Résonateur à quartz - structure, principe de fonctionnement, comment vérifier

La technologie numérique moderne nécessite une grande précision, il n'est donc pas surprenant que presque n'importe quel appareil numérique, qui n'attirerait pas l'attention de l'homme moyen aujourd'hui, contienne un résonateur à quartz à l'intérieur.

Des résonateurs à quartz pour différentes fréquences sont nécessaires en tant que sources fiables et stables d'oscillations harmoniques, afin que le microcontrôleur numérique puisse s'appuyer sur la fréquence de référence et fonctionner avec elle à l'avenir, pendant le fonctionnement de l'appareil numérique. Ainsi, un résonateur à quartz est un remplacement fiable pour un circuit LC oscillatoire.

Si l'on considère un circuit oscillatoire simple, composé de condensateur et inducteur, il devient rapidement clair que le facteur de qualité d'un tel circuit dans le circuit ne dépassera pas 300, en plus, la capacité du condensateur flottera en fonction de la température ambiante, la même chose se produira avec l'inductance.

Ce n'est pas pour rien que les condensateurs et les bobines ont des paramètres tels que TKE - coefficient de température de capacité et TKI - coefficient de température d'inductance, montrant à quel point les principaux paramètres de ces composants changent avec leur température.

Contrairement aux circuits oscillatoires, les résonateurs à quartz ont un facteur de qualité inaccessible pour les circuits oscillatoires, qui peut être mesuré avec des valeurs de 10 000 à 10 000 000, et la stabilité de la température des résonateurs à quartz est hors de question, car la fréquence reste constante à n'importe quelle température, généralement dans la plage de - 40 ° C à + 70 ° C

Ainsi, en raison de la stabilité à haute température et du facteur de qualité, les résonateurs à quartz sont utilisés partout dans l'ingénierie radio et l'électronique numérique.

Pour affectation microcontrôleur ou processeur fréquence d'horloge, il a toujours besoin d'un générateur d'horloge, sur lequel il peut compter de manière fiable, et ce générateur a toujours besoin d'un générateur haute fréquence et de haute précision. Ici, le résonateur à quartz vient à la rescousse. Bien sûr, dans certaines applications, les résonateurs piézoélectriques avec un facteur de qualité de 1000 peuvent être supprimés, et ces résonateurs sont suffisants pour les jouets électroniques et les radios domestiques, mais le quartz est nécessaire pour des appareils plus précis.

La base du résonateur à quartz est effet piézoélectriqueprovenant d'une plaque de quartz. Le quartz est une modification polymorphe du dioxyde de silicium SiO2, et se trouve dans la nature sous forme de cristaux et de galets. La forme libre dans la croûte de quartz de la terre est d'environ 12%, en outre, sous forme de mélanges, d'autres minéraux contiennent également du quartz, et en général plus de 60% de quartz dans la croûte terrestre (fraction massique).

Pour créer des résonateurs, le quartz à basse température, qui a des propriétés piézoélectriques prononcées, convient. Chimiquement, le quartz est très stable et ne peut être dissous que dans de l'acide fluorhydrique. Le quartz a une dureté supérieure à l'opale, mais n'atteint pas le diamant.

Dans la fabrication d'une plaque de quartz, une pièce est découpée dans un cristal de quartz selon un angle strictement spécifié. Selon l'angle de coupe, la plaque de quartz résultante se différenciera par ses propriétés électromécaniques.

Tout dépend du type de coupure: fréquence, stabilité de la température, stabilité de la résonance et absence ou présence de fréquences de résonance parasites. Ensuite, une couche de métal est appliquée sur la plaque des deux côtés, qui peut être du nickel, du platine, de l'argent ou de l'or, après quoi la plaque est fixée avec des fils durs à la base du boîtier du résonateur à quartz. La dernière étape consiste à assembler le boîtier hermétiquement.

Ainsi, un système oscillatoire avec sa propre fréquence de résonance est obtenu, et le résonateur à quartz ainsi obtenu a sa propre fréquence de résonance déterminée par des paramètres électromécaniques.

Maintenant, si une tension alternative d'une fréquence de résonance donnée est appliquée aux électrodes métalliques du plastique, un phénomène de résonance apparaîtra et l'amplitude des oscillations harmoniques de la plaque augmentera de manière très significative. Dans ce cas, la résistance du résonateur diminue considérablement, c'est-à-dire que le processus est similaire à ce qui se passe dans un circuit oscillant séquentiel. Du fait du facteur de qualité élevé d'un tel "circuit oscillatoire", la perte d'énergie lors de son excitation à la fréquence de résonance est négligeable.

Sur un circuit équivalent: C2 est la capacité électrique statique des plaques avec supports, L est l'inductance, C1 est la capacité, R est la résistance, reflétant les propriétés électromécaniques de la plaque de quartz installée. Si vous retirez les éléments de montage, il reste un circuit LC cohérent.

Lors de l'installation sur une carte de circuit imprimé, un résonateur à quartz ne peut pas être surchauffé, car sa conception est assez fragile, et une surchauffe peut entraîner une déformation des électrodes et du support, ce qui affectera certainement le fonctionnement du résonateur dans l'appareil fini. Si le quartz est chauffé à 5730 ° C, il perdra complètement ses propriétés piézoélectriques, mais, heureusement, il est impossible de chauffer un élément avec un fer à souder à une telle température.

La désignation du résonateur à quartz dans le schéma est similaire à la désignation d'un condensateur avec un rectangle entre les plaques (plaque de quartz) et avec l'inscription "ZQ" ou "Z".

Souvent, la cause de l'endommagement du résonateur à quartz est une chute ou un fort impact de l'appareil dans lequel il est installé, puis il est nécessaire de remplacer le résonateur par un nouveau avec la même fréquence de résonance. De tels dommages sont inhérents aux appareils de petite taille qui sont faciles à laisser tomber. Cependant, selon les statistiques, de tels dommages aux résonateurs à quartz sont extrêmement rares et, le plus souvent, le dysfonctionnement de l'appareil est causé par une raison différente.

Pour vérifier l'état de fonctionnement du résonateur à quartz, vous pouvez assembler une petite sonde qui vous aidera non seulement à vérifier le fonctionnement du résonateur, mais aussi à voir sa fréquence de résonance. Le circuit de sonde est un circuit oscillateur à cristal typique utilisant un seul transistor.

En allumant le résonateur entre la base et le moins (c'est possible grâce à un condensateur de protection en cas de court-circuit dans le résonateur), il reste à mesurer la fréquence de résonance avec un fréquencemètre. Ce circuit convient également au préréglage des circuits oscillatoires.

Lorsque le circuit est allumé, un résonateur sain contribuera à la génération d'oscillations, et une tension alternative peut être observée sur l'émetteur du transistor, dont la fréquence correspondra à la fréquence de résonance fondamentale du résonateur à quartz testé.

En connectant un fréquencemètre à la sortie de la sonde, l'utilisateur pourra observer cette fréquence de résonance. Si la fréquence est stable, si un léger échauffement du résonateur avec un fer à souder surélevé ne conduit pas à une forte dérive de la fréquence, alors le résonateur est en bon état. S'il n'y a pas de génération, ou que la fréquence flotte, ou qu'elle se révèle être complètement différente de ce qu'elle devrait être pour le composant testé, alors le résonateur est défectueux et doit être remplacé.

Cette sonde est également pratique pour le préréglage des circuits oscillatoires, dans ce cas le condensateur C1 est requis, bien qu'il puisse être exclu du circuit lors de la vérification des résonateurs. Le circuit est simplement connecté au lieu du résonateur, et le circuit commence à générer des oscillations d'une manière similaire.

L'échantillonneur assemblé selon le circuit donné fonctionne à merveille à des fréquences de 15 à 20 MHz. Pour les autres gammes, vous pouvez toujours rechercher des circuits sur Internet, car ils sont nombreux, à la fois sur des composants discrets et sur un microcircuit.