллы, используемые в электронике, были синтетическими.

Хотите узнать, в чем заключается самая инновационная технология управления частотой на сегодняшний день? Ознакомьтесь с обширным списком продуктов Bliley Technologies, в котором представлены одни из лучших генераторов на рынке сегодня, включая генераторы GPS Disciples.


Bliley Technologies - мировой лидер в разработке и производстве низкошумных систем управления частотой. Наши преданные своему делу сотрудники, находящиеся в частной собственности и управляемые с 1930 года, на нашем производственном предприятии площадью 64 000 квадратных футов, расположенном в Эри, штат Пенсильвания, были стабильным источником качественной продукции для контроля частоты для наших клиентов на протяжении более восьмидесяти лет. Bliley остается одной из очень немногих компаний в США, у которых производство кристаллов и генераторов находится на одном предприятии.Вертикальная интеграция Bliley обеспечивает идеальную среду для наших инженеров по кристаллам, генераторам и механикам, которые могут тесно сотрудничать с нашими производственными сотрудниками для разработки и производства некоторых из самых надежных конструкций, предлагаемых в нашей отрасли.

Как работает кристалл кварца?

Уже есть два отличных ответа, поэтому я просто попытаюсь дать другое объяснение того же самого.

Фон

Итак, в генераторе Пирса цифровая система подключена к кварцевому генератору.

Теперь вы, наверное, видели, как логические вентили переключают состояние с заданным временем нарастания. Если вы потратите какое-то время на изучение электромагнитной совместимости или просто высокоскоростного цифрового дизайна (лучшая из существующих книг - книга Джонсона), вы узнаете, что это можно рассматривать как широкий диапазон частот.

Что делает кристалл

Есть два способа взглянуть на то, что делает кристалл: в частотной области и во временной области. Я начну с частотной области, исходя из личных предпочтений.Я подталкиваю каждого инженера-электрика, с которым работаю, освоить частотную область; многие проблемы здесь становятся простыми, а сложные ответы имеют смысл.

Частотная область

С точки зрения частотной области кристалл - это фильтр на очень определенной частоте с очень высоким коэффициентом добротности. Это означает, что из всех генерируемых вами частот вы пропускаете только ту, которую пропускает кристалл.

Временная область

Другой способ - представить себе ворота, привязанные сами к себе.Если бы там ничего не было, это создало бы прямоугольную волну с частотой, равной задержке, но эта частота не является чрезвычайно надежной и также будет варьироваться в зависимости от многих производственных параметров. Вот где на него влияет кристалл. Если на кристалле помещен передний фронт, он будет «пропускать» сигнал только с той частотой, которую он выбрал. Внезапно прямоугольная волна 100 МГц становится синусоидальной волной 20 МГц из-за кристалла.

Немного дополнительных мыслей

Интересно, почему генераторы потребляют такой большой ток? Вы заряжаете и разряжаете емкость в цепи генератора 20 миллионов раз в секунду.Кроме того, для всех тактов многие транзисторы в вашей схеме делают то же самое. если вам не нужна скорость, генератор 32 кГц стоит очень мало энергии на микроконтроллерах.

Дайте мне знать, если я могу быть более ясным.

Как работают кварцевые часы | HowStuffWorks

Проблем с выбором элемента времени не возникло. Кристалл кварца, возможно, в тысячи раз лучше для измерения времени, чем камертон, а кристаллы кварца существуют уже много лет. Необходимо было выбрать только тип и частоту кристалла.Трудность заключалась в выборе технологии интегральной схемы, которая работала бы при достаточно низкой мощности .

Кристаллы кварца регулярно используются в течение многих лет для определения точной частоты для всех радиопередатчиков, радиоприемников и компьютеров. Их точность обусловлена ​​удивительным набором совпадений: кварц, который представляет собой диоксида кремния , как и большинство песка, не подвержен влиянию большинства растворителей и остается кристаллическим до сотен градусов по Фаренгейту.Свойством, которое делает его электронным чудом, является тот факт, что при сжатии или сгибании он генерирует на своей поверхности заряд или напряжение ° C. Это довольно распространенное явление, называемое Пьезоэлектрический эффект . Точно так же, если приложить напряжение, кварц будет очень немного гнуться или изменить свою форму.

Если бы колокол был сформирован путем измельчения монокристалла кварца, он бы звенел в течение нескольких минут после постукивания. Материал практически не теряет энергии.Кварцевый колокол - если он сформирован в правильном направлении по отношению к оси кристалла - будет иметь колебательное напряжение на своей поверхности, и скорость колебаний не зависит от температуры. Если поверхностное напряжение на кристалле снимается с помощью покрытых электродов и усиливается транзистором или интегральной схемой, его можно повторно приложить к звонку, чтобы он продолжал звонить.

Можно сделать кварцевый колокол, но это не лучшая форма, потому что с воздухом передается слишком много энергии. Лучшие формы - это прямой брус или диск .Преимущество полосы в том, что она сохраняет ту же частоту, при условии, что отношение длины к ширине остается неизменным. Кварцевый стержень может быть крошечным и колебаться с относительно низкой частотой - 32 килогерца (кГц) обычно выбирают для часов не только из-за размера, но и потому, что схемы, которые делятся от частоты кристалла до нескольких импульсов в секунду для часов дисплею требуется больше мощности для более высоких частот. Электроэнергия была большой проблемой для ранних часов, и швейцарцы потратили миллионы, пытаясь продвинуть технологию интегральных схем, чтобы уменьшить частоту от 1 до 2 МГц, генерируемую более стабильными дисковыми кристаллами.

В современных кварцевых часах теперь используется низкочастотный стержень или кристалл в форме камертона. Часто эти кристаллы состоят из тонких листов кварца, покрытых наподобие интегральной схемы и подвергнутых химическому травлению для придания формы. Основное различие между хорошим и безразличным хронометрированием заключается в точности начальной частоты и точности угла среза кварцевого листа относительно оси кристалла. Количество загрязнения , которое может проникнуть через капсулу на поверхность кристалла внутри часов, также может повлиять на точность.

Электроника часов изначально усиливает шум на кварцевой частоте. Это создает или регенерирует в колебание - оно запускает звон кристалла. Затем выходной сигнал кварцевого генератора часов преобразуется в импульсы, подходящие для цифровых схем. Они делят частоту кристалла вниз, а затем переводят ее в правильный формат для отображения. (См. «Как работают цифровые часы», где подробно рассматриваются делители и драйверы дисплея.) Или, в кварцевых часах со стрелками, делители создают импульсы длительностью в одну секунду, которые приводят в движение крошечный электродвигатель, и этот двигатель соединен со стандартными шестернями для управления руки.

Для получения дополнительной информации воспользуйтесь ссылками на следующей странице.

Информация об электронных кристаллах кварца

Информация об электронных кристаллах кварца

Кварц - это диоксид кремния, имеющий химическую формулу SiO2. Это самый распространенный минерал в мире; Это основной компонент обычного песка.

Хотя кварц не проводит электричество (то есть не проводит электричество) как и большинство металлов, таких как медь), он обладает определенными электрическими свойствами, которые сделать его очень полезным для определенной электроники.В частности, это пьезоэлектрический . «Пьезоэлектричество» - слово, производное от греческого слово «piez» или «piezein», что означает «нажимать»; Пьезоэлектрические материалы непроводящие материалы, которые генерируют электричество, когда вы подвергаете их давление, и наоборот: они подвергаются физической деформации, когда вы бежите электричество через них. Если вы сжали кусочек кварца с помощью пары плоскогубцами или тисками, он будет генерировать очень небольшой электрический заряд, а если вы подключили кусок кварца к любому концу батареи, кристалл будет слегка согните или покоробьте.Эти эффекты слишком малы, чтобы быть видимыми для человека. глаз; На самом деле вы не увидите, как кристалл изгибается или трясется, и вы не будете заметите искры, исходящие от него, но будут очень крошечные эффекты, и эти могут быть обнаружены и использованы электронными схемами.

Точность кристаллов кварца делает их очень ценными для современных электроника; Однако кварц, встречающийся в природе, обычно недостаточно чист, чтобы его можно было использовать. полезен в точной электронной схеме, поэтому искусственно созданный кварц обычно используется в современном производственном мире.Как только кристалл кварца разрезан в форме стержня или диска, к нему прикреплены два электрических вывода и весь кристалл покрыт каким-то защитным металлическим покрытием. Результирующий кристалл с металлическим покрытием с двумя торчащими из него штырями - обычный кристалл мира электроники. Кристалл рассчитан на определенную частоту, которая в основном, насколько быстро он вибрирует, когда вы его электризуете; Частота кристалл в основном зависит от его толщины, поэтому кристаллы широко различных частот можно добиться, просто уменьшив их до определенного толщина.

Однако, если у вас есть этот производственный кристалл, он не генерирует идеальные, постоянные колебания сами по себе, даже после того, как вы включили электричество через это; По иронии судьбы кристалл должен получать собственную частоту. чтобы продолжать вибрировать. Это потому, что кристалл действует как фильтр. (Фильтр электрическое устройство, которое пропускает определенные частоты и блокирует другие.) Итак, как только вы начнете вибрировать кристалл, электричество, выходной сигнал кристалла должен быть возвращен в себя, создание петли обратной связи, которая заставляет кристалл вибрировать.Таким образом, кристалл выход должен иметь как минимум два соединения, одно через канал, который подает его обратно в кристалл, а другой усиливает выходной сигнал для использования в фактическое приложение, которое в первую очередь требовало частоты. (Если только кристалл не используется ни для чего, а вы просто экспериментируя с этим.)

Все кристаллы могут работать в последовательно-резонансном или параллельно-резонансном режиме. Эти два режима приводят к двум частотам кристалла, которые слегка разные, но незначительно.Обычно кристалл определяется как последовательный или параллельный резонанс, то есть он будет работать на своей номинальной частоте в этом режиме; Однако вы можете запустить его и в другом режиме, просто получит немного другую частоту.

При обсуждении кристаллов часто используются термины «гармонический» и «обертонный». появиться. Гармоника кристалла - это целое число, кратное его основная частота. Например, если у вас был кристалл 10 МГц, то 20 МГц будет его второй гармоникой, 30 МГц - третьей гармоникой и так далее.An обертон - это нечетная гармоника кристалла. Например, в диапазоне 10 МГц кристалл, 30 МГц известен как "третий обертон" кристалла, а 50 МГц будет быть «пятым обертоном».

Это основы кристаллов. Тогда возникает вопрос: как вы на самом деле создать цепь, которая колеблется с кристаллом? Как уже упоминалось раньше вы не могли просто подключить кристалл к электричеству и ожидать, что он начать колебаться. Такая схема будет выглядеть так:

В правильной схеме генератора кварцевый кристалл должен резонировать , и для того, чтобы это произошло, нужно подавать собственные колебания кристалла назад к нему; Эти колебания снова сотрясут кристалл, и будет создана вибрация, которая и будет фактическим колебанием контура.Так как заставить кристалл возвращаться в сам себя? Вы можете сначала подумать Вы могли бы сделать это с помощью такой схемы ...

... К сожалению, это не сработает. Во-первых, это короткое замыкание через блок питания, и вы собираетесь сжечь блок питания (или перегореть предохранитель в нем), если вы попытаетесь использовать эту схему, потому что электричество может проходить прямо через ветвь вокруг кристалла. Ты можешь подумать что вы можете предотвратить эту проблему, поместив резистор в контур обратной связи.Тогда результат будет выглядеть так:

Это тоже не сработает, потому что пока кристалл получит крошечный бит собственных вибраций, этого немного будет недостаточно, чтобы оно продолжало работать. Если эта схема могла бы работать, кристалл работал бы как вечный двигатель машина. Вы видели чертежи идей для машин, которые никогда не останавливаются? работает, потому что у них есть механизм, который выводит мощность обратно в сами себя? Если вы когда-нибудь читали о таких машинах, то знаете, что они не работают, потому что они не могут создать больше энергии, чем используют.Это базовый принцип науки о том, что энергия не может быть создана или устранена; Только энергия меняет формы. Машина всегда в конце концов перестает работать, потому что энергия будет продолжать тратить зря, пока, наконец, все не исчезнет. Таким же образом схема не будет работать, потому что в конечном итоге вибрация кристалла потеряет все его энергия.

Кристаллу нужно то, что действительно увеличивает энергию собственных колебаний. Устройство, которое будет делать это, - усилитель. An В конце концов, усилитель - это просто устройство, которое принимает все, что в него входит, и выводит то же самое, только посильнее.Схема кварцевого генератора, то концептуально выглядит так:

На этой схеме вы смотрите на усилитель (треугольник на внизу - символ усилителя), который на самом деле подключен обратно к сам, так что все, что он выводит, снова возвращается на его ввод. Как и ты Можете себе представить, каждый раз, когда сигнал идет по петле, он становится сильнее и сильнее, усиливаясь каждый раз, когда он вращается, пока усилитель достигает своего предела. Это называется петлей обратной связи , потому что усилитель вывод возвращается в себя.Обратная связь интересна во многих отношениях; Это из-за чего возникает раздражающий звук, который вы иногда слышите, когда микрофон приближается к динамику, к которому он подключен. Как выходят звуки динамика они возвращаются в микрофон через усилитель и снова выключите динамик, только громче. В результате получается цикл, в котором издавая все громче и громче звуки, пока вскоре цепь не будет перегружена и создается ужасный шум.

Однако, как вы заметили, на этой диаграмме есть кристалл кварца. помещен в петлю обратной связи.Поскольку кристалл является фильтром, он будет только пропустить его резонансную частоту. В результате обратная связь петля начнет вибрировать на резонансной частоте кристалла, и кристалл заблокирует все, что пытается пройти. Петля обратной связи в конечном итоге становится выходом генератора.

Конечно, эта схема не описывает полную схему, но это хорошая иллюстрация центрального фокуса кварцевого генератора. Главный на схеме не хватает силовых соединений, которые на самом деле питают усилитель; Усилители - это тоже не вечные двигатели! Им нужно электричество для запуска! Кроме того, вы могли бы предположить, что если вы собираетесь все это проблема, чтобы заставить схему колебаться, вы бы хотели что-то подключить к ней чтобы получить эти колебания.Этот контур будет колебаться как есть, но на самом деле увидеть или использовать колебания, вам нужно будет что-то подключить к петля обратной связи (которая, опять же, является выходом генератора). Очень много диаграмм которые иллюстрируют кварцевые генераторы, также детализируют фактическую работу сам усилитель; В результате получается скорее схема усилителя, чем схема генератора, потому что они в основном просто усилители, построенные вокруг кристалл. Но простейшая принципиальная схема кварцевого генератора все еще остается просто кристалл, соединенный последовательно с входом и выходом усилителя.

Вы можете задаться вопросом, с чего все это началось. Ведь кристалл должен ПОЛУЧАТЬ часть своей собственной частоты, чтобы начать ПРОИЗВОДИТЬ эту частоту, верно? Ответ - да, но начальный всплеск электрического шума, который поражает кристалла при первом включении достаточно; Этот толчок заставляет кристалл слегка вибрирует, этого достаточно, чтобы получить петлю обратной связи начал.

Вы также можете услышать об эквивалентной схеме кварцевого резонатора , Это схема, которая ведет себя так же, как кристалл кварца.Этот Схема замещения - это в основном две параллельные ветви. В одном филиале конденсатор, катушка индуктивности и резистор включены последовательно. Конденсатор и катушка индуктивности образуют резонансный контур (поскольку конденсаторы и катушки индуктивности создают резонанса, когда они соединены таким образом), а резистор является внутреннее сопротивление самого кристалла. Другая ветвь кристалла Эквивалентная схема представляет собой одиночный конденсатор, который фактически представляет собой емкость металлических выводов, которые прикрепляются к кристаллу, которые действительно образуют сами конденсаторы.Описанная эквивалентная схема выглядит так:

Теоретически вы можете создать такую ​​схему и заставить ее вести себя просто как кристалл. Кристаллы, однако, намного эффективнее, потому что они намного меньше, чем все компоненты в этой эквивалентной схеме, и они также намного точнее.

Все это применимо к дешевым двухконтактным кварцевым устройствам, которые довольно часто встречается в электронике. Чтобы упростить детали использования кварца колебания, однако, несколько более элегантный и дорогой тип устройства Создан: Полностью укомплектованный кварцевый генератор.Это устройства которые заметно крупнее простых кристаллов, а вместо двух булавок у них есть четыре контакта. Однако их распиновка предельно проста. Это выглядит как это:

+ V / \ Выход
    14 8
                         
                         
                         
    1 7
NC / Земля
 

(Кто сказал, что искусство ASCII мертв?)

Хотя три из четырех углов осциллятора закруглены, один острый и вместо этого под прямым углом; Это вывод 1 генератора, а не подключен ни к чему.А вот все остальные три контакта. Другие булавки пронумерованы 7, 8 и 14, потому что, несмотря на то, что контактов всего четыре (так что второй штифт - «штифт 7»), они расположены так далеко друг от друга, что штифт 7 имеет место для пяти других контактов между собой и контактом 1. Эта нумерация сделана, чтобы сохранить все упорядочено, так что вы можете сопоставить номера контактов с микросхемами на вашей схеме доска. Вывод 14 - это вход напряжения (обычно эти генераторы предназначены для получить вход +5 вольт), а контакт 7 является контактом заземления. Контакт 8 - это выход, и как только генератор будет включен путем соединения контактов 7 и 14, осциллятор был включен, и он выдает приятные колебания волна на контакте 8, на любой частоте, на которую рассчитан генератор.Простой, не так ли?

Вернуться в раздел электроники

Вернуться на главную

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *