Rezonátor je systém schopný oscilačných pohybov s maximálnou amplitúdou za určitých podmienok. Kremenný rezonátor - kremenná doska, zvyčajne v tvare rovnobežnostena, takto pôsobí pri striedavom prúde (frekvencia je pre rôzne dosky rôzna). Pracovná frekvencia tejto časti je určená jej hrúbkou. Závislosť je tu opačná. Najtenšie platne majú najvyššiu frekvenciu (nepresahujúcu 50 MHz).

V zriedkavých prípadoch je možné dosiahnuť frekvenciu 200 MHz. Toto je prípustné len pri práci s podtónom (malá frekvencia vyššia ako hlavná). Špeciálne filtre sú schopné potlačiť základnú frekvenciu kremennej platne a zvýrazniť jej frekvenciu viacnásobného podtónu.

Na prevádzku sú vhodné iba nepárne harmonické (iný názov pre podtóny). Navyše, pri ich použití sa frekvenčné hodnoty zvyšujú pri nižších amplitúdach. Zvyčajne je maximum deväťnásobné zníženie výšky vlny. Ďalej je ťažké odhaliť zmeny.

Kremeň je dielektrikum. V kombinácii s dvojicou kovových elektród sa zmení na kondenzátor, ale jeho kapacita je malá a nemá zmysel ju merať. V diagrame je táto časť zobrazená ako kryštalický obdĺžnik medzi doskami kondenzátora. Kremenná doska, podobne ako iné elastické telesá, sa vyznačuje prítomnosťou vlastnej rezonančnej frekvencie v závislosti od jej veľkosti. Tenké dosky majú vyššiu rezonančnú frekvenciu. Výsledkom je, že je potrebné vybrať len platňu s takými parametrami, pri ktorých by sa frekvencia mechanických vibrácií zhodovala s frekvenciou striedavého napätia aplikovaného na platňu. Kremenná doska je vhodná len pri použití striedavého prúdu, pretože jednosmerný prúd môže vyvolať iba jedno stlačenie alebo dekompresiu.

V dôsledku toho je zrejmé, že kremeň je veľmi jednoduchý rezonančný systém (so všetkými vlastnosťami, ktoré sú vlastné oscilačným obvodom), ale to vôbec neznižuje kvalitu jeho práce.

Kremenný rezonátor je ešte účinnejší. Jeho kvalitatívny faktor je 10 5 - 10 7. Kremenné rezonátory zvyšujú celkovú životnosť kondenzátora vďaka svojej teplotnej stabilite, odolnosti a vyrobiteľnosti. Malá veľkosť dielov tiež uľahčuje ich používanie. Ale najdôležitejšou výhodou je schopnosť poskytnúť stabilnú frekvenciu.

Medzi jediné nevýhody patrí úzky rozsah ladenia existujúcej frekvencie s frekvenciou vonkajších prvkov.

V každom prípade sú kremenné rezonátory veľmi obľúbené a používajú sa v hodinkách, početnej rádiovej elektronike a iných zariadeniach. V niektorých krajinách sú kremenné platne inštalované priamo na chodníkoch a ľudia si vyrábajú energiu jednoduchým chodením tam a späť.

Princíp činnosti

Funkcie kremenného rezonátora zabezpečuje piezoelektrický efekt. Tento jav vyvoláva vznik elektrického náboja, ak dôjde k mechanickej deformácii určitých typov kryštálov (prírodné zahŕňajú kremeň a turmalín). Sila náboja je priamo závislá od sily deformácie. Toto sa nazýva priamy piezoelektrický efekt. Podstatou inverzného piezoelektrického javu je, že ak je kryštál vystavený elektrickému poľu, dôjde k jeho deformácii.

Kontrola funkčnosti

Existuje niekoľko jednoduchých metód na kontrolu stavu kremeňa v strojčeku. Tu je pár z nich:

1. Ak chcete presne určiť stav rezonátora, budete musieť k výstupu generátora pripojiť osciloskop alebo merač frekvencie. Požadované údaje je možné vypočítať pomocou Lissajousových čísel. Za takýchto okolností je však možné neúmyselne vybudiť oscilačné pohyby kremeňa pri nadtónových aj základných frekvenciách. To môže spôsobiť nepresné merania. Táto metóda môže byť použitá v rozsahu od 1 do 10 MHz.
2. Pracovná frekvencia generátora závisí od kremenného rezonátora. Keď sa dodáva energia, generátor vytvára impulzy, ktoré sa zhodujú s frekvenciou hlavnej rezonancie. Séria týchto impulzov prechádza cez kondenzátor, ktorý odfiltruje jednosmernú zložku, pričom ponechajú len podtóny a samotné impulzy sa prenesú do analógového frekvenčného merača. Dá sa jednoducho skonštruovať z dvoch diód, kondenzátora, odporu a mikroampérmetra. V závislosti od frekvenčných údajov sa zmení aj napätie na kondenzátore. Táto metóda tiež nie je presná a možno ju použiť len v rozsahu od 3 do 10 MHz.

Vo všeobecnosti možno spoľahlivé testovanie kremenných rezonátorov vykonať iba vtedy, keď sú vymenené. A poruchu rezonátora v mechanizme by ste mali mať len v krajnom prípade. Aj keď to neplatí pre prenosnú elektroniku, ktorá podlieha častým pádom.

Kremenný rezonátor je elektronické zariadenie založené na piezoelektrickom efekte, ako aj na mechanickej rezonancii. Používajú ho rozhlasové stanice, kde nastavuje nosnú frekvenciu v hodinách a časovačoch, pričom v nich stanovuje interval 1 sekundy.

Čo to je a prečo je to potrebné

Zariadenie je zdrojom, ktorý poskytuje vysoko presné harmonické oscilácie. V porovnaní s analógmi má vyššiu prevádzkovú účinnosť a stabilné parametre.

Prvé príklady moderných zariadení sa objavili na rozhlasových staniciach v rokoch 1920-1930. ako prvky, ktoré majú stabilnú prevádzku a sú schopné nastaviť nosnú frekvenciu. Oni:

• nahradili kryštálové rezonátory fungujúce na Rochellovej soli, ktoré sa objavili v roku 1917 ako výsledok vynálezu Alexandra M. Nicholsona a vyznačovali sa nestabilitou;
• nahradil predtým používaný obvod cievkou a kondenzátorom, ktorý nemal vysoký kvalitatívny faktor (do 300) a závisel od teplotných zmien.

O niečo neskôr sa kremenné rezonátory stali neoddeliteľnou súčasťou časovačov a hodín. Elektronické súčiastky s prirodzenou rezonančnou frekvenciou 32768 Hz, ktorá v binárnom 15-bitovom čítači nastavuje časový úsek rovný 1 sekunde.

Zariadenia sa dnes používajú v:

• kremenné hodinky zabezpečujúce ich presnosť bez ohľadu na okolitú teplotu;
• meracie prístroje, ktoré im zaručujú vysokú presnosť ukazovateľov;
• námorné echoloty, ktoré sa používajú pri výskume a tvorbe máp dna, zaznamenávaní útesov, plytčín a hľadaní predmetov vo vode;
• obvody zodpovedajúce referenčným oscilátorom, ktoré syntetizujú frekvencie;
• obvody používané na vlnovú indikáciu SSB alebo telegrafného signálu;
• rozhlasové stanice so signálom DSB so strednou frekvenciou;
• pásmové filtre superheterodynových prijímačov, ktoré sú stabilnejšie a kvalitnejšie ako LC filtre.

Zariadenia sa vyrábajú s rôznymi krytmi. Delia sa na výstupné, používané pri objemovej montáži a SMD, používané pri povrchovej montáži.

Ich činnosť závisí od spoľahlivosti spínacieho obvodu, ktorý ovplyvňuje:

• odchýlka frekvencie od požadovanej hodnoty, stabilita parametrov;
• rýchlosť starnutia zariadenia;
• nosnosť.

Vlastnosti kremenného rezonátora

Je lepší ako predtým existujúce analógy, čo robí zariadenie nepostrádateľným v mnohých elektronických obvodoch a vysvetľuje rozsah použitia zariadenia. Potvrdzuje to aj fakt, že za prvé desaťročie od jeho vynálezu bolo v USA (nepočítajúc iné krajiny) vyrobených viac ako 100 tisíc zariadení.

Medzi pozitívne vlastnosti kremenných rezonátorov, ktoré vysvetľujú popularitu a dopyt po zariadeniach:

• dobrý faktor kvality, ktorého hodnoty – 104-106 – presahujú parametre predtým používaných analógov (majú faktor kvality 300);
• malé rozmery, ktoré možno merať v zlomkoch milimetra;
• odolnosť voči teplote a jej kolísaniu;
• dlhá životnosť;
• jednoduchosť výroby;
• schopnosť vytvárať vysokokvalitné kaskádové filtre bez použitia manuálneho nastavenia.

Kremenné rezonátory majú aj nevýhody:

• vonkajšie prvky umožňujú nastaviť frekvenciu v úzkom rozsahu;
• mať krehký dizajn;
• nemôže tolerovať nadmerné teplo.

Princíp činnosti kremenného rezonátora

Zariadenie funguje na báze piezoelektrického efektu, ktorý sa prejavuje na nízkoteplotnej kremennej doske. Prvok je vyrezaný z pevného kremenného kryštálu pri dodržaní určeného uhla. Ten určuje elektrochemické parametre rezonátora.

Doštičky sú obojstranne potiahnuté vrstvou striebra (vhodná je platina, nikel, zlato). Potom sú pevne upevnené v kryte, ktorý je utesnený. Zariadenie je oscilačný systém, ktorý má vlastnú rezonančnú frekvenciu.

Keď sú elektródy vystavené striedavému napätiu, kremenná doska, ktorá má piezoelektrické vlastnosti, sa ohýba, zmršťuje a posúva (v závislosti od typu spracovania kryštálov). Súčasne sa v ňom objaví spätné EMF, ako sa to deje v induktore umiestnenom v oscilačnom obvode.

Keď sa aplikuje napätie s frekvenciou, ktorá zodpovedá prirodzeným vibráciám platne, v zariadení sa pozoruje rezonancia. Súčasne:

• kremenný prvok zvyšuje amplitúdu vibrácií;
• Odpor rezonátora je značne znížený.

Energia potrebná na udržanie oscilácií je v prípade rovnakých frekvencií nízka.

Označenie kremenného rezonátora na elektrickej schéme

Zariadenie je označené podobne ako kondenzátor. Rozdiel: medzi vertikálnymi segmentmi je umiestnený obdĺžnik - symbol dosky z kremenného kryštálu. Strany obdĺžnika a dosky kondenzátora oddeľuje medzera. Neďaleko na diagrame môže byť písmeno označenie zariadenia - QX.

Ako skontrolovať kremenný rezonátor

Problémy s malými spotrebičmi vznikajú, ak dostanú silný úder. Stáva sa to, keď zariadenia obsahujúce rezonátory spadnú. Posledné zlyhajú a vyžadujú výmenu podľa rovnakých parametrov.

Kontrola funkčnosti rezonátora vyžaduje tester. Je zostavený podľa obvodu založeného na tranzistore KT3102, 5 kondenzátoroch a 2 odporoch (zariadenie je podobné ako kremenný oscilátor zostavený na tranzistore).

Zariadenie musí byť pripojené k základni tranzistora a zápornému pólu v pripojených spojoch, chránené inštaláciou ochranného kondenzátora. Napájanie spínacieho obvodu je konštantné – 9V. Okrem toho je na vstup tranzistora a na jeho výstup cez kondenzátor pripojený merač frekvencie, ktorý zaznamenáva frekvenčné parametre rezonátora.

Schéma sa používa pri nastavovaní oscilačného obvodu. Keď rezonátor funguje správne, pri pripojení vytvára oscilácie, ktoré vedú k vzniku striedavého napätia na emitore tranzistora. Okrem toho sa frekvencia napätia zhoduje s podobnou charakteristikou rezonátora.

Zariadenie je chybné, ak merač frekvencie nezistí výskyt frekvencie alebo zistí prítomnosť frekvencie, ktorá sa však buď výrazne líši od menovitej hodnoty, alebo sa pri zahrievaní puzdra spájkovačkou výrazne zmení.

Dôvodom na vytvorenie tohto zariadenia bolo značné množstvo nahromadených kremenných rezonátorov, zakúpených aj spájkovaných z rôznych dosiek, a mnohé z nich nemali žiadne označenia. Keď sme cestovali naprieč obrovskými plochami internetu a pokúšali sa zostaviť a spustiť rôzne, bolo rozhodnuté prísť s niečím vlastným. Po mnohých experimentoch s rôznymi generátormi, na rôznych digitálnych logikách aj na tranzistoroch, som si vybral 74HC4060, aj keď tiež nebolo možné eliminovať vlastné oscilácie, ale ako sa ukázalo, nevytvára to rušenie počas prevádzky zariadenia. .

Quartz metrový obvod

Zariadenie je založené na dvoch generátoroch CD74HC4060 (74HC4060 nebol v predajni, ale podľa údajového listu sú ešte „chladnejšie“), jeden pracuje na nízkej frekvencii, druhý na vysokej. Najnižšie frekvencie, ktoré som mal, boli hodinový quartz a najvyššia frekvencia bol neharmonický quartz na 30 MHz. Vzhľadom na ich sklon k samovzbudeniu bolo rozhodnuté prepínať generátory jednoducho prepínaním napájacieho napätia, čo je indikované príslušnými LED diódami. Po generátoroch som nainštaloval logický opakovač. Možno by bolo lepšie nainštalovať kondenzátory namiesto rezistorov R6 a R7 (sám som to nekontroloval).

Ako sa ukázalo, na zariadení beží nielen kremeň, ale aj všetky druhy filtrov s dvoma alebo viacerými nohami, ktoré boli úspešne pripojené k príslušným konektorom. Jeden „dvojnožec“ podobný keramickému kondenzátoru bol uvedený na trh na 4 MHz, ktorý bol neskôr úspešne použitý namiesto kremenného rezonátora.

Fotografie ukazujú, že na testovanie rádiových komponentov sa používajú dva typy konektorov. Prvý je vyrobený z častí panelov - pre vývodové časti a druhý je fragment dosky prilepený a priletovaný k dráham cez zodpovedajúce otvory - pre kremenné rezonátory SMD. Na zobrazenie informácií sa na mikrokontroléri PIC16F628 alebo PIC16F628A používa zjednodušený merač frekvencie, ktorý automaticky prepína limit merania, to znamená, že frekvencia na indikátore bude buď kHz alebo v MHz.

Podrobnosti o zariadení

Časť dosky je osadená na olovených častiach a časť na SMD. Doska je určená pre jednoriadkový LCD indikátor Winstar WH1601A (to je ten s kontaktmi vľavo hore), kontakty 15 a 16 slúžiace na osvetlenie nie sú smerované, ale kto potrebuje, môže si doplniť stopy a detaily pre nich. Nezapol som podsvietenie, pretože som použil nepodsvietený indikátor z nejakého telefónu na tom istom ovládači, ale najprv tam bol Winstar. Okrem WH1601A môžete použiť WH1602B - dvojriadkový, ale druhý rad sa nepoužije. Namiesto tranzistora v obvode môžete použiť akúkoľvek rovnakú vodivosť, najlepšie s väčšou h21. Doska má dva napájacie vstupy, jeden z mini USB, druhý cez mostík a 7805. V inom puzdre je miesto aj pre stabilizátor.

Nastavenie zariadenia

Pri ladení tlačidlom S1 zapnite nízkofrekvenčný režim (rozsvieti sa LED VD1) a vložením kremenného rezonátora na 32768 Hz do príslušného konektora (najlepšie zo základnej dosky počítača) nastavte pomocou ladiaceho kondenzátora C11 frekvencia na indikátore na 32768 Hz. Rezistor R8 nastavuje maximálnu citlivosť. Všetky súbory - dosky, firmvér, katalógové listy použitých rádiových prvkov a ďalšie, stiahnite si v archíve. Autor projektu - nefedot.

Diskutujte o článku ZARIADENIE NA KONTROLA FREKVENCIE QUARTZU

Moderná digitálna technológia si vyžaduje vysokú presnosť, preto nie je vôbec prekvapujúce, že takmer každé digitálne zariadenie, ktoré dnes bežnému človeku padne do oka, obsahuje vo vnútri kremenný rezonátor.

Kremenné rezonátory na rôznych frekvenciách sú potrebné ako spoľahlivé a stabilné zdroje harmonických kmitov, aby sa digitálny mikrokontrolér mohol v budúcnosti počas prevádzky digitálneho zariadenia spoliehať na referenčnú frekvenciu a pracovať s ňou. Kremenný rezonátor je teda spoľahlivou náhradou oscilačného LC obvodu.

Ak vezmeme do úvahy jednoduchý oscilačný obvod pozostávajúci z a , rýchlo sa ukáže, že faktor kvality takéhoto obvodu v obvode nepresiahne 300, navyše kapacita kondenzátora bude plávať v závislosti od teploty okolia a to isté sa stane s indukčnosťou.

Nie nadarmo majú kondenzátory a cievky také parametre ako TKE - teplotný koeficient kapacity a TKI - teplotný koeficient indukčnosti, ktoré ukazujú, ako sa menia hlavné parametre týchto komponentov so zmenami ich teploty.

Na rozdiel od oscilačných obvodov majú kremenné rezonátory pre oscilačné obvody nedosiahnuteľný kvalitatívny faktor, ktorý sa meria v hodnotách od 10 000 do 10 000 000 a o teplotnej stabilite kremenných rezonátorov nemôže byť ani reč, pretože frekvencia zostáva konštantná pri akejkoľvek hodnote teploty. , zvyčajne z rozsahu od -40°C do +70°C.

Vďaka svojej vysokej teplotnej stabilite a faktoru kvality sa kremenné rezonátory používajú v celom rádiovom inžinierstve a digitálnej elektronike.

Na nastavenie taktovacej frekvencie potrebuje vždy hodinový generátor, na ktorý by sa mohol spoľahlivo spoľahnúť a tento generátor potrebuje vždy vysokofrekvenčný a navyše veľmi presný. Tu prichádza na pomoc kremenný rezonátor. Samozrejme, v niektorých aplikáciách si vystačíte s piezokeramickými rezonátormi s faktorom kvality 1000 a takéto rezonátory postačujú pre elektronické hračky a domáce rádiá, ale pre presnejšie zariadenia je potrebný kremeň.

Činnosť kremenného rezonátora je založená na energii, ktorá sa objavuje na kremennej doske. Kremeň je polymorf oxidu kremičitého SiO2 a nachádza sa v prírode vo forme kryštálov a okruhliakov. Vo voľnej forme obsahuje zemská kôra asi 12 % kremeňa, okrem toho je kremeň vo forme zmesí obsiahnutý aj v iných mineráloch a vo všeobecnosti zemská kôra obsahuje viac ako 60 % kremeňa (hmotnostný zlomok).

Nízkoteplotný kremeň, ktorý má výrazné piezoelektrické vlastnosti, je vhodný na vytváranie rezonátorov. Chemicky je kremeň veľmi stabilný a môže sa rozpustiť iba v kyseline fluorovodíkovej. Kremeň je tvrdší ako opál, ale nie taký tvrdý ako diamant.

Pri výrobe kremennej platne sa kus vyreže z kremenného kryštálu pod presne určeným uhlom. V závislosti od uhla rezu sa výsledná kremenná doska bude líšiť vo svojich elektromechanických vlastnostiach.

Vznikne tak oscilačný systém, ktorý má vlastnú rezonančnú frekvenciu a takto získaný kremenný rezonátor má vlastnú rezonančnú frekvenciu, určenú elektromechanickými parametrami.

Ak teraz aplikujete striedavé napätie danej rezonančnej frekvencie na kovové elektródy plastu, objaví sa jav rezonancie a amplitúda harmonických kmitov dosky sa veľmi výrazne zvýši. V tomto prípade sa odpor rezonátora výrazne zníži, to znamená, že proces je podobný tomu, čo sa vyskytuje v sériovom oscilačnom obvode. Vzhľadom na vysoký faktor kvality takéhoto „oscilačného obvodu“ sú straty energie pri jeho budení na rezonančnej frekvencii zanedbateľné.

Na ekvivalentnom obvode: C2 - statická elektrická kapacita dosiek s držiakmi, L - indukčnosť, C1 - kapacita, R - odpor, odrážajúci elektromechanické vlastnosti inštalovanej kremennej dosky. Ak odstránite montážne prvky, zostane vám sériový LC obvod.

Počas inštalácie na dosku s plošnými spojmi sa kremenný rezonátor nemôže prehriať, pretože jeho konštrukcia je dosť krehká a prehriatie môže viesť k deformácii elektród a držiaka, čo určite ovplyvní činnosť rezonátora v hotovom zariadení. Ak kremeň zahrejete na 5730 °C, úplne stratí svoje piezoelektrické vlastnosti, ale na takúto teplotu je našťastie nemožné zohriať prvok pomocou spájkovačky.

Označenie kremenného rezonátora v diagrame je podobné označeniu kondenzátora s obdĺžnikom medzi doskami (kremenná platňa) as nápisom „ZQ“ alebo „Z“.

Častou príčinou poškodenia kremenného rezonátora je pád alebo silný náraz zariadenia, v ktorom je inštalovaný a vtedy je potrebné rezonátor vymeniť za nový s rovnakou rezonančnou frekvenciou. Takéto poškodenie je typické pre malé zariadenia, ktoré sa dajú ľahko spadnúť. Podľa štatistík je však takéto poškodenie kremenných rezonátorov extrémne zriedkavé a častejšie je porucha zariadenia spôsobená iným dôvodom.

Ak chcete skontrolovať použiteľnosť kremenného rezonátora, môžete zostaviť malú sondu, ktorá pomôže nielen overiť funkčnosť rezonátora, ale aj zistiť jeho rezonančnú frekvenciu. Obvod sondy je typický obvod jednotranzistorového kryštálového oscilátora.

Po zapnutí rezonátora medzi základňou a mínusom (môžete ho použiť cez ochranný kondenzátor v prípade skratu v rezonátore) zostáva len zmerať rezonančnú frekvenciu pomocou frekvenčného merača. Tento obvod je vhodný aj na predladenie oscilačných obvodov.

Keď je obvod zapnutý, pracovný rezonátor prispeje k generovaniu oscilácií a na emitore tranzistora je možné pozorovať striedavé napätie, ktorého frekvencia bude zodpovedať hlavnej rezonančnej frekvencii testovaného kremenného rezonátora.

Pripojením frekvenčného merača k výstupu sondy môže užívateľ pozorovať túto rezonančnú frekvenciu. Ak je frekvencia stabilná, ak malé zahriatie rezonátora spájkovačkou nevedie k silnému frekvenčnému posunu, potom rezonátor funguje. Ak nedochádza k generácii alebo frekvencia pláva alebo sa ukáže, že je úplne iná, ako by mala byť pre testovaný komponent, potom je rezonátor chybný a mal by byť vymenený.

Táto sonda je vhodná aj na predladenie oscilačných obvodov, v tomto prípade je potrebný kondenzátor C1, hoci pri kontrole rezonátorov ho možno z obvodu vylúčiť. Obvod sa jednoducho pripojí na miesto rezonátora a obvod začne generovať oscilácie rovnakým spôsobom.

Sonda zostavená podľa vyššie uvedeného obvodu funguje pozoruhodne dobre pri frekvenciách od 15 do 20 MHz. Pre iné rozsahy môžete vždy hľadať schémy zapojenia na internete, našťastie ich je veľa, a to ako na diskrétnych komponentoch, tak aj na mikroobvode.