A rezonátor olyan rendszer, amely bizonyos körülmények között maximális amplitúdójú oszcilláló mozgásokra képes. Kvarc rezonátor - egy kvarclemez, általában paralelepipedon alakú, így működik, amikor váltakozó áramot alkalmaznak (a frekvencia különböző lemezeknél). Ennek az alkatrésznek a működési frekvenciáját a vastagsága határozza meg. A függőség itt az ellenkezője. A legvékonyabb lemezek frekvenciája a legmagasabb (nem haladja meg az 50 MHz-et).

Ritka esetekben 200 MHz-es frekvencia érhető el. Ez csak akkor megengedett, ha egy felhangon dolgozik (a fő frekvenciánál kisebb frekvencia). A speciális szűrők képesek elnyomni a kvarclemez alapfrekvenciáját és kiemelni annak többszörös felhangfrekvenciáját.

Csak a páratlan harmonikusok (a felhangok másik neve) alkalmasak a működésre. Ezenkívül használatukkor a frekvenciaértékek alacsonyabb amplitúdóknál nőnek. Jellemzően a maximum a hullámmagasság kilencszeres csökkenése. Ezenkívül nehéz észrevenni a változásokat.

A kvarc egy dielektrikum. Fémelektródapárral kombinálva kondenzátorrá alakul, de a kapacitása kicsi, és nincs értelme mérni. Az ábrán ez a rész kristályos téglalapként jelenik meg a kondenzátorlapok között. A kvarclemezt, más rugalmas testekhez hasonlóan, saját rezonanciafrekvenciája jellemzi, méretétől függően. A vékony lemezek rezonanciafrekvenciája magasabb. Ennek eredményeként: csak olyan paraméterekkel rendelkező lemezt kell kiválasztani, amelynél a mechanikai rezgések frekvenciája egybeesne a lemezre adott váltakozó feszültség frekvenciájával. A kvarclemez csak váltóáram használata esetén alkalmas, mivel az egyenáram csak egyetlen kompressziót vagy dekompressziót válthat ki.

Ennek eredményeként nyilvánvaló, hogy a kvarc egy nagyon egyszerű rezonáns rendszer (a rezgőáramkörökben rejlő összes tulajdonsággal), de ez egyáltalán nem rontja munkájának minőségét.

A kvarc rezonátor még hatékonyabb. Minőségi tényezője 10 5 - 10 7. A kvarc rezonátorok növelik a kondenzátor teljes élettartamát hőmérséklet-stabilitásuk, tartósságuk és gyárthatóságuk miatt. Az alkatrészek kis mérete is megkönnyíti a használatukat. De a legfontosabb előny a stabil frekvencia biztosításának képessége.

Az egyetlen hátrány a meglévő frekvencia külső elemek frekvenciájával történő hangolásának szűk tartománya.

Mindenesetre a kvarc rezonátorok nagyon népszerűek, órákban, számos rádióelektronikában és egyéb készülékekben használják. Egyes országokban a kvarclemezeket közvetlenül a járdákra szerelik fel, és az emberek egyszerűen oda-vissza sétálva termelnek energiát.

Működés elve

A kvarc rezonátor funkcióit a piezoelektromos hatás biztosítja. Ez a jelenség elektromos töltés megjelenését váltja ki, ha bizonyos típusú kristályok mechanikai deformációja következik be (a természetesek közé tartozik a kvarc és a turmalin). A töltés ereje közvetlenül függ az alakváltozási erőtől. Ezt nevezzük közvetlen piezoelektromos hatásnak. Az inverz piezoelektromos hatás lényege, hogy ha egy kristályt elektromos térnek tesszük ki, akkor az deformálódik.

Működési ellenőrzés

Számos egyszerű módszer létezik a kvarc állapotának ellenőrzésére egy mozgásban. Íme néhány közülük:

1. A rezonátor állapotának pontos meghatározásához oszcilloszkópot vagy frekvenciamérőt kell csatlakoztatnia a generátor kimenetéhez. A szükséges adatok Lissajous-számok segítségével számíthatók ki. Ilyen körülmények között azonban előfordulhat, hogy a kvarc rezgőmozgását akaratlanul gerjeszteni mind a feltonikus, mind az alapfrekvenciákon. Ez pontatlan méréseket eredményezhet. Ez a módszer 1-10 MHz tartományban használható.
2. A generátor működési frekvenciája a kvarc rezonátortól függ. Amikor energiát szolgáltatnak, a generátor impulzusokat állít elő, amelyek egybeesnek a fő rezonancia frekvenciájával. Ezeknek az impulzusoknak a sorozatát egy kondenzátoron vezetik át, amely kiszűri az egyenáramú komponenst, csak felhangokat hagyva hátra, és maguk az impulzusok egy analóg frekvenciamérőbe kerülnek. Könnyen összeállítható két diódából, egy kondenzátorból, egy ellenállásból és egy mikroampermérőből. A frekvenciaértékektől függően a kondenzátor feszültsége is változik. Ez a módszer szintén nem pontos, és csak 3 és 10 MHz közötti tartományban használható.

Általánosságban elmondható, hogy a kvarcrezonátorok megbízható tesztelése csak csere esetén végezhető el. A rezonátor meghibásodását a mechanizmusban csak végső esetben szabad gyanítani. Bár ez nem vonatkozik azokra a hordozható elektronikai eszközökre, amelyek gyakran esnek ki.

A kvarc rezonátor egy elektronikus eszköz, amely piezoelektromos hatáson, valamint mechanikai rezonancián alapul. Rádióállomások használják, ahol órákban és időzítőkben állítja be a vivőfrekvenciát, 1 másodperces intervallumot rögzítve bennük.

Mi ez és miért van rá szükség

A készülék olyan forrás, amely nagy pontosságú harmonikus rezgéseket biztosít. Az analógokhoz képest nagyobb működési hatékonysággal és stabil paraméterekkel rendelkezik.

A modern eszközök első példái 1920-1930-ban jelentek meg a rádióállomásokon. stabil működésű és a vivőfrekvencia beállítására alkalmas elemekként. Ők:

• felváltotta a Rochelle-són működő kristályrezonátorokat, amelyek 1917-ben jelentek meg Alexander M. Nicholson találmánya nyomán, és instabilitás jellemezte őket;
• a korábban használt áramkört egy tekercsre és egy kondenzátorra cserélték, amelyek nem rendelkeztek magas minőségi tényezővel (300-ig), és a hőmérséklet változásától függtek.

Kicsit később a kvarc rezonátorok az időzítők és órák szerves részévé váltak. Elektronikus alkatrészek 32768 Hz természetes rezonanciafrekvenciájú, amely egy bináris 15 bites számlálóban 1 másodpercnek megfelelő időtartamot állít be.

Az eszközöket ma a következő területeken használják:

• kvarcórák, biztosítva pontosságukat a környezeti hőmérséklettől függetlenül;
• mérőműszerek, amelyek garantálják számukra a mutatók nagy pontosságát;
• tengeri visszhangszondák, amelyeket kutatásra és fenéktérképek készítésére, zátonyok, zátonyok rögzítésére és a vízben lévő objektumok keresésére használnak;
• frekvenciákat szintetizáló referenciaoszcillátoroknak megfelelő áramkörök;
• SSB vagy távírójel hullámjelzésére használt áramkörök;
• rádióállomások köztes frekvenciájú DSB jellel;
• szuperheterodin vevők sávszűrői, amelyek stabilabbak és jó minőségűek, mint az LC szűrők.

A készülékek különböző házzal készülnek. Ezek fel vannak osztva kimenetre, amelyet térfogati szerelésben használnak, és SMD-re, amelyet felületi szerelésben használnak.

Működésük a kapcsolóáramkör megbízhatóságától függ, ami befolyásolja:

• frekvencia eltérés a szükséges értéktől, paraméter stabilitása;
• az eszköz öregedésének sebessége;
• terhelhetőség.

A kvarc rezonátor tulajdonságai

Ez felülmúlja a korábban létező analógokat, ami az eszközt számos elektronikus áramkörben nélkülözhetetlenné teszi, és megmagyarázza az eszköz felhasználási körét. Ezt igazolja, hogy a feltalálása óta eltelt első évtizedben több mint 100 ezer készüléket gyártottak az USA-ban (a többi országot nem számítva).

A kvarc rezonátorok pozitív tulajdonságai, amelyek megmagyarázzák az eszközök népszerűségét és keresletét:

• jó minőségi tényező, amelynek értékei - 104-106 - meghaladják a korábban használt analógok paramétereit (300-as minőségi tényezővel rendelkeznek);
• kis méretek, amelyek a milliméter töredékeiben mérhetők;
• ellenáll a hőmérsékletnek és annak ingadozásainak;
• hosszú élettartam;
• könnyű gyártás;
• kiváló minőségű kaszkádszűrők létrehozásának lehetősége kézi beállítások nélkül.

A kvarc rezonátoroknak vannak hátrányai is:

• a külső elemek lehetővé teszik a frekvencia szűk tartományban történő beállítását;
• törékeny kialakításúak;
• nem tolerálja a túlzott meleget.

A kvarc rezonátor működési elve

A készülék a piezoelektromos hatás alapján működik, ami egy alacsony hőmérsékletű kvarclemezen nyilvánul meg. Az elemet szilárd kvarckristályból vágják ki, betartva a megadott szöget. Ez utóbbi határozza meg a rezonátor elektrokémiai paramétereit.

A lemezek mindkét oldalán ezüstréteggel vannak bevonva (platina, nikkel, arany megfelelő). Ezután szilárdan rögzítve vannak a házban, amely le van zárva. Az eszköz egy oszcillációs rendszer, amelynek saját rezonanciafrekvenciája van.

Amikor az elektródák váltakozó feszültségnek vannak kitéve, a piezoelektromos tulajdonságokkal rendelkező kvarclemez meghajlik, összehúzódik és eltolódik (a kristályfeldolgozás típusától függően). Ugyanakkor megjelenik benne egy back-EMF, mint az oszcillációs áramkörben elhelyezett induktorban.

Ha a lemez természetes rezgéseinek megfelelő frekvenciájú feszültséget alkalmazunk, a készülékben rezonancia figyelhető meg. Egyidejűleg:

• a kvarc elem növeli a rezgések amplitúdóját;
• A rezonátor ellenállása jelentősen csökken.

Az oszcilláció fenntartásához szükséges energia egyenlő frekvenciák esetén alacsony.

Kvarc rezonátor jelölése elektromos diagramon

A készülék jelölése hasonló a kondenzátorhoz. Különbség: a függőleges szegmensek közé egy téglalap kerül - a kvarckristályból készült lemez szimbóluma. A téglalap és a kondenzátorlap oldalait rés választja el. Az ábrán a közelben az eszköz betűjelzése lehet - QX.

Hogyan ellenőrizzük a kvarc rezonátort

Problémák merülnek fel a kis készülékekkel, ha erős ütést kapnak. Ez akkor történik, amikor a rezonátorokat tartalmazó eszközök leesnek. Ez utóbbiak meghibásodnak, és ugyanazon paraméterek szerint cserét igényelnek.

A rezonátor működőképességének ellenőrzéséhez tesztelőre van szükség. A KT3102 tranzisztoron, 5 kondenzátoron és 2 ellenálláson alapuló áramkör szerint van összeszerelve (az eszköz hasonló egy tranzisztorra szerelt kvarc oszcillátorhoz).

A készüléket a tranzisztor alapjához és a negatív pólushoz kell csatlakoztatni a csatlakoztatott csatlakozásokban, védőkondenzátor beépítésével védve. A kapcsolóáramkör tápellátása állandó – 9V. Ráadásul a tranzisztor bemenetére, a kimenetére pedig egy kondenzátoron keresztül csatlakozik egy frekvenciamérő, ami rögzíti a rezonátor frekvenciaparamétereit.

A diagramot az oszcillációs áramkör beállításakor használjuk. Amikor a rezonátor megfelelően működik, amikor csatlakoztatva van, rezgéseket kelt, amelyek a tranzisztor emitterén váltakozó feszültség megjelenéséhez vezetnek. Ezenkívül a feszültség frekvencia egybeesik a rezonátor hasonló jellemzőivel.

A készülék akkor hibás, ha a frekvenciamérő nem érzékeli a frekvencia előfordulását, vagy érzékeli a frekvencia jelenlétét, de az vagy sokban eltér a névleges értéktől, vagy forrasztópákával melegítve a házat nagyban megváltozik.

Ennek az eszköznek az oka a felhalmozódott kvarc rezonátorok jelentős száma volt, amelyeket különböző táblákból vásároltak és forrasztottak, és sokon nem voltak jelölések. Végigutazva az Internet hatalmas kiterjedését, és megpróbálva összeszerelni és elindítani különbözőeket, úgy döntöttünk, hogy kitalálunk valamit. Sokféle generátorral, különböző digitális logikán és tranzisztorokon végzett kísérletezés után a 74HC4060-at választottam, bár az önrezgéseket szintén nem sikerült kiküszöbölni, de mint kiderült, ez nem okoz interferenciát a készülék működése során. .

Kvarc mérő áramkör

A készülék két CD74HC4060 generátorra épül (74HC4060 nem volt a boltban, de az adatlapból ítélve még „hűvösebbek”), az egyik alacsony, a másik magas frekvencián üzemel. A legalacsonyabb frekvenciájú kvarc volt, a legmagasabb pedig a nem harmonikus kvarc 30 MHz-en. Az öngerjesztésre való hajlam miatt úgy döntöttek, hogy a generátorokat egyszerűen a tápfeszültség átkapcsolásával kapcsolják, amit a megfelelő LED-ek jeleznek. A generátorok után egy logikai átjátszót telepítettem. Lehet, hogy jobb kondenzátorokat telepíteni az R6 és R7 ellenállások helyett (én nem ellenőriztem).

Mint kiderült, a készüléken nem csak kvarc, hanem mindenféle két- vagy többlábú szűrő is működik, amelyeket sikeresen csatlakoztattak a megfelelő csatlakozókhoz. Egy kerámia kondenzátorhoz hasonló „kétlábú” 4 MHz-en indult, amelyet később sikeresen alkalmaztak a kvarc rezonátor helyett.

A fényképek azt mutatják, hogy kétféle csatlakozót használnak a rádióalkatrészek tesztelésére. Az első panelek részeiből készül - a kivezető alkatrészekhez, a második pedig a tábla töredéke, amelyet a megfelelő lyukakon keresztül ragasztottak és forrasztanak a sínekhez - SMD kvarc rezonátorokhoz. Az információk megjelenítéséhez a PIC16F628 vagy PIC16F628A mikrokontrolleren egyszerűsített frekvenciamérőt használnak, amely automatikusan átkapcsolja a mérési határértéket, vagyis a jelzőn a frekvencia vagy kHz vagy be MHz.

Az eszköz részleteiről

A tábla egy része ólomrészekre, egy része SMD-re van szerelve. A táblát a Winstar egysoros WH1601A LCD kijelzőhöz tervezték (ennek az érintkezői a bal felső sarokban vannak), a megvilágítást szolgáló 15-ös és 16-os érintkezők nincsenek elvezetve, de akinek kell, az felvehet számokat és részleteket. maguknak. A háttérvilágítást nem kapcsoltam be, mert ugyanarra a kontrollerre valami telefon nem háttérvilágítású jelzőjét használtam, de eleinte volt egy Winstar. A WH1601A mellett használhatja a WH1602B-t is - kétsoros, de a második sort nem fogja használni. Az áramkörben lévő tranzisztor helyett használhatja bármelyik azonos vezetőképességet, lehetőleg nagyobb h21-gyel. A lapon két táp bemenet van, az egyik mini USB-ről, a másik hídon keresztül és 7805. Egy másik tokban stabilizátornak is van hely.

Eszköz beállítása

Ha az S1 gombbal hangol, kapcsolja be az alacsony frekvenciás módot (a VD1 LED világít) és egy 32768 Hz-es kvarc rezonátort helyezve a megfelelő csatlakozóba (lehetőleg a számítógép alaplapjáról), használja a C11 hangoló kondenzátort a beállításhoz. az indikátor frekvenciáját 32768 Hz-re. Az R8 ellenállás beállítja a maximális érzékenységet. Minden fájl - táblák, firmware, adatlapok a használt rádióelemekhez és egyebek - letölthető az archívumból. A projekt szerzője - nefedot.

Beszélje meg az ESZKÖZ KVARC FREKVENCIA ELLENŐRZÉSÉRE című cikket

A modern digitális technika nagy precizitást igényel, így egyáltalán nem meglepő, hogy szinte minden olyan digitális eszközben, amelyen manapság az átlagember szeme megakad, kvarc rezonátor található.

Különböző frekvenciájú kvarcrezonátorokra van szükség, mint a harmonikus rezgések megbízható és stabil forrására, hogy a digitális mikrokontroller a referenciafrekvenciára támaszkodhasson és azzal működhessen a jövőben, a digitális eszköz működése során. Így a kvarc rezonátor megbízhatóan helyettesíti az oszcilláló LC áramkört.

Ha figyelembe vesszük a és -ből álló egyszerű rezgőkört, gyorsan világossá válik, hogy egy ilyen áramkör minőségi tényezője az áramkörben nem haladja meg a 300-at, ráadásul a kondenzátor kapacitása a környezeti hőmérséklettől függően lebeg, és ugyanaz az induktivitással fog megtörténni.

Nem véletlen, hogy a kondenzátorok és tekercsek olyan paraméterekkel rendelkeznek, mint a TKE - a kapacitás hőmérsékleti együtthatója és a TKI - az induktivitás hőmérsékleti együtthatója, amelyek megmutatják, hogyan változnak ezen alkatrészek fő paraméterei a hőmérséklet változásával.

Ellentétben az oszcillációs áramkörökkel, a kvarc alapú rezonátorok az oszcillációs áramkörök számára elérhetetlen minőségi tényezővel rendelkeznek, amelyet 10 000 és 10 000 000 közötti értékekben mérnek, és szó sincs a kvarc rezonátorok hőmérsékleti stabilitásáról, mert a frekvencia minden hőmérsékleti értéknél állandó marad. általában -40°C és +70°C között van.

Így magas hőmérsékleti stabilitásuk és minőségi tényezőjük miatt a kvarc rezonátorokat a rádiótechnika és a digitális elektronika egészében használják.

Az órajel frekvenciájának beállításához mindig szüksége van egy óragenerátorra, amelyre megbízhatóan támaszkodhat, és ennek a generátornak mindig szüksége van egy nagyfrekvenciás és ráadásul nagy pontosságú generátorra. Itt egy kvarc rezonátor segít. Természetesen néhány alkalmazásnál meg lehet boldogulni az 1000-es minőségi tényezőjű piezokerámia rezonátorokkal, és az ilyen rezonátorok elegendőek az elektronikus játékokhoz és a háztartási rádiókhoz, de pontosabb készülékekhez kvarc kell.

A kvarc rezonátor működése a kvarclemezen megjelenő energián alapul. A kvarc a szilícium-dioxid, a SiO2 polimorfja, és a természetben kristályok és kavicsok formájában található meg. Szabad formában a földkéreg körülbelül 12% kvarcot tartalmaz, emellett a kvarcot más ásványok keverékeként is tartalmazzák, és általában a földkéreg több mint 60% kvarcot (tömeghányad) tartalmaz.

Az alacsony hőmérsékletű kvarc, amely kifejezett piezoelektromos tulajdonságokkal rendelkezik, alkalmas rezonátorok létrehozására. Kémiailag a kvarc nagyon stabil, és csak hidrogén-fluoridban oldható fel. A kvarc keményebb, mint az opál, de nem olyan kemény, mint a gyémánt.

Kvarclemez készítésekor a kvarckristályból egy darabot vágnak ki szigorúan meghatározott szögben. A vágási szögtől függően a kapott kvarclemez elektromechanikai tulajdonságaiban különbözik.

Ez egy olyan rezgőrendszert eredményez, amelynek saját rezonanciafrekvenciája van, az így kapott kvarcrezonátor pedig saját, elektromechanikus paraméterekkel meghatározott rezonanciafrekvenciával rendelkezik.

Most, ha adott rezonanciafrekvenciájú váltakozó feszültséget kapcsolunk a műanyag fémelektródáira, megjelenik a rezonancia jelensége, és a lemez harmonikus rezgésének amplitúdója nagyon jelentősen megnő. Ebben az esetben a rezonátor ellenállása nagymértékben csökken, vagyis a folyamat hasonló a soros rezgőkörben végbemenőhez. Az ilyen „oszcillációs áramkör” magas minőségi tényezője miatt a rezonanciafrekvencián történő gerjesztése során fellépő energiaveszteség elhanyagolható.

Az egyenértékű áramkörön: C2 - a tartókkal ellátott lemezek statikus elektromos kapacitása, L - induktivitás, C1 - kapacitás, R - ellenállás, amely tükrözi a beépített kvarclemez elektromechanikai tulajdonságait. Ha eltávolítja a rögzítőelemeket, akkor soros LC áramkör marad.

Nyomtatott áramköri lapra szerelés során a kvarc rezonátort nem lehet túlmelegíteni, mert a kialakítása meglehetősen sérülékeny, és a túlmelegedés az elektródák és a tartó deformálódásához vezethet, ami minden bizonnyal befolyásolja a rezonátor működését a kész készülékben. Ha a kvarcot 5730 °C-ra hevítjük, akkor teljesen elveszti piezoelektromos tulajdonságait, de szerencsére lehetetlen az elemet forrasztópákával ilyen hőmérsékletre felmelegíteni.

A kvarc rezonátor jelölése az ábrán hasonló a lemezek között téglalappal (kvarclemez) és „ZQ” vagy „Z” felirattal ellátott kondenzátor jelöléséhez.

A kvarcrezonátor károsodásának oka gyakran annak az eszköznek a leesése vagy erős ütése, amelybe be van szerelve, majd a rezonátort ki kell cserélni egy ugyanolyan rezonanciafrekvenciájú rezonátorra. Az ilyen sérülések jellemzőek a kis méretű, könnyen leejthető eszközökre. A statisztikák szerint azonban a kvarcrezonátorok ilyen károsodása rendkívül ritka, és gyakrabban az eszköz meghibásodását más ok okozza.

A kvarc rezonátor használhatóságának ellenőrzéséhez összeállíthat egy kis szondát, amely nemcsak a rezonátor működőképességének ellenőrzésében, hanem a rezonancia frekvenciájának ellenőrzésében is segít. A szondaáramkör egy tipikus egytranzisztoros kristályoszcillátor áramkör.

Miután bekapcsolta a rezonátort az alap és a mínusz között (védőkondenzátoron keresztül használhatja a rezonátor rövidzárlatára), csak meg kell mérni a rezonanciafrekvenciát frekvenciamérővel. Ez az áramkör oszcillációs áramkörök előhangolására is alkalmas.

Amikor az áramkör be van kapcsolva, egy működő rezonátor hozzájárul a rezgések generálásához, és a tranzisztor emitterén váltakozó feszültség figyelhető meg, amelynek frekvenciája megfelel a vizsgált kvarc rezonátor fő rezonanciafrekvenciájának.

Ha frekvenciamérőt csatlakoztat a szonda kimenetéhez, a felhasználó megfigyelheti ezt a rezonanciafrekvenciát. Ha a frekvencia stabil, ha a rezonátor forrasztópákával való kis melegítése nem vezet erős frekvenciaeltolódáshoz, akkor a rezonátor működik. Ha nincs generálás, vagy a frekvencia lebeg, vagy kiderül, hogy teljesen más, mint amilyennek lennie kellene a vizsgált alkatrésznél, akkor a rezonátor hibás és ki kell cserélni.

Ez a szonda alkalmas az oszcillációs áramkörök előhangolására is, ebben az esetben C1 kondenzátor szükséges, bár a rezonátorok ellenőrzésekor ez kizárható az áramkörből. Az áramkört egyszerűen a rezonátor helyére csatlakoztatják, és az áramkör ugyanúgy rezgéseket kezd generálni.

A fenti áramkör szerint összeállított szonda kiemelkedően jól működik 15-20 MHz-es frekvenciákon. Más tartományokhoz mindig lehet kapcsolási rajzokat keresni az interneten, szerencsére sok van belőle, diszkrét alkatrészeken és mikroáramkörön egyaránt.