Rezonátor je systém schopný oscilačních pohybů s maximální amplitudou za určitých podmínek. Křemenný rezonátor - křemenná deska, obvykle ve tvaru rovnoběžnostěnu, takto působí při použití střídavého proudu (frekvence je pro různé desky různá). Pracovní frekvence této části je dána její tloušťkou. Závislost je zde opačná. Nejtenčí desky mají nejvyšší frekvenci (nepřesahující 50 MHz).

Ve vzácných případech lze dosáhnout frekvence 200 MHz. To je přípustné pouze při práci s alikvotem (vedlejší frekvence vyšší než hlavní). Speciální filtry jsou schopny potlačit základní frekvenci křemenné desky a zvýraznit její frekvenci vícenásobného podtextu.

Pro provoz jsou vhodné pouze liché harmonické (jiný název pro podtóny). Při jejich použití se navíc frekvenční odečty zvyšují při nižších amplitudách. Obvykle je maximem devítinásobné snížení výšky vlny. Dále je obtížné detekovat změny.

Křemen je dielektrikum. V kombinaci s dvojicí kovových elektrod se změní na kondenzátor, ale jeho kapacita je malá a nemá smysl ji měřit. Ve schématu je tato část zobrazena jako krystalický obdélník mezi deskami kondenzátoru. Křemenná deska, stejně jako jiná elastická tělesa, se vyznačuje přítomností vlastní rezonanční frekvence v závislosti na její velikosti. Tenké desky mají vyšší rezonanční frekvenci. V důsledku toho: stačí vybrat desku s takovými parametry, při kterých by se frekvence mechanických vibrací shodovala s frekvencí střídavého napětí přiváděného na desku. Křemenná deska je vhodná pouze při použití střídavého proudu, protože stejnosměrný proud může vyvolat pouze jednu kompresi nebo dekompresi.

Ve výsledku je zřejmé, že křemen je velmi jednoduchý rezonanční systém (se všemi vlastnostmi vlastními oscilačním obvodům), ale to vůbec nesnižuje kvalitu jeho práce.

Ještě účinnější je křemenný rezonátor. Jeho kvalitativní faktor je 10 5 - 10 7. Křemenné rezonátory zvyšují celkovou životnost kondenzátoru díky své teplotní stabilitě, odolnosti a vyrobitelnosti. Malá velikost dílů také usnadňuje jejich použití. Ale nejdůležitější výhodou je schopnost poskytovat stabilní frekvenci.

Mezi jediné nevýhody patří úzký rozsah ladění stávající frekvence s frekvencí externích prvků.

V každém případě jsou quartzové rezonátory velmi oblíbené a používají se v hodinkách, četné radioelektronice a dalších zařízeních. V některých zemích jsou křemenné desky instalovány přímo na chodnících a lidé vyrábějí energii jednoduše chůzí tam a zpět.

Princip činnosti

Funkce křemenného rezonátoru zajišťuje piezoelektrický jev. Tento jev vyvolává vznik elektrického náboje, pokud dojde k mechanické deformaci určitých typů krystalů (k přírodním patří křemen a turmalín). Síla náboje je přímo závislá na síle deformace. Toto se nazývá přímý piezoelektrický jev. Podstatou inverzního piezoelektrického jevu je, že pokud je krystal vystaven elektrickému poli, dojde k jeho deformaci.

Kontrola funkčnosti

Existuje několik jednoduchých metod pro kontrolu stavu křemene ve strojku. Zde je několik z nich:

1. Pro přesné určení stavu rezonátoru budete muset k výstupu generátoru připojit osciloskop nebo měřič frekvence. Požadovaná data lze vypočítat pomocí Lissajousových čísel. Za takových okolností je však možné nechtěně vybudit oscilační pohyby křemene jak na nadtonických, tak i na základních frekvencích. To může způsobit nepřesná měření. Tuto metodu lze použít v rozsahu od 1 do 10 MHz.
2. Pracovní frekvence generátoru závisí na křemenném rezonátoru. Když je dodávána energie, generátor produkuje impulsy, které se shodují s frekvencí hlavní rezonance. Série těchto impulsů prochází kondenzátorem, který odfiltruje stejnosměrnou složku a ponechá pouze podtóny a samotné impulsy jsou přenášeny do analogového frekvenčního měniče. Lze jej snadno sestavit ze dvou diod, kondenzátoru, rezistoru a mikroampérmetru. V závislosti na odečtených frekvencích se bude měnit i napětí na kondenzátoru. Tato metoda také není přesná a lze ji použít pouze v rozsahu od 3 do 10 MHz.

Obecně lze spolehlivé testování křemenných rezonátorů provést pouze při jejich výměně. A měli byste mít podezření na poruchu rezonátoru v mechanismu pouze jako poslední možnost. I když to neplatí pro přenosnou elektroniku, která podléhá častým pádům.

Křemenný rezonátor je elektronické zařízení založené na piezoelektrickém jevu a mechanické rezonanci. Používají ho rádiové stanice, kde nastavuje nosnou frekvenci v hodinách a časovačích, přičemž v nich je pevně stanoven interval 1 sekundy.

Co to je a proč je to potřeba

Zařízení je zdrojem, který poskytuje vysoce přesné harmonické oscilace. Ve srovnání s analogy má vyšší provozní účinnost a stabilní parametry.

První příklady moderních zařízení se objevily na rozhlasových stanicích v letech 1920-1930. jako prvky, které mají stabilní provoz a jsou schopné nastavit nosnou frekvenci. Ony:

• nahradil krystalové rezonátory pracující na Rochelleově soli, které se objevily v roce 1917 jako výsledek vynálezu Alexandra M. Nicholsona a vyznačovaly se nestabilitou;
• nahradil dříve používaný obvod cívkou a kondenzátorem, který neměl vysoký činitel jakosti (do 300) a závisel na změnách teplot.

O něco později se quartzové rezonátory staly nedílnou součástí časovačů a hodin. Elektronické součástky s vlastní rezonanční frekvencí 32768 Hz, která v binárním 15bitovém čítači nastavuje časový úsek rovný 1 sekundě.

Zařízení se dnes používají v:

• quartzové hodinky zajišťující jejich přesnost bez ohledu na okolní teplotu;
• měřicí přístroje, které jim zaručují vysokou přesnost ukazatelů;
• mořské echoloty, které se používají při výzkumu a tvorbě map dna, záznamu útesů, mělčin a hledání objektů ve vodě;
• obvody odpovídající referenčním oscilátorům, které syntetizují frekvence;
• obvody používané pro vlnovou indikaci SSB nebo telegrafního signálu;
• rozhlasové stanice se signálem DSB se střední frekvencí;
• pásmové propusti superheterodynních přijímačů, které jsou stabilnější a kvalitnější než LC filtry.

Zařízení jsou vyráběna s různými pouzdry. Dělí se na výstupní, používané při objemové montáži, a SMD, používané při povrchové montáži.

Jejich činnost závisí na spolehlivosti spínacího obvodu, která ovlivňuje:

• odchylka frekvence od požadované hodnoty, stabilita parametru;
• rychlost stárnutí zařízení;
• nosnost.

Vlastnosti křemenného rezonátoru

Je lepší než dříve existující analogy, díky čemuž je zařízení nepostradatelné v mnoha elektronických obvodech a vysvětluje rozsah použití zařízení. To potvrzuje i fakt, že za první desetiletí od jeho vynálezu bylo v USA (nepočítáme-li další země) vyrobeno více než 100 tisíc zařízení.

Mezi pozitivní vlastnosti křemenných rezonátorů, které vysvětlují popularitu a poptávku po zařízeních:

• dobrý faktor kvality, jehož hodnoty – 104–106 – překračují parametry dříve používaných analogů (mají faktor kvality 300);
• malé rozměry, které lze měřit ve zlomcích milimetru;
• odolnost vůči teplotě a jejím výkyvům;
• dlouhá životnost;
• snadnost výroby;
• schopnost vytvářet vysoce kvalitní kaskádové filtry bez použití ručního nastavení.

Křemenné rezonátory mají také nevýhody:

• externí prvky umožňují nastavit frekvenci v úzkém rozsahu;
• mít křehký design;
• nemůže tolerovat nadměrné teplo.

Princip činnosti křemenného rezonátoru

Zařízení pracuje na bázi piezoelektrického jevu, který se projevuje na nízkoteplotní křemenné desce. Prvek je vyříznut z pevného křemenného krystalu při dodržení stanoveného úhlu. Ten určuje elektrochemické parametry rezonátoru.

Destičky jsou po obou stranách potaženy vrstvou stříbra (vhodná je platina, nikl, zlato). Poté jsou pevně upevněny v pouzdře, které je utěsněno. Zařízení je oscilační systém, který má vlastní rezonanční frekvenci.

Když jsou elektrody vystaveny střídavému napětí, křemenná deska, která má piezoelektrické vlastnosti, se ohýbá, smršťuje a posouvá (v závislosti na typu zpracování krystalu). Současně se v něm objeví zpětné EMF, jako se to děje v induktoru umístěném v oscilačním obvodu.

Když je aplikováno napětí s frekvencí, která odpovídá přirozeným vibracím desky, je v zařízení pozorována rezonance. Zároveň:

• křemenný prvek zvyšuje amplitudu vibrací;
• Odpor rezonátoru je značně snížen.

Energie potřebná k udržení oscilací je v případě stejných frekvencí nízká.

Označení křemenného rezonátoru na elektrickém schématu

Zařízení je určeno podobně jako kondenzátor. Rozdíl: mezi svislé segmenty je umístěn obdélník - symbol destičky z křemenného krystalu. Mezera odděluje strany obdélníku a desku kondenzátoru. Poblíž schématu může být písmeno označení zařízení - QX.

Jak zkontrolovat křemenný rezonátor

Problémy s malými spotřebiči nastávají, pokud dostanou silný úder. K tomu dochází, když zařízení obsahující rezonátory spadnou. Ty selžou a vyžadují výměnu podle stejných parametrů.

Kontrola funkčnosti rezonátoru vyžaduje tester. Je sestaven podle obvodu založeného na tranzistoru KT3102, 5 kondenzátorech a 2 rezistorech (zařízení je podobné křemennému oscilátoru namontovanému na tranzistoru).

Zařízení musí být připojeno k bázi tranzistoru a zápornému pólu v připojených spojích, chráněno instalací ochranného kondenzátoru. Napájení spínacího obvodu je konstantní – 9V. Navíc je na vstup tranzistoru a na jeho výstup přes kondenzátor připojen měřič frekvence, který zaznamenává frekvenční parametry rezonátoru.

Schéma se používá při nastavování oscilačního obvodu. Když rezonátor pracuje správně, když je připojen, vytváří oscilace, které vedou ke vzniku střídavého napětí na emitoru tranzistoru. Kromě toho se frekvence napětí shoduje s podobnou charakteristikou rezonátoru.

Zařízení je vadné, pokud měřič frekvence nezjistí výskyt frekvence nebo detekuje přítomnost frekvence, ale ta se buď hodně liší od jmenovité hodnoty, nebo se při zahřátí pouzdra páječkou velmi změní.

Důvodem vzniku tohoto zařízení bylo značné množství nashromážděných křemenných rezonátorů, zakoupených i pájených z různých desek, a mnohé neměly žádné označení. Když jsme cestovali po obrovském prostoru internetu a snažili se sestavit a spustit různé, bylo rozhodnuto přijít s něčím vlastním. Po mnoha experimentech s různými generátory, jak na různých digitálních logikách, tak na tranzistorech, jsem si vybral 74HC4060, i když také nebylo možné eliminovat vlastní oscilace, ale jak se ukázalo, nevytváří rušení během provozu zařízení .

Quartz metrový obvod

Zařízení je založeno na dvou generátorech CD74HC4060 (74HC4060 nebyl v obchodě, ale soudě podle datasheetu jsou ještě „chladnější“), jeden pracuje na nízké frekvenci, druhý na vysoké. Nejnižší frekvence, které jsem měl, byly hodinové quartz a nejvyšší frekvence byly neharmonické quartz na 30 MHz. Vzhledem k jejich sklonu k samobuzení bylo rozhodnuto spínat generátory jednoduše přepínáním napájecího napětí, které je indikováno příslušnými LED diodami. Po generátorech jsem nainstaloval logický opakovač. Možná by bylo lepší nainstalovat kondenzátory místo rezistorů R6 a R7 (sám jsem to nezkontroloval).

Jak se ukázalo, na zařízení běží nejen quartz, ale také všemožné filtry se dvěma nebo více nohami, které byly úspěšně připojeny k příslušným konektorům. Jeden „dvounožec“ podobný keramickému kondenzátoru byl uveden na trh na 4 MHz, který byl později úspěšně použit místo křemenného rezonátoru.

Fotografie ukazují, že pro testování rádiových komponent se používají dva typy konektorů. První je vyroben z dílů panelů - pro vývodové části a druhý je fragment desky přilepený a připájený ke stopám přes odpovídající otvory - pro křemenné rezonátory SMD. Pro zobrazení informací se na mikrokontroléru PIC16F628 nebo PIC16F628A používá zjednodušený měřič frekvence, který automaticky přepíná limit měření, to znamená, že frekvence na indikátoru bude buď kHz nebo v MHz.

Podrobnosti o zařízení

Část desky je osazena na olověné části a část na SMD. Deska je určena pro jednořádkový LCD indikátor Winstar WH1601A (to je ten s kontakty vlevo nahoře), kontakty 15 a 16, které slouží k osvětlení, nejsou směrovány, ale kdo potřebuje, může si doplnit stopy a detaily pro ně. Nezapnul jsem podsvícení, protože jsem použil nepodsvícený indikátor z nějakého telefonu na stejném ovladači, ale nejprve tam byl jeden Winstar. Kromě WH1601A můžete použít WH1602B - dvouřádkový, ale druhý řádek nebude použit. Místo tranzistoru v obvodu můžete použít jakoukoli stejnou vodivost, nejlépe s větší h21. Deska má dva napájecí vstupy, jeden z mini USB, druhý přes můstek a 7805. V dalším pouzdru je místo i pro stabilizátor.

Nastavení zařízení

Při ladění tlačítkem S1 zapněte nízkofrekvenční režim (rozsvítí se LED VD1) a zasunutím křemenného rezonátoru na 32768 Hz do odpovídajícího konektoru (nejlépe ze základní desky počítače) nastavte pomocí ladícího kondenzátoru C11 frekvence na indikátoru na 32768 Hz. Rezistor R8 nastavuje maximální citlivost. Všechny soubory - desky, firmware, datové listy k použitým rádiovým prvkům a další, ke stažení v archivu. Autor projektu - nefedot.

Diskutujte o článku ZAŘÍZENÍ PRO KONTROLU FREKVENCE QUARTZU

Moderní digitální technologie vyžaduje vysokou přesnost, a tak není vůbec překvapivé, že téměř každé digitální zařízení, které dnes běžného člověka zaujme, obsahuje uvnitř quartzový rezonátor.

Křemenné rezonátory na různých frekvencích jsou potřebné jako spolehlivé a stabilní zdroje harmonických kmitů, aby se digitální mikrokontrolér mohl v budoucnu při provozu digitálního zařízení spolehnout na referenční frekvenci a pracovat s ní. Křemenný rezonátor je tedy spolehlivou náhradou oscilačního LC obvodu.

Pokud vezmeme v úvahu jednoduchý oscilační obvod skládající se z a , rychle se ukáže, že činitel jakosti takového obvodu v obvodu nepřesáhne 300, navíc kapacita kondenzátoru bude plavat v závislosti na okolní teplotě a totéž se stane s indukčností.

Ne nadarmo mají kondenzátory a cívky takové parametry jako TKE - teplotní koeficient kapacity a TKI - teplotní koeficient indukčnosti, které ukazují, jak se mění hlavní parametry těchto komponent se změnami jejich teploty.

Na rozdíl od oscilačních obvodů mají křemenné rezonátory pro oscilační obvody nedosažitelný kvalitativní faktor, který se měří v hodnotách od 10 000 do 10 000 000 a o teplotní stabilitě křemenných rezonátorů nemůže být řeč, protože frekvence zůstává konstantní při jakékoli hodnotě teploty. , obvykle z rozsahu od -40°C do +70°C.

Díky své vysoké teplotní stabilitě a faktoru kvality se křemenné rezonátory používají v celé radiotechnice a digitální elektronice.

K nastavení hodinového kmitočtu potřebuje vždy hodinový generátor, na který by se mohl spolehlivě spolehnout a tento generátor vždy potřebuje vysokofrekvenční a navíc velmi přesný. Zde přichází na pomoc křemenný rezonátor. Samozřejmě si v některých aplikacích vystačíte s piezokeramickými rezonátory s faktorem kvality 1000 a takové rezonátory jsou dostačující pro elektronické hračky a domácí rádia, ale pro přesnější zařízení je potřeba quartz.

Činnost křemenného rezonátoru je založena na energii, která se objevuje na křemenné desce. Křemen je polymorf oxidu křemičitého SiO2 a v přírodě se vyskytuje ve formě krystalů a oblázků. V zemské kůře je asi 12 % křemene ve volné formě, kromě toho je křemen obsažen ve formě směsí i v jiných minerálech a obecně je v zemské kůře více než 60 % křemene (hmotnostní zlomek).

Nízkoteplotní křemen, který má výrazné piezoelektrické vlastnosti, je vhodný pro vytváření rezonátorů. Chemicky je křemen velmi stabilní a lze jej rozpustit pouze v kyselině fluorovodíkové. Křemen je tvrdší než opál, ale ne tak tvrdý jako diamant.

Při výrobě křemenné desky se z křemenného krystalu vyřízne kus pod přesně stanoveným úhlem. V závislosti na úhlu řezu se bude výsledná křemenná deska lišit svými elektromechanickými vlastnostmi.

Vzniká tak oscilační systém, který má vlastní rezonanční frekvenci a takto získaný křemenný rezonátor má vlastní rezonanční frekvenci, určenou elektromechanickými parametry.

Pokud nyní přivedete na kovové elektrody plastu střídavé napětí dané rezonanční frekvence, objeví se jev rezonance a velmi výrazně se zvýší amplituda harmonických kmitů desky. V tomto případě se odpor rezonátoru výrazně sníží, to znamená, že proces je podobný tomu, co se vyskytuje v sériovém oscilačním obvodu. Vzhledem k vysokému činiteli kvality takového „oscilačního obvodu“ jsou ztráty energie při jeho buzení na rezonanční frekvenci zanedbatelné.

Na náhradním obvodu: C2 - statická elektrická kapacita desek s držáky, L - indukčnost, C1 - kapacita, R - odpor, odrážející elektromechanické vlastnosti instalované křemenné desky. Pokud odstraníte montážní prvky, zůstane vám sériový LC obvod.

Při instalaci na desku plošných spojů nemůže dojít k přehřátí křemenného rezonátoru, protože jeho konstrukce je značně křehká a přehřátí může vést k deformaci elektrod a držáku, což jistě ovlivní činnost rezonátoru v hotovém zařízení. Zahřejete-li křemen na 5730°C, zcela ztratí své piezoelektrické vlastnosti, ale nahřátí prvku páječkou na takovou teplotu je naštěstí nemožné.

Označení křemenného rezonátoru ve schématu je podobné označení kondenzátoru s obdélníkem mezi deskami (křemenná deska) a s nápisem „ZQ“ nebo „Z“.

Často je příčinou poškození křemenného rezonátoru pád nebo silný náraz zařízení, ve kterém je instalován, a pak je nutné vyměnit rezonátor za nový se stejnou rezonanční frekvencí. Takové poškození je typické pro malá zařízení, která lze snadno upustit. Podle statistik je však takové poškození křemenných rezonátorů extrémně vzácné a častěji je porucha zařízení způsobena jiným důvodem.

Chcete-li zkontrolovat provozuschopnost křemenného rezonátoru, můžete sestavit malou sondu, která pomůže nejen ověřit funkčnost rezonátoru, ale také vidět jeho rezonanční frekvenci. Obvod sondy je typický jednotranzistorový krystalový oscilátorový obvod.

Po zapnutí rezonátoru mezi bází a mínusem (můžete jej použít přes ochranný kondenzátor v případě zkratu v rezonátoru) zbývá pouze změřit rezonanční frekvenci frekvenčním měřičem. Tento obvod je také vhodný pro předladění oscilačních obvodů.

Při sepnutí obvodu bude ke generování oscilací přispívat pracovní rezonátor a na emitoru tranzistoru lze pozorovat střídavé napětí, jehož frekvence bude odpovídat hlavní rezonanční frekvenci testovaného křemenného rezonátoru.

Po připojení frekvenčního měřiče k výstupu sondy může uživatel pozorovat tuto rezonanční frekvenci. Pokud je frekvence stabilní, pokud malé zahřátí rezonátoru páječkou nevede k silnému frekvenčnímu driftu, pak rezonátor funguje. Pokud nedochází ke generování nebo frekvence plave nebo se ukáže, že je úplně jiná, než by měla být u testované součásti, pak je rezonátor vadný a měl by být vyměněn.

Tato sonda je vhodná i pro předladění oscilačních obvodů, v tomto případě je zapotřebí kondenzátor C1, i když při kontrole rezonátorů jej lze z obvodu vyloučit. Obvod se jednoduše připojí na místo rezonátoru a obvod začne generovat oscilace stejným způsobem.

Sonda sestavená podle výše uvedeného obvodu funguje pozoruhodně dobře na frekvencích od 15 do 20 MHz. Pro ostatní rozsahy můžete vždy hledat schémata zapojení na internetu, naštěstí je jich mnoho, jak na diskrétních součástkách, tak na mikroobvodu.