Resonaator on süsteem, mis on teatud tingimustel võimeline teostama maksimaalse amplituudiga võnkuvaid liikumisi. Kvartsresonaator - kvartsplaat, tavaliselt rööptahuka kujuga, toimib nii vahelduvvoolu rakendamisel (sagedus on erinevatel plaatidel erinev). Selle osa töösageduse määrab selle paksus. Sõltuvus on siin vastupidine. Kõige õhematel plaatidel on kõrgeim sagedus (mitte üle 50 MHz).

Harvadel juhtudel on võimalik saavutada sagedus 200 MHz. See on lubatud ainult ülemtooniga töötades (väiksem sagedus kõrgem kui põhiline). Spetsiaalsed filtrid on võimelised summutama kvartsplaadi põhisagedust ja tõstma esile selle mitmekordse ülemtoonilise sageduse.

Töötamiseks sobivad ainult paaritu harmoonilised (teine ​​nimi ülemtoonidele). Lisaks suurenevad nende kasutamisel sagedusnäidud madalamatel amplituudidel. Tavaliselt on maksimum üheksakordne lainekõrguse vähenemine. Lisaks muutub muutuste tuvastamine keeruliseks.

Kvarts on dielektrik. Kombinatsioonis metallelektroodide paariga muutub see kondensaatoriks, kuid selle võimsus on väike ja seda pole mõtet mõõta. Diagrammil on see osa kujutatud kristalse ristkülikuna kondensaatoriplaatide vahel. Kvartsplaati, nagu ka teisi elastseid kehasid, iseloomustab sõltuvalt selle suurusest oma resonantssageduse olemasolu. Õhukestel plaatidel on suurem resonantssagedus. Selle tulemusena: on vaja valida ainult selliste parameetritega plaat, mille juures mehaaniliste vibratsioonide sagedus langeks kokku plaadile rakendatava vahelduvpinge sagedusega. Kvartsplaat sobib ainult vahelduvvoolu kasutamisel, kuna alalisvool võib esile kutsuda ainult ühe kokkusurumise või dekompressiooni.

Selle tulemusena on ilmne, et kvarts on väga lihtne resonantssüsteem (koos kõigi võnkeahelatele omaste omadustega), kuid see ei vähenda sugugi selle töö kvaliteeti.

Kvartsresonaator on veelgi tõhusam. Selle kvaliteeditegur on 10 5–10 7. Kvartsresonaatorid pikendavad kondensaatori üldist kasutusiga tänu oma temperatuuristabiilsusele, vastupidavusele ja valmistatavusele. Osade väike suurus muudab ka nende kasutamise lihtsamaks. Kuid kõige olulisem eelis on võime pakkuda stabiilset sagedust.

Ainsad puudused hõlmavad olemasoleva sageduse häälestamise kitsast ulatust väliste elementide sagedusega.

Igal juhul on kvartsresonaatorid väga populaarsed ja neid kasutatakse kellades, arvukates raadioelektroonikas ja muudes seadmetes. Mõnes riigis paigaldatakse kvartsplaadid otse kõnniteedele ja inimesed toodavad energiat lihtsalt edasi-tagasi kõndides.

Toimimispõhimõte

Kvartsresonaatori funktsioonid tagab piesoelektriline efekt. See nähtus kutsub esile elektrilaengu ilmnemise, kui toimub teatud tüüpi kristallide mehaaniline deformatsioon (looduslike kristallide hulka kuuluvad kvarts ja turmaliin). Laengu jõud sõltub otseselt deformatsioonijõust. Seda nimetatakse otseseks piesoelektriliseks efektiks. Pöördpiesoelektrilise efekti olemus seisneb selles, et kui kristall puutub kokku elektriväljaga, siis see deformeerub.

Funktsionaalsuse kontroll

Kvartsi seisukorra kontrollimiseks liikumises on mitu lihtsat meetodit. Siin on paar neist:

1. Resonaatori oleku täpseks määramiseks peate generaatori väljundiga ühendama ostsilloskoobi või sagedusmõõturi. Vajalikud andmed saab arvutada Lissajouse arvude abil. Kuid sellistel asjaoludel on võimalik tahtmatult ergutada kvartsi võnkuvaid liikumisi nii ületoonilistel kui ka põhisagedustel. See võib põhjustada ebatäpseid mõõtmisi. Seda meetodit saab kasutada vahemikus 1 kuni 10 MHz.
2. Generaatori töösagedus sõltub kvartsresonaatorist. Energia tarnimisel toodab generaator impulsse, mis langevad kokku põhiresonantsi sagedusega. Nende impulsside jada juhitakse läbi kondensaatori, mis filtreerib välja alalisvoolukomponendi, jättes alles vaid ülemhelid, ja impulsid ise edastatakse analoogsagedusmõõturile. Seda saab hõlpsasti konstrueerida kahest dioodist, kondensaatorist, takistist ja mikroampermeetrist. Olenevalt sagedusnäitudest muutub ka pinge kondensaatoril. See meetod ei ole samuti täpne ja seda saab kasutada ainult vahemikus 3 kuni 10 MHz.

Üldiselt saab kvartsresonaatorite usaldusväärset testimist läbi viia ainult siis, kui need asendatakse. Ja mehhanismi resonaatori riket peaksite kahtlustama ainult viimase abinõuna. Kuigi see ei kehti kaasaskantavate elektroonikaseadmete kohta, mis võivad sageli kukkuda.

Kvartsresonaator on elektrooniline seade, mis põhineb piesoelektrilisel efektil, aga ka mehaanilisel resonantsil. Seda kasutavad raadiojaamad, kus see määrab kandesageduse kellades ja taimerites, fikseerides neis intervalli 1 sekund.

Mis see on ja miks seda vaja on

Seade on allikas, mis tagab ülitäpseid harmoonilisi võnkumisi. Võrreldes analoogidega on sellel suurem töötõhusus ja stabiilsed parameetrid.

Esimesed kaasaegsete seadmete näited ilmusid raadiojaamades aastatel 1920–1930. elementidena, millel on stabiilne töö ja mis on võimelised seadma kandesagedust. Nad:

• asendasid Rochelle'i soolal töötavad kristallresonaatorid, mis ilmusid 1917. aastal Alexander M. Nicholsoni leiutise tulemusena ja mida iseloomustas ebastabiilsus;
• asendati varem kasutatud vooluring mähise ja kondensaatoriga, millel puudus kõrge kvaliteeditegur (kuni 300) ja mis sõltus temperatuurimuutustest.

Veidi hiljem said kvartsresonaatorid taimerite ja kellade lahutamatuks osaks. Elektroonilised komponendid loomuliku resonantssagedusega 32768 Hz, mis binaarses 15-bitises loenduris seab ajavahemikuks 1 sekund.

Tänapäeval kasutatakse seadmeid:

• kvartskellad, tagades nende täpsuse sõltumata ümbritseva õhu temperatuurist;
• mõõteriistad, tagades neile indikaatorite kõrge täpsuse;
• merekajaloodid, mida kasutatakse põhjakaartide uurimisel ja koostamisel, riffide, madalikute salvestamisel ning veest objektide otsimisel;
• sagedusi sünteesivatele referentsostsillaatoritele vastavad ahelad;
• SSB- või telegraafisignaali laineindikaatoriks kasutatavad ahelad;
• vahesagedusega DSB-signaaliga raadiojaamad;
• superheterodüünvastuvõtjate ribapääsfiltrid, mis on stabiilsemad ja kvaliteetsemad kui LC-filtrid.

Seadmed on toodetud erinevate korpustega. Need jagunevad väljunditeks, mida kasutatakse mahulisel paigaldamisel, ja SMD-deks, mida kasutatakse pindpaigalduses.

Nende töö sõltub lülitusahela töökindlusest, mis mõjutab:

• sageduse kõrvalekalle nõutavast väärtusest, parameetri stabiilsus;
• seadme vananemise kiirus;
• kandevõime.

Kvartsresonaatori omadused

See on parem kui varem eksisteerinud analoogid, mis muudab seadme paljudes elektroonikalülitustes asendamatuks ja selgitab seadme kasutusala. Seda kinnitab tõsiasi, et esimese kümnendi jooksul pärast selle leiutamist toodeti USA-s (muid riike arvestamata) üle 100 tuhande seadme.

Kvartsresonaatorite positiivsete omaduste hulgas, mis selgitavad seadmete populaarsust ja nõudlust:

• hea kvaliteeditegur, mille väärtused - 104-106 - ületavad varem kasutatud analoogide parameetreid (nende kvaliteeditegur on 300);
• väikesed mõõtmed, mida saab mõõta millimeetri murdosades;
• vastupidavus temperatuurile ja selle kõikumisele;
• pikk kasutusiga;
• valmistamise lihtsus;
• võimalus ehitada kvaliteetseid kaskaadfiltreid ilma käsitsi seadistusi kasutamata.

Kvartsresonaatoritel on ka puudusi:

• välised elemendid võimaldavad reguleerida sagedust kitsas vahemikus;
• neil on habras disain;
• ei talu liigset kuumust.

Kvartsresonaatori tööpõhimõte

Seade töötab piesoelektrilise efekti alusel, mis avaldub madala temperatuuriga kvartsplaadil. Element lõigatakse tahkest kvartskristallist välja, jälgides määratud nurka. Viimane määrab resonaatori elektrokeemilised parameetrid.

Plaadid on mõlemalt poolt kaetud hõbedakihiga (sobib plaatina, nikkel, kuld). Seejärel kinnitatakse need kindlalt korpusesse, mis on tihendatud. Seade on võnkesüsteem, millel on oma resonantssagedus.

Kui elektroodid on allutatud vahelduvpingele, siis piesoelektriliste omadustega kvartsplaat paindub, tõmbub kokku ja nihkub (olenevalt kristallide töötlemise tüübist). Samal ajal ilmub sellesse tagasi-EMF, nagu juhtub võnkeahelas asuvas induktiivpoolis.

Kui rakendatakse pinget, mille sagedus vastab plaadi loomulikule vibratsioonile, täheldatakse seadmes resonantsi. Samaaegselt:

• kvartselement suurendab vibratsiooni amplituudi;
• Resonaatori takistus on oluliselt vähenenud.

Võrdsete sageduste korral on võnkumiste säilitamiseks vajalik energia madal.

Kvartsresonaatori tähistus elektriskeemil

Seade on tähistatud sarnaselt kondensaatoriga. Erinevus: vertikaalsete segmentide vahele asetatakse ristkülik - kvartskristalli plaadi sümbol. Ristküliku ja kondensaatori plaadi külgi eraldab vahe. Diagrammi lähedal võib olla seadme tähetähis - QX.

Kuidas kontrollida kvartsresonaatorit

Väikeste seadmetega tekivad probleemid, kui need saavad tugeva löögi. See juhtub siis, kui resonaatoreid sisaldavad seadmed kukuvad. Viimased ebaõnnestuvad ja vajavad asendamist samade parameetrite järgi.

Resonaatori funktsionaalsuse kontrollimiseks on vaja testerit. See on kokku pandud vastavalt vooluahelale, mis põhineb transistoril KT3102, 5 kondensaatoril ja 2 takistil (seade sarnaneb transistorile kokkupandud kvartsostsillaatoriga).

Seade peab olema ühendatud transistori alusega ja ühendatud ühendustes miinuspoolusega, kaitstud kaitsekondensaatori paigaldamisega. Lülitusahela toide on konstantne – 9V. Lisaks on transistori sisendiga ühendatud sagedusmõõtur ja kondensaatori kaudu selle väljundiga, mis salvestab resonaatori sageduse parameetrid.

Diagrammi kasutatakse võnkeahela seadistamisel. Kui resonaator töötab korralikult, tekitab see ühendamisel võnkumisi, mis põhjustavad transistori emitteri vahelduvpinge ilmnemist. Veelgi enam, pinge sagedus langeb kokku resonaatori sarnase karakteristikuga.

Seade on vigane, kui sagedusmõõtur ei tuvasta sageduse esinemist või tuvastab sageduse olemasolu, kuid see kas erineb palju nimiväärtusest või kui korpust kuumutada jootekolbiga, muutub see suuresti.

Selle seadme loomise põhjuseks oli arvestatav hulk kogunenud kvartsresonaatoreid, nii ostetud kui ka joodetud erinevatelt plaatidelt ning paljudel puudusid märgistused. Rännates mööda Interneti tohutuid avarusteid ja proovides erinevaid kokku panna ja käivitada, otsustati välja mõelda midagi oma. Pärast mitmeid katsetusi erinevate generaatoritega, nii erinevatel digitaalloogikatel kui ka transistoridel, valisin 74HC4060, kuigi ka isevõnkumisi ei olnud võimalik kõrvaldada, kuid nagu selgus, ei tekita see seadme töötamise ajal häireid. .

Kvartsmeetri vooluring

Seade põhineb kahel CD74HC4060 generaatoril (74HC4060 poes ei olnud, aga andmelehe järgi on need veel “lahedamad”), üks töötab madalal, teine ​​kõrgel. Madalaima sagedusega kvarts, mis mul oli, oli tunnikvarts ja kõrgeim sagedus oli mitteharmooniline kvarts sagedusel 30 MHz. Kuna need kalduvad ise ergutama, otsustati generaatorid lülitada lihtsalt toitepinge ümberlülitamise teel, millest annavad märku vastavad LED-id. Peale generaatoreid paigaldasin loogikareiiteri. Võib-olla oleks parem paigaldada takistite R6 ja R7 asemel kondensaatorid (ma pole seda ise kontrollinud).

Nagu selgus, töötab seade mitte ainult kvartsiga, vaid ka kõikvõimalike kahe või enama jalaga filtritega, mis said edukalt ühendatud vastavate pistikutega. Üks keraamilise kondensaatoriga sarnane “kahejalg” käivitati sagedusel 4 MHz, mida hiljem edukalt kvartsresonaatori asemel kasutati.

Fotod näitavad, et raadiokomponentide testimiseks kasutatakse kahte tüüpi pistikuid. Esimene on valmistatud paneelide osadest - väljaviidavate osade jaoks ja teine ​​​​on plaadi fragment, mis on liimitud ja joodetud vastavate aukude kaudu radadele - SMD kvartsresonaatorite jaoks. Teabe kuvamiseks kasutatakse mikrokontrolleril PIC16F628 või PIC16F628A lihtsustatud sagedusmõõturit, mis lülitab automaatselt mõõtepiiri ehk indikaatori sagedus on kas kHz või sisse MHz.

Teave seadme üksikasjade kohta

Osa plaadist on kokku pandud pliiosadele ja osa SMD-le. Tahvel on mõeldud Winstari üherealise LCD indikaatori WH1601A jaoks (sellel on kontaktid üleval vasakul), valgustamiseks mõeldud kontakte 15 ja 16 ei suunata, kuid rada ja detaile saab lisada igaüks, kes vajab. enda jaoks. Taustvalgustust ma sisse ei lülitanud, kuna kasutasin samal kontrolleril mõne telefoni tagantvalgustusega indikaatorit, aga algul oli Winstar. Lisaks WH1601A saate kasutada WH1602B - kaherealist, kuid teist rida ei kasutata. Skeemis oleva transistori asemel võite kasutada mis tahes sama juhtivust, eelistatavalt suurema h21-ga. Plaadil on kaks toitesisendit, üks mini USB-lt, teine ​​läbi silla ja 7805. Samuti on teises korpuses ruumi stabilisaatori jaoks.

Seadme seadistamine

Nupuga S1 häälestades lülita sisse madalsagedusrežiim (VD1 LED süttib) ja sisestades vastavasse pesasse 32768 Hz kvartsresonaatori (soovitavalt arvuti emaplaadilt), kasuta häälestuskondensaatorit C11 seadistamiseks. indikaatori sagedus kuni 32768 Hz. Takisti R8 määrab maksimaalse tundlikkuse. Kõik failid - tahvlid, püsivara, kasutatud raadioelementide andmelehed ja palju muud - laadige alla arhiivis. Projekti autor - nefedot.

Arutage artiklit SEADE KVARTSI SAGEDUSE KONTROLLIMISEKS

Kaasaegne digitehnoloogia nõuab suurt täpsust, mistõttu pole sugugi üllatav, et peaaegu igas tänapäeval tavainimesele silma jäänud digiseadmes on sees kvartsresonaator.

Erineva sagedusega kvartsresonaatoreid on vaja usaldusväärsete ja stabiilsete harmooniliste võnkeallikatena, et digitaalne mikrokontroller saaks tugineda tugisagedusele ja sellega ka tulevikus, digiseadme töötamise ajal, töötada. Seega on kvartsresonaator võnkuva LC-ahela usaldusväärne asendus.

Kui võtta arvesse lihtsat võnkeahelat, mis koosneb ja , saab kiiresti selgeks, et sellise ahela kvaliteeditegur ahelas ei ületa 300, pealegi ujub kondensaatori mahtuvus sõltuvalt ümbritsevast temperatuurist ja sama. juhtub induktiivsusega.

Pole asjata, et kondensaatoritel ja mähistel on sellised parameetrid nagu TKE - mahtuvuse temperatuurikoefitsient ja TKI - induktiivsuse temperatuuritegur, mis näitavad, kuidas nende komponentide peamised parameetrid nende temperatuuri muutudes muutuvad.

Erinevalt võnkeahelatest on kvartsil põhinevatel resonaatoritel võnkeahelate jaoks saavutamatu kvaliteeditegur, mida mõõdetakse väärtustes 10 000 kuni 10 000 000 ja kvartsresonaatorite temperatuuristabiilsusest pole juttugi, sest sagedus jääb konstantseks mis tahes temperatuuriväärtuse juures. , tavaliselt vahemikus -40°C kuni +70°C.

Seega kasutatakse kvartsresonaatoreid nende kõrge temperatuuri stabiilsuse ja kvaliteediteguri tõttu kogu raadiotehnikas ja digitaalelektroonikas.

Ta vajab taktsageduse seadistamiseks alati kellageneraatorit, millele ta saaks usaldusväärselt tugineda, ja see generaator vajab alati kõrgsageduslikku ja pealegi ülitäpset. Siin tuleb appi kvartsresonaator. Muidugi saab mõnes rakenduses hakkama ka 1000-se kvaliteediteguriga piesokeraamiliste resonaatoritega ning sellistest resonaatoritest piisab elektrooniliste mänguasjade ja koduraadioseadmete jaoks, kuid täpsemate seadmete jaoks on vaja kvartsi.

Kvartsresonaatori töö põhineb energial, mis ilmub kvartsplaadile. Kvarts on ränidioksiidi SiO2 polümorf, mida leidub looduses kristallide ja kivikeste kujul. Vabal kujul sisaldab maakoor umbes 12% kvartsi, lisaks sisaldub kvarts segudena ka teistes mineraalides ning üldiselt sisaldab maakoor kvartsi üle 60% (massiosa).

Resonaatorite loomiseks sobib madalatemperatuuriline kvarts, millel on väljendunud piesoelektrilised omadused. Keemiliselt on kvarts väga stabiilne ja seda saab lahustada ainult vesinikfluoriidhappes. Kvarts on kõvem kui opaal, kuid mitte nii kõva kui teemant.

Kvartsplaadi valmistamisel lõigatakse kvartskristallist välja tükk rangelt määratud nurga all. Sõltuvalt lõikenurgast erineb saadud kvartsplaat oma elektromehaaniliste omaduste poolest.

Selle tulemuseks on võnkesüsteem, millel on oma resonantssagedus ja sel viisil saadud kvartsresonaatoril on oma elektromehaaniliste parameetritega määratud resonantssagedus.

Kui nüüd rakendada plastiku metallelektroodidele etteantud resonantssagedusega vahelduvpinge, siis ilmneb resonantsnähtus ja plaadi harmooniliste võnkumiste amplituud suureneb väga oluliselt. Sel juhul väheneb resonaatori takistus oluliselt, see tähendab, et protsess on sarnane järjestikuses võnkeahelas toimuvaga. Sellise "võnkeahela" kõrge kvaliteediteguri tõttu on energiakaod selle ergastamisel resonantssagedusel tühised.

Samaväärsel ahelal: C2 - hoidikutega plaatide staatiline elektriline võimsus, L - induktiivsus, C1 - mahtuvus, R - takistus, mis peegeldab paigaldatud kvartsplaadi elektromehaanilisi omadusi. Kui eemaldate kinnituselemendid, jääb teile seeria LC-ahel.

Trükkplaadile paigaldamisel ei saa kvartsresonaatorit üle kuumeneda, sest selle konstruktsioon on üsna habras ning ülekuumenemine võib põhjustada elektroodide ja hoidiku deformatsiooni, mis kindlasti mõjutab resonaatori tööd valmisseadmes. Kui kvartsi kuumutada 5730°C-ni, kaotab see täielikult oma piesoelektrilised omadused, kuid õnneks pole elementi jootekolviga sellise temperatuurini võimalik soojendada.

Kvartsresonaatori tähistus diagrammil on sarnane kondensaatori tähisega, mille plaatide vahel on ristkülik (kvartsplaat) ja millel on kiri “ZQ” või “Z”.

Tihti on kvartsresonaatori kahjustuse põhjuseks selle seadme kukkumine või tugev löök, millesse see on paigaldatud, ning seejärel tuleb resonaator välja vahetada sama resonantssagedusega uue vastu. Selline kahjustus on tüüpiline väikese suurusega seadmetele, mida on lihtne maha kukkuda. Kuid statistika järgi on selline kvartsresonaatorite kahjustus äärmiselt haruldane ja sagedamini põhjustab seadme rike muul põhjusel.

Kvartsresonaatori töökindluse kontrollimiseks saate kokku panna väikese sondi, mis aitab mitte ainult kontrollida resonaatori funktsionaalsust, vaid ka näha selle resonantssagedust. Sondiahel on tüüpiline ühe transistori kristallostsillaatori ahel.

Pärast aluse ja miinuse vahelise resonaatori sisselülitamist (resonaatori lühise korral saate seda kasutada kaitsekondensaatori kaudu), jääb üle vaid mõõta resonantssagedust sagedusmõõturiga. See ahel sobib ka võnkeahelate eelhäälestamiseks.

Kui vooluahel on sisse lülitatud, aitab töötav resonaator kaasa võnkumiste tekitamisele ja transistori emitteris võib täheldada vahelduvpinget, mille sagedus vastab testitava kvartsresonaatori põhiresonantssagedusele.

Ühendades sagedusmõõturi sondi väljundiga, saab kasutaja seda resonantssagedust jälgida. Kui sagedus on stabiilne, kui resonaatori väike kuumutamine jootekolbiga ei too kaasa tugevat sagedustriivi, siis resonaator töötab. Kui genereerimist ei toimu või sagedus ujub või osutub täiesti erinevaks, kui see testitava komponendi puhul peaks olema, siis on resonaator vigane ja tuleks välja vahetada.

See sond on mugav ka võnkeahelate eelhäälestamiseks; sel juhul on vaja kondensaatorit C1, kuigi resonaatorite kontrollimisel võib selle vooluringist välja jätta. Ahel ühendatakse lihtsalt resonaatori asemele ja ahel hakkab samamoodi võnkumisi tekitama.

Ülaltoodud skeemi järgi kokku pandud sond töötab sagedustel 15 kuni 20 MHz märkimisväärselt hästi. Teiste vahemike jaoks saab alati Internetist otsida skeeme, õnneks on neid palju, nii diskreetsete komponentide kui ka mikroskeemi peal.