Un rezonator este un sistem capabil de mișcări oscilatorii cu amplitudine maximă în anumite condiții. Rezonator de cuarț - o placă de cuarț, de obicei în formă de paralelipiped, acționează astfel atunci când se aplică curent alternativ (frecvența este diferită pentru diferite plăci). Frecvența de funcționare a acestei piese este determinată de grosimea acesteia. Dependența aici este invers. Cele mai subțiri plăci au cea mai mare frecvență (nu depășește 50 MHz).

În cazuri rare, se poate atinge o frecvență de 200 MHz. Acest lucru este permis numai atunci când lucrați pe un ton (o frecvență minoră mai mare decât cea principală). Filtrele speciale sunt capabile să suprima frecvența fundamentală a unei plăci de cuarț și să evidențieze frecvența sa multiplă de tonuri.

Numai armonicile ciudate (un alt nume pentru tonuri) sunt potrivite pentru funcționare. În plus, atunci când le folosiți, citirile de frecvență cresc la amplitudini mai mici. De obicei, maximul este o scădere de nouă ori a înălțimii valului. În plus, devine dificil să se detecteze schimbările.

Cuarțul este un dielectric. În combinație cu o pereche de electrozi metalici, se transformă într-un condensator, dar capacitatea lui este mică și nu are rost să-l măsoare. În diagramă, această parte este afișată ca un dreptunghi cristalin între plăcile condensatorului. O placă de cuarț, ca și alte corpuri elastice, se caracterizează prin prezența propriei frecvențe de rezonanță, în funcție de dimensiunea sa. Plăcile subțiri au o frecvență de rezonanță mai mare. Ca rezultat: este necesar doar selectarea unei plăci cu astfel de parametri la care frecvența vibrațiilor mecanice să coincidă cu frecvența tensiunii alternative aplicate plăcii. O placă de cuarț este potrivită numai atunci când se utilizează curent alternativ, deoarece curentul continuu poate provoca o singură compresie sau decompresie.

Drept urmare, este evident că cuarțul este un sistem rezonant foarte simplu (cu toate proprietățile inerente circuitelor oscilatorii), dar acest lucru nu reduce deloc calitatea muncii sale.

Un rezonator cu cuarț este și mai eficient. Factorul său de calitate este 10 5 - 10 7. Rezonatoarele de cuarț măresc durata de viață generală a condensatorului datorită stabilității la temperatură, durabilității și fabricației. Dimensiunea mică a pieselor le face, de asemenea, mai ușor de utilizat. Dar cel mai important avantaj este capacitatea de a oferi o frecvență stabilă.

Singurele dezavantaje includ gama îngustă de reglare a frecvenței existente cu frecvența elementelor externe.

În orice caz, rezonatoarele cu cuarț sunt foarte populare și sunt folosite în ceasuri, numeroase electronice radio și alte dispozitive. În unele țări, plăcile de cuarț sunt instalate direct pe trotuare, iar oamenii produc energie pur și simplu mergând înainte și înapoi.

Principiul de funcționare

Funcțiile unui rezonator cu cuarț sunt asigurate de efectul piezoelectric. Acest fenomen provoacă apariția unei sarcini electrice dacă are loc deformarea mecanică a anumitor tipuri de cristale (cele naturale includ cuarțul și turmalina). Forța sarcinii depinde direct de forța de deformare. Acesta se numește efect piezoelectric direct. Esența efectului piezoelectric invers este că, dacă un cristal este expus unui câmp electric, acesta va fi deformat.

Verificarea funcționalității

Există mai multe metode simple de verificare a stării cuarțului într-o mișcare. Iată câteva dintre ele:

1. Pentru a determina cu precizie starea rezonatorului, va trebui să conectați un osciloscop sau un contor de frecvență la ieșirea generatorului. Datele necesare pot fi calculate folosind cifrele Lissajous. Cu toate acestea, în astfel de circumstanțe, este posibil să se excite din neatenție mișcări oscilatorii ale cuarțului atât la frecvențe overtonice, cât și la frecvențele fundamentale. Acest lucru poate crea măsurători inexacte. Această metodă poate fi utilizată în intervalul de la 1 la 10 MHz.
2. Frecvența de funcționare a generatorului depinde de rezonatorul de cuarț. Când este furnizată energie, generatorul produce impulsuri care coincid cu frecvența rezonanței principale. O serie de aceste impulsuri este trecută printr-un condensator, care filtrează componenta de curent continuu, lăsând doar tonuri, iar impulsurile în sine sunt transmise la un contor de frecvență analogic. Poate fi construit cu ușurință din două diode, un condensator, un rezistor și un microampermetru. În funcție de citirile de frecvență, se va modifica și tensiunea de pe condensator. Această metodă nu este, de asemenea, precisă și poate fi utilizată numai în intervalul de la 3 la 10 MHz.

În general, testarea fiabilă a rezonatoarelor de cuarț poate fi efectuată numai atunci când sunt înlocuite. Și ar trebui să suspectați o defecțiune a rezonatorului în mecanism doar ca ultimă soluție. Deși acest lucru nu se aplică electronicelor portabile care sunt supuse unor căderi frecvente.

Un rezonator cu cuarț este un dispozitiv electronic bazat pe efectul piezoelectric, precum și pe rezonanța mecanică. Este folosit de posturile de radio, unde setează frecvența purtătoare în ceasuri și cronometre, fixând un interval de 1 secundă în acestea.

Ce este și de ce este nevoie

Dispozitivul este o sursă care oferă oscilații armonice de înaltă precizie. În comparație cu analogii, are o eficiență de funcționare mai mare și parametri stabili.

Primele exemple de dispozitive moderne au apărut pe posturile de radio în anii 1920-1930. ca elemente care au funcționare stabilă și sunt capabile să stabilească frecvența purtătoare. Ei:

• au înlocuit rezonatoarele cu cristal care funcționează pe sare Rochelle, care au apărut în 1917 ca urmare a invenției lui Alexander M. Nicholson și s-au caracterizat prin instabilitate;
• a înlocuit circuitul folosit anterior cu o bobină și un condensator, care nu avea un factor de calitate ridicat (până la 300) și depindea de schimbările de temperatură.

Puțin mai târziu, rezonatoarele de cuarț au devenit o parte integrantă a cronometrelor și ceasurilor. Componente electronice cu o frecvență de rezonanță naturală de 32768 Hz, care într-un contor binar de 15 biți setează o perioadă de timp egală cu 1 secundă.

Dispozitivele sunt folosite astăzi în:

• ceasuri de cuarț, asigurând acuratețea acestora indiferent de temperatura ambiantă;
• instrumente de măsurare, garantându-le o precizie ridicată a indicatorilor;
• sondele marine, care sunt utilizate în cercetarea și crearea hărților de fund, înregistrarea recifelor, bancurilor și căutarea obiectelor în apă;
• circuite corespunzătoare oscilatoarelor de referință care sintetizează frecvențe;
• circuite utilizate în indicarea undelor de semnal SSB sau telegrafic;
• posturi radio cu semnal DSB cu frecventa intermediara;
• filtre trece-bandă ale receptoarelor superheterodine, care sunt mai stabile și de înaltă calitate decât filtrele LC.

Dispozitivele sunt fabricate cu diferite carcase. Acestea sunt împărțite în cele de ieșire, utilizate în montajul volumetric, și SMD, utilizate în montarea la suprafață.

Funcționarea lor depinde de fiabilitatea circuitului de comutare, care afectează:

• abaterea de frecvență de la valoarea necesară, stabilitatea parametrului;
• rata de îmbătrânire a dispozitivului;
• capacitate de incarcare.

Proprietățile unui rezonator cu cuarț

Este superior analogilor existente anterior, ceea ce face ca dispozitivul să fie indispensabil în multe circuite electronice și explică domeniul de utilizare al dispozitivului. Acest lucru este confirmat de faptul că în primul deceniu de la inventarea sa, peste 100 de mii de dispozitive au fost produse în SUA (fără a număra alte țări).

Printre proprietățile pozitive ale rezonatoarelor de cuarț care explică popularitatea și cererea de dispozitive:

• factor de calitate bună, ale cărui valori – 104-106 – depășesc parametrii analogilor utilizați anterior (au un factor de calitate de 300);
• dimensiuni mici, care pot fi măsurate în fracțiuni de milimetru;
• rezistența la temperatură și fluctuațiile acesteia;
• durată lungă de viață;
• ușurință de fabricație;
• capacitatea de a construi filtre în cascadă de înaltă calitate fără a utiliza setări manuale.

Rezonatoarele cu cuarț au și dezavantaje:

• elementele externe vă permit să reglați frecvența într-un interval restrâns;
• au un design fragil;
• nu poate tolera căldura excesivă.

Principiul de funcționare al unui rezonator cu cuarț

Aparatul funcționează pe baza efectului piezoelectric, care se manifestă pe o placă de cuarț la temperatură scăzută. Elementul este decupat dintr-un cristal de cuarț solid, respectând unghiul specificat. Acesta din urmă determină parametrii electrochimici ai rezonatorului.

Plăcile sunt acoperite pe ambele părți cu un strat de argint (platină, nichel, aur sunt potrivite). Acestea sunt apoi fixate ferm în carcasă, care este sigilată. Dispozitivul este un sistem oscilator care are propria frecvență de rezonanță.

Când electrozii sunt supuși la tensiune alternativă, placa de cuarț, care are proprietăți piezoelectrice, se îndoaie, se contractă și se deplasează (în funcție de tipul de prelucrare a cristalului). În același timp, apare un back-EMF în el, așa cum se întâmplă într-un inductor situat într-un circuit oscilator.

Când se aplică o tensiune cu o frecvență care se potrivește cu vibrațiile naturale ale plăcii, se observă rezonanță în dispozitiv. Simultan:

• elementul de cuarț crește amplitudinea vibrațiilor;
• Rezistența rezonatorului este mult redusă.

Energia necesară pentru menținerea oscilațiilor este scăzută în cazul frecvențelor egale.

Desemnarea unui rezonator cu cuarț pe o schemă electrică

Dispozitivul este desemnat în mod similar unui condensator. Diferența: între segmentele verticale este plasat un dreptunghi - simbol al unei plăci din cristal de cuarț. Un spațiu separă laturile dreptunghiului și ale plăcii condensatorului. În apropiere, pe diagramă, poate exista o literă de denumire a dispozitivului - QX.

Cum se verifică un rezonator cu cuarț

Problemele cu aparatele mici apar dacă primesc o lovitură puternică. Acest lucru se întâmplă atunci când dispozitivele care conțin rezonatoare cad. Acestea din urmă eșuează și necesită înlocuire conform acelorași parametri.

Verificarea funcționalității rezonatorului necesită un tester. Este asamblat conform unui circuit bazat pe tranzistorul KT3102, 5 condensatoare și 2 rezistențe (dispozitivul este similar cu un oscilator cu cuarț asamblat pe un tranzistor).

Dispozitivul trebuie conectat la baza tranzistorului și la polul negativ din conexiunile conectate, protejat prin instalarea unui condensator de protecție. Alimentarea pentru circuitul de comutare este constantă – 9V. În plus, un frecvențămetru este conectat la intrarea tranzistorului și la ieșirea acestuia printr-un condensator, care înregistrează parametrii de frecvență ai rezonatorului.

Diagrama este utilizată la configurarea circuitului de oscilație. Când rezonatorul funcționează corect, atunci când este conectat, produce oscilații care duc la apariția unei tensiuni alternative la emițătorul tranzistorului. Mai mult, frecvența tensiunii coincide cu o caracteristică similară a rezonatorului.

Aparatul este defect dacă frecvențametrul nu detectează apariția unei frecvențe sau detectează prezența unei frecvențe, dar fie este mult diferit de valoarea nominală, fie când carcasa este încălzită cu un fier de lipit, se modifică foarte mult.

Motivul creării acestui dispozitiv a fost un număr considerabil de rezonatoare de cuarț acumulate, atât achiziționate, cât și lipite de la diferite plăci, iar mulți nu aveau niciun marcaj. Călătorind prin vastele întinderi ale Internetului și încercând să asamblam și să lansăm diverse, s-a decis să venim cu ceva al nostru. După multe experimente cu generatoare diferite, atât pe logici digitale diferite, cât și pe tranzistoare, am ales 74HC4060, deși nici nu a fost posibilă eliminarea auto-oscilațiilor, dar după cum s-a dovedit, acest lucru nu creează interferențe în timpul funcționării dispozitivului. .

Circuit contor cu cuarț

Dispozitivul se bazează pe două generatoare CD74HC4060 (74HC4060 nu era în magazin, dar judecând după fișa tehnică sunt chiar mai „cooler”), unul funcționează la o frecvență joasă, al doilea la una înaltă. Cele cu cea mai joasă frecvență pe care le-am avut au fost cuarțul orar, iar cea mai mare frecvență a fost cuarțul nearmonic la 30 MHz. Datorită tendinței lor de a se autoexcita, s-a decis comutarea generatoarelor prin simpla comutare a tensiunii de alimentare, care este indicată de LED-urile corespunzătoare. După generatoare, am instalat un repetor logic. Ar putea fi mai bine să instalați condensatori în loc de rezistențele R6 și R7 (nu l-am verificat eu).

După cum s-a dovedit, dispozitivul rulează nu numai cuarț, ci și tot felul de filtre cu două sau mai multe picioare, care au fost conectate cu succes la conectorii corespunzători. Un „biped” similar cu un condensator ceramic a fost lansat la 4 MHz, care a fost ulterior folosit cu succes în locul unui rezonator cu cuarț.

Fotografiile arată că două tipuri de conectori sunt folosite pentru a testa componentele radio. Primul este realizat din părți de panouri - pentru părțile de ieșire, iar al doilea este un fragment de placă lipit și lipit de șine prin găurile corespunzătoare - pentru rezonatoare cuarț SMD. Pentru a afișa informații, se folosește un contor de frecvență simplificat pe microcontrolerul PIC16F628 sau PIC16F628A, care comută automat limita de măsurare, adică frecvența de pe indicator va fi fie kHz sau în MHz.

Despre detaliile dispozitivului

O parte a plăcii este asamblată pe piese de plumb, iar o parte pe SMD. Placa este proiectata pentru indicatorul LCD cu o singura linie Winstar WH1601A (acesta este cel cu contactele din stanga sus), contactele 15 si 16, care servesc pentru iluminare, nu sunt rutate, dar oricine are nevoie poate adauga piste si detalii pentru ei. Nu am aprins lumina de fundal pentru că am folosit un indicator neiluminat de la un telefon de pe același controler, dar la început a existat unul Winstar. Pe lângă WH1601A, puteți utiliza WH1602B - cu două linii, dar a doua linie nu va fi folosită. În loc de un tranzistor în circuit, puteți utiliza oricare din aceeași conductivitate, de preferință cu un h21 mai mare. Placa are două intrări de alimentare, una de la un mini USB, cealaltă printr-un bridge și 7805. Există și spațiu pentru un stabilizator în altă carcasă.

Configurarea dispozitivului

Când reglați cu butonul S1, porniți modul de joasă frecvență (LED-ul VD1 se va aprinde) și inserând un rezonator de cuarț la 32768 Hz în conectorul corespunzător (de preferință de pe placa de bază a computerului), utilizați condensatorul de reglare C11 pentru a seta frecvența indicatorului la 32768 Hz. Rezistorul R8 setează sensibilitatea maximă. Toate fișierele - plăci, firmware, fișe de date pentru elementele radio utilizate și multe altele, descărcate în arhivă. Autorul proiectului - nefedot.

Discutați articolul DISPOZITIV PENTRU VERIFICAREA FRECVENȚEI CUARTULUI

Tehnologia digitală modernă necesită o precizie ridicată, așa că nu este deloc surprinzător că aproape orice dispozitiv digital care atrage atenția omului obișnuit de astăzi conține un rezonator cu cuarț în interior.

Rezonatoarele de cuarț la diferite frecvențe sunt necesare ca surse sigure și stabile de oscilații armonice, astfel încât microcontrolerul digital să se poată baza pe frecvența de referință și să funcționeze cu aceasta în viitor, în timpul funcționării dispozitivului digital. Astfel, un rezonator cu cuarț este un înlocuitor de încredere pentru un circuit LC oscilant.

Dacă luăm în considerare un circuit oscilator simplu format din și , va deveni rapid clar că factorul de calitate al unui astfel de circuit din circuit nu va depăși 300, în plus, capacitatea condensatorului va pluti în funcție de temperatura mediului ambiant și la fel se va întâmpla cu inductanța.

Nu degeaba condensatoarele și bobinele au parametri precum TKE - coeficientul de temperatură al capacității și TKI - coeficientul de temperatură al inductanței, arătând cum se modifică parametrii principali ai acestor componente odată cu modificările temperaturii lor.

Spre deosebire de circuitele oscilatoare, rezonatoarele pe bază de cuarț au un factor de calitate de neatins pentru circuitele oscilatoare, care se măsoară în valori de la 10.000 la 10.000.000, și nu se pune problema stabilității temperaturii rezonatoarelor de cuarț, deoarece frecvența rămâne constantă la orice valoare a temperaturii. , de obicei din intervalul de la -40°C la +70°C.

Astfel, datorită stabilității lor ridicate la temperatură și factorului de calitate, rezonatoarele de cuarț sunt utilizate în întreaga inginerie radio și electronică digitală.

Pentru a seta frecvența ceasului, are întotdeauna nevoie de un generator de ceas pe care să se poată baza în mod fiabil, iar acest generator are întotdeauna nevoie de unul de înaltă frecvență și, în plus, de mare precizie. Aici vine în ajutor un rezonator cu cuarț. Desigur, în unele aplicații te poți descurca cu rezonatoare piezoceramice cu un factor de calitate de 1000, iar astfel de rezonatoare sunt suficiente pentru jucăriile electronice și radiourile de uz casnic, dar pentru dispozitive mai precise este nevoie de cuarț.

Funcționarea unui rezonator cu cuarț se bazează pe energia care apare pe o placă de cuarț. Cuarțul este un polimorf al dioxidului de siliciu, SiO2, și se găsește în natură sub formă de cristale și pietricele. În formă liberă, scoarța terestră conține aproximativ 12% cuarț; în plus, cuarțul este conținut și sub formă de amestecuri în alte minerale și, în general, scoarța terestră conține mai mult de 60% cuarț (fracție de masă).

Cuarțul la temperatură joasă, care are proprietăți piezoelectrice pronunțate, este potrivit pentru crearea rezonatoarelor. Din punct de vedere chimic, cuarțul este foarte stabil și poate fi dizolvat doar în acid fluorhidric. Cuarțul este mai dur decât opalul, dar nu la fel de dur ca diamantul.

Când faceți o placă de cuarț, o bucată este tăiată dintr-un cristal de cuarț la un unghi strict specificat. În funcție de unghiul de tăiere, placa de cuarț rezultată va diferi în ceea ce privește proprietățile sale electromecanice.

Rezultă astfel un sistem oscilator care are o frecvență de rezonanță proprie, iar rezonatorul de cuarț obținut în acest fel are o frecvență de rezonanță proprie, determinată de parametri electromecanici.

Acum, dacă aplicați o tensiune alternativă de o anumită frecvență de rezonanță electrozilor metalici ai plasticului, va apărea fenomenul de rezonanță, iar amplitudinea oscilațiilor armonice ale plăcii va crește foarte semnificativ. În acest caz, rezistența rezonatorului va scădea foarte mult, adică procesul este similar cu ceea ce se întâmplă într-un circuit oscilator în serie. Datorită factorului de înaltă calitate al unui astfel de „circuit oscilator”, pierderile de energie în timpul excitației sale la frecvența de rezonanță sunt neglijabile.

Pe circuitul echivalent: C2 - capacitatea electrică statică a plăcilor cu suporturi, L - inductanța, C1 - capacitatea, R - rezistența, reflectând proprietățile electromecanice ale plăcii de cuarț instalate. Dacă scoateți elementele de montare, veți rămâne cu un circuit LC în serie.

În timpul instalării pe o placă de circuit imprimat, rezonatorul de cuarț nu poate fi supraîncălzit, deoarece designul său este destul de fragil, iar supraîncălzirea poate duce la deformarea electrozilor și a suportului, ceea ce va afecta cu siguranță funcționarea rezonatorului în dispozitivul finit. Dacă încălziți cuarțul la 5730°C, acesta își va pierde complet proprietățile piezoelectrice, dar, din fericire, este imposibil să încălziți elementul cu un fier de lipit la o astfel de temperatură.

Denumirea unui rezonator de cuarț în diagramă este similară cu desemnarea unui condensator cu un dreptunghi între plăci (placă de cuarț) și cu inscripția „ZQ” sau „Z”.

Adesea, cauza deteriorării unui rezonator de cuarț este căderea sau impactul puternic al dispozitivului în care este instalat, iar apoi este necesară înlocuirea rezonatorului cu unul nou cu aceeași frecvență de rezonanță. O astfel de deteriorare este tipică pentru dispozitivele de dimensiuni mici care sunt ușor de aruncat. Cu toate acestea, conform statisticilor, o astfel de deteriorare a rezonatoarelor de cuarț este extrem de rară și, mai des, funcționarea defectuoasă a dispozitivului este cauzată de un alt motiv.

Pentru a verifica funcționalitatea rezonatorului de cuarț, puteți asambla o sondă mică care va ajuta nu numai să verificați funcționalitatea rezonatorului, ci și să vedeți frecvența lui de rezonanță. Circuitul sondei este un circuit oscilator cu cristal tipic cu un singur tranzistor.

După ce ați pornit rezonatorul între bază și minus ( îl puteți utiliza printr-un condensator de protecție în cazul unui scurtcircuit în rezonator), tot ce rămâne este să măsurați frecvența de rezonanță cu un frecvențămetru. Acest circuit este potrivit și pentru pre-acordarea circuitelor oscilatorii.

Când circuitul este pornit, un rezonator de lucru va contribui la generarea de oscilații, iar la emițătorul tranzistorului poate fi observată o tensiune alternativă, a cărei frecvență va corespunde frecvenței de rezonanță principală a rezonatorului de cuarț testat.

Prin conectarea unui contor de frecvență la ieșirea sondei, utilizatorul poate observa această frecvență de rezonanță. Dacă frecvența este stabilă, dacă o mică încălzire a rezonatorului cu un fier de lipit nu duce la o deplasare puternică a frecvenței, atunci rezonatorul funcționează. Dacă nu există generare, sau frecvența plutește sau se dovedește a fi complet diferită decât ar trebui să fie pentru componenta testată, atunci rezonatorul este defect și ar trebui înlocuit.

Această sondă este, de asemenea, convenabilă pentru pre-ajustarea circuitelor oscilatorii; în acest caz, este necesar condensatorul C1, deși la verificarea rezonatoarelor poate fi exclus din circuit. Circuitul este pur și simplu conectat în locul rezonatorului, iar circuitul începe să genereze oscilații în același mod.

O sondă asamblată conform circuitului de mai sus funcționează remarcabil de bine la frecvențe de la 15 la 20 MHz. Pentru alte game, puteți căuta oricând scheme de circuit pe Internet, din fericire sunt multe, atât pe componente discrete, cât și pe un microcircuit.