Кварцов резонатор - структура, принцип на работа, как да проверите

Съвременната цифрова технология изисква висока точност, така че не е изненадващо, че почти всяко цифрово устройство, което не би привлякло вниманието на обикновения човек днес, съдържа кварцов резонатор вътре.

Кварцовите резонатори за различни честоти са необходими като надеждни и стабилни източници на хармонични трептения, така че цифровият микроконтролер да може да разчита на референтната честота и да работи с нея в бъдеще по време на работа на цифровото устройство. По този начин кварцовият резонатор е надежден заместител на осцилираща LC верига.

Ако разгледаме проста осцилаторна верига, състояща се от кондензатор и индуктор, бързо става ясно, че коефициентът на качество на такава верига във веригата няма да надвишава 300, в допълнение, капацитетът на кондензатора ще плава в зависимост от температурата на околната среда, същото ще се случи и с индуктивност.

Не е за нищо кондензаторите и намотките да имат такива параметри като TKE - температурен коефициент на капацитет и TKI - температурен коефициент на индуктивност, показвайки колко се променят основните параметри на тези компоненти с тяхната температура.

За разлика от осцилаторните вериги, кварцовите резонатори имат Q-фактор, непостижим за осцилаторните вериги, който може да бъде измерен със стойности от 10 000 до 10 000 000, а температурната стабилност на кварцовите резонатори не е изключена, защото честотата остава постоянна при всяка температура, обикновено от диапазона от - От 40 ° C до + 70 ° C.

Така че, поради високата температурна стабилност и коефициент на качество, кварцовите резонатори се използват навсякъде в радиотехниката и цифровата електроника.

За възлагане микроконтролер или процесор тактова честота, той винаги се нуждае от тактов генератор, на който може да разчита надеждно, а този генератор винаги се нуждае от високочестотен и високо прецизен. Тук кварцовият резонатор идва на помощ. Разбира се, в някои приложения могат да се отпуснат пиезоелектрични резонатори с коефициент на качество 1000 и такива резонатори са достатъчни за електронни играчки и домашни радиостанции, но кварцът е необходим за по-точни устройства.

Основата на кварцовия резонатор е пиезоелектричен ефектвъзникнали върху кварцова плоча. Кварцът е полиморфна модификация на силициев диоксид SiO2 и се среща в природата под формата на кристали и камъчета. Свободната форма в земната кварцова кора е около 12%, в допълнение, под формата на смеси, други минерали също съдържат кварц и като цяло повече от 60% кварц в земната кора (масова част).

За създаване на резонатори е подходящ кварц с ниска температура с изразени пиезоелектрични свойства. Химически, кварцът е много стабилен и може да бъде разтворен само в хидрофлуоридна киселина. Кварцът е превъзходен по твърдост на опал, но не достига диамант.

При производството на кварцова плоча парче се изрязва от кварцов кристал под строго определен ъгъл. В зависимост от ъгъла на рязане, получената кварцова плоча ще се различава по своите електромеханични свойства.

Много зависи от вида на изрязването: честота, температурна стабилност, стабилност на резонанса и отсъствие или наличие на фалшиви резонансни честоти. След това върху пластината от двете страни се нанася слой метал, който може да бъде никел, платина, сребро или злато, след което плочата се фиксира с твърди проводници към основата на корпуса на кварцовия резонатор. Последната стъпка - случаят е херметически сглобен.

По този начин се получава осцилаторна система със собствена резонансна честота и полученият по този начин кварцов резонатор има своя собствена резонансна честота, определена от електромеханичните параметри.

Сега, ако се приложи променливо напрежение с дадена резонансна честота към металните електроди на пластмасата, ще се появи резонансно явление и амплитудата на хармоничните колебания на плочата ще се увеличи много значително. В този случай съпротивлението на резонатора намалява значително, тоест процесът е подобен на този, който се случва в последователна осцилаторна верига. Поради високия фактор на качество на такава "осцилаторна верига", загубата на енергия по време на нейното възбуждане с резонансна честота е незначителна.

В еквивалентната верига: С2 е статичният електрически капацитет на плочите с държачи, L е индуктивността, C1 е капацитетът, R е съпротивлението, отразяващо електромеханичните свойства на инсталираната кварцова плоча. Ако премахнете монтажните елементи, остава постоянна LC верига.

По време на монтажа върху печатна платка, кварцовият резонатор не може да бъде прегряван, тъй като конструкцията му е доста крехка и прегряването може да доведе до деформация на електродите и държача, което със сигурност ще повлияе на работата на резонатора в готовото устройство. Ако кварцът се нагрее до 5730 ° C, той напълно ще загуби своите пиезоелектрически свойства, но за щастие е невъзможно да се нагрее елемент с поялник до такава температура.

Обозначението на кварцовия резонатор в диаграмата е подобно на обозначаването на кондензатор с правоъгълник между плочите (кварцова плоча) и с надпис "ZQ" или "Z".

Често причината за повреда на кварцовия резонатор е падане или силно въздействие на устройството, в което е инсталиран, и тогава е необходимо да се замени резонаторът с нов със същата резонансна честота. Такива щети са присъщи на устройства с малък размер, които лесно се изпускат. Според статистиката обаче такива повреди на кварцовите резонатори са изключително редки и по-често неизправността на устройството е причинена от друга причина.

За да проверите кварцовия резонатор за работоспособност, можете да сглобите малка сонда, която ще помогне не само да се провери работоспособността на резонатора, но и да видите неговата резонансна честота. Сондната верига е типична кристална осцилаторна верига, използваща един транзистор.

Като включите резонатора между основата и минуса (възможно е чрез защитен кондензатор в случай на късо съединение в резонатора), остава да се измери резонансната честота с честотен метър. Тази схема е подходяща и за предварително задаване на осцилаторните вериги.

Когато веригата е включена, здравият резонатор ще допринесе за генерирането на трептения и на емитера на транзистора може да се наблюдава променливо напрежение, честотата на което ще съответства на основната резонансна честота на тествания кварцов резонатор.

Чрез свързване на честотен метър към изхода на сондата потребителят ще може да наблюдава тази резонансна честота. Ако честотата е стабилна, ако леко нагряване на резонатора с повдигнат поялник не доведе до силен дрейф на честотата, тогава резонаторът е в добро състояние. Ако няма генерация, или честотата ще плава или ще се окаже напълно различна, отколкото трябва да бъде за тествания компонент, тогава резонаторът е дефектен и трябва да бъде заменен.

Тази сонда е удобна и за предварително задаване на осцилаторните вериги, в този случай е необходим кондензатор С1, въпреки че може да бъде изключен от веригата при проверка на резонаторите. Схемата е просто свързана вместо резонатора и веригата започва да генерира трептения по подобен начин.

Сглобяемият в зависимост от схемата проба работи чудесно при честоти от 15 до 20 MHz. За други диапазони винаги можете да търсите вериги в Интернет, тъй като има много от тях, както на отделни компоненти, така и на микросхема.