Kvarca rezonators - struktūra, darbības princips, kā pārbaudīt

Mūsdienu digitālajai tehnoloģijai ir nepieciešama augsta precizitāte, tāpēc nav pārsteidzoši, ka gandrīz jebkuras digitālās ierīces, kas šodien nepievērstu lajs uzmanību, iekšpusē ir kvarca rezonators.

Dažādu frekvenču kvarca rezonatori ir nepieciešami kā uzticami un stabili harmonisko svārstību avoti, lai digitālais mikrokontrollers varētu paļauties uz atsauces frekvenci un ar to darboties nākotnē, digitālās ierīces darbības laikā. Tādējādi kvarca rezonators ir uzticams svārstīgās LC ķēdes nomaiņa.

Ja mēs uzskatu vienkāršu svārstību ķēdi, kas sastāv no kondensators un induktors, tad ātri kļūst skaidrs, ka šādas shēmas kvalitātes koeficients ķēdē nepārsniegs 300, turklāt kondensatora kapacitāte peldēs atkarībā no apkārtējās vides temperatūras, tas pats notiks ar induktivitāti.

Ne velti kondensatoriem un spirālēm ir tādi parametri kā TKE - temperatūras kapacitātes koeficients un TKI - induktivitātes temperatūras koeficients, parādot, kā mainās šo komponentu galvenie parametri līdz ar to temperatūru.

Atšķirībā no oscilējošām ķēdēm, uz kvarca bāzes rezonatoriem ir nepastāvīgs svārstīgo shēmu kvalitātes koeficients, kuru var izmērīt ar vērtībām no 10 000 līdz 10 000 000, un kvarca rezonatoru temperatūras stabilitāte nav izslēdzama, jo frekvence paliek nemainīga jebkurā temperatūrā, parasti diapazonā no - 40 ° C līdz + 70 ° C.

Tātad augstas temperatūras stabilitātes un kvalitātes faktora dēļ kvarca rezonatorus visur izmanto radiotehnikā un digitālajā elektronikā.

Piešķiršanai mikrokontrolieris vai procesors pulksteņa frekvencei, viņam vienmēr ir vajadzīgs pulksteņa ģenerators, uz kuru viņš varēja droši paļauties, un šim ģeneratoram vienmēr ir nepieciešama augsta frekvence un vienlaikus augsta precizitāte. Šeit kvarca rezonators nonāk glābšanā. Protams, dažos lietojumos var iztikt bez pjezoelektriskajiem rezonatoriem ar kvalitātes koeficientu 1000, un ar šādiem rezonatoriem pietiek elektroniskām rotaļlietām un sadzīves radioaparātiem, bet precīzākām ierīcēm ir nepieciešams kvarcs.

Kvarca rezonatora pamats ir pjezoelektriskais efektskas rodas uz kvarca plāksnes. Kvarcs ir silīcija dioksīda SiO2 polimorfā modifikācija, un dabā tas ir atrodams kristālu un oļu formā. Zemes kvarca garozā brīvā forma ir aptuveni 12%, turklāt kvarcs ir ietverts arī citu minerālu maisījumos un parasti vairāk nekā 60% kvarca atrodas zemes garozā (masas daļa).

Lai izveidotu rezonatorus, ir piemērots zemas temperatūras kvarcs ar izteiktām pjezoelektriskām īpašībām. Ķīmiski kvarcs ir ļoti stabils, un to var izšķīdināt tikai fluorūdeņražskābē. Kvarcs ir cietāks par opalu, bet nesasniedz dimantu.

Ražojot kvarca plāksni, no kvarca kristāla tiek sagriezts gabals stingri noteiktā leņķī. Atkarībā no griešanas leņķa iegūtā kvarca plāksne atšķirsies pēc tā elektromehāniskajām īpašībām.

Daudz kas ir atkarīgs no griezuma veida: frekvence, temperatūras stabilitāte, rezonanses stabilitāte un viltus rezonanses frekvenču neesamība vai klātbūtne. Pēc tam plāksnei no abām pusēm tiek uzklāts metāla slānis, kas var būt niķelis, platīns, sudrabs vai zelts, pēc tam plāksni ar cietiem vadiem piestiprina pie kvarca rezonatora korpusa pamatnes. Pēdējais solis - korpuss ir hermētiski salikts.

Tādējādi tiek iegūta oscilatīvā sistēma ar savu rezonanses frekvenci, un šādā veidā iegūtajam kvarca rezonātoram ir sava rezonanses frekvence, ko nosaka ar elektromehāniskajiem parametriem.

Tagad, ja plastmasas metāla elektrodiem tiek uzlikts mainīgs spriegums ar noteiktu rezonanses frekvenci, parādīsies rezonanses parādība, un plāksnes harmonisko svārstību amplitūda palielināsies ļoti ievērojami. Šajā gadījumā rezonatora pretestība ievērojami samazinās, tas ir, process ir līdzīgs tam, kas notiek secīgā svārstību ķēdē. Sakarā ar šādas "svārstīgās shēmas" augstas kvalitātes faktoru enerģijas zudumi tās ierosināšanas laikā rezonanses frekvencē ir niecīgi.

Uz ekvivalentās shēmas: C2 ir plātņu ar turētājiem statiskā elektriskā ietilpība, L ir induktivitāte, C1 ir kapacitāte, R ir pretestība, atspoguļojot uzstādītās kvarca plāksnes elektromehāniskās īpašības. Ja noņemat montāžas elementus, paliek nemainīga LC shēma.

Instalēšanas laikā uz iespiedshēmas plates kvarca rezonatoru nevar pārkarst, jo tā dizains ir diezgan trausls, un pārkaršana var izraisīt elektrodu un turētāja deformāciju, kas noteikti ietekmēs rezonatora darbību gatavajā ierīcē. Ja kvarcs tiek uzkarsēts līdz 5730 ° C, tas pilnībā zaudē savas pjezoelektriskās īpašības, taču, par laimi, nav iespējams sildīt elementu ar lodāmuru līdz šādai temperatūrai.

Kvarca rezonatora apzīmējums diagrammā ir līdzīgs kondensatora apzīmējumam ar taisnstūri starp plāksnēm (kvarca plāksni) un ar uzrakstu "ZQ" vai "Z".

Bieži vien kvarca rezonatora bojājumu cēlonis ir ierīces, kurā tas ir uzstādīts, kritiens vai spēcīga ietekme, un pēc tam ir nepieciešams nomainīt rezonatoru ar jaunu ar tādu pašu rezonanses frekvenci. Šādi bojājumi ir raksturīgi maza izmēra ierīcēm, kuras ir viegli nomest. Tomēr saskaņā ar statistiku šāds kvarca rezonatoru bojājums ir ārkārtīgi reti sastopams, un biežāk ierīces darbības traucējumus izraisa cits iemesls.

Lai pārbaudītu kvarca rezonatora funkcionalitāti, varat salikt nelielu zondi, kas palīdzēs ne tikai pārbaudīt rezonatora darbību, bet arī redzēt tā rezonanses frekvenci. Zondes ķēde ir tipiska kristāla oscilatoru shēma, izmantojot vienu tranzistoru.

Ieslēdzot rezonatoru starp pamatni un mīnusu (tas ir iespējams caur aizsargājošu kondensatoru, ja rezonatorā ir īssavienojums), atliek izmērīt rezonanses frekvenci ar frekvences mērītāju. Šī ķēde ir piemērota arī oscilatīvo ķēžu iepriekšējai iestatīšanai.

Kad ķēde ir ieslēgta, veselīgs rezonators veicinās svārstību veidošanos, un tranzistora emitētājā var novērot mainīgu spriegumu, kura frekvence atbildīs pārbaudītā kvarca rezonatora pamata rezonanses frekvencei.

Pieslēdzot frekvences mērītāju zondes izejai, lietotājs varēs novērot šo rezonanses frekvenci. Ja frekvence ir stabila, ja neliela rezonatora sildīšana ar paceltu lodāmuri nerada spēcīgu frekvences novirzīšanos, rezonators ir labā stāvoklī. Ja nav paaudzes vai frekvence mainīsies, vai arī izrādīsies, ka tā ir pilnīgi atšķirīga, nekā tam vajadzētu būt pārbaudītajā komponentā, rezonators ir kļūdains un jāmaina.

Šī zonde ir arī ērta, lai iepriekš iestatītu svārstīgās shēmas, šajā gadījumā ir nepieciešams kondensators C1, lai gan, pārbaudot rezonatorus, to var izslēgt no ķēdes. Ķēde ir vienkārši savienota, nevis rezonators, un ķēde sāk ģenerēt svārstības līdzīgā veidā.

Parametrs, kas samontēts atbilstoši dotajai shēmai, lieliski darbojas pie frekvencēm no 15 līdz 20 MHz. Citiem diapazoniem jūs vienmēr varat meklēt ķēdes internetā, jo to ir daudz - gan uz atsevišķiem komponentiem, gan uz mikroshēmām.