Kvarco rezonatorius - struktūra, veikimo principas, kaip patikrinti

Šiuolaikinės skaitmeninės technologijos reikalauja didelio tikslumo, todėl nenuostabu, kad beveik bet kokiame skaitmeniniame įrenginyje, kuris šiandien neatkreiptų pasauliečio dėmesio, viduje yra kvarco rezonatorius.

Įvairių dažnių kvarco rezonatoriai yra būtini kaip patikimi ir stabilūs harmoninių virpesių šaltiniai, kad skaitmeninis mikrovaldiklis galėtų pasikliauti pamatiniu dažniu ir su juo veikti ateityje, skaitmeninio įrenginio veikimo metu. Taigi kvarco rezonatorius yra patikimas svyruojančios LC grandinės pakaitalas.

Jei laikysime paprastą virpesių grandinę, susidedančią iš kondensatorius ir induktorius, tada greitai paaiškėja, kad tokios grandinės kokybės koeficientas grandinėje neviršys 300, be to, kondensatoriaus talpa kinta priklausomai nuo aplinkos temperatūros, tas pats atsitiks ir su induktyvumu.

Ne veltui kondensatoriai ir ritės turi tokius parametrus kaip TKE - temperatūros talpos koeficientas ir TKI - temperatūros induktyvumo koeficientas, parodantys, kaip pagrindiniai šių komponentų parametrai keičiasi atsižvelgiant į jų temperatūrą.

Skirtingai nuo osciliacinių schemų, kvarco pagrindu veikiantiems rezonatoriams yra nepasiekiamas kokybės koeficientas, kuris gali būti matuojamas esant 10 000–10 000 000 vertėms, o kvarco rezonatorių temperatūros stabilumas yra nekvestionuojamas, nes dažnis išlieka pastovus esant bet kokiai temperatūrai, paprastai intervale nuo - Nuo 40 ° C iki + 70 ° C.

Taigi, dėl aukšto temperatūros stabilumo ir kokybės faktoriaus, kvarco rezonatoriai visur naudojami radijo inžinerijoje ir skaitmeninėje elektronikoje.

Skirta mikrovaldiklis ar procesorius laikrodžio dažnio, jam visada reikia laikrodžio generatoriaus, kuriuo jis galėtų patikimai pasikliauti, ir šiam generatoriui visada reikia aukšto dažnio ir tuo pačiu didelio tikslumo. Čia į pagalbą ateina kvarco rezonatorius. Žinoma, kai kuriose programose galima atsisakyti pjezoelektrinių rezonatorių, kurių kokybės koeficientas yra 1000, ir tokių rezonatorių pakanka elektroniniams žaislams ir buitiniams radijo imtuvams, tačiau tikslesniems prietaisams reikia kvarco.

Kvarco rezonatoriaus pagrindas yra pjezoelektrinis poveikiskylančios ant kvarco plokštelės. Kvarcas yra polimorfinė silicio dioksido SiO2 modifikacija, gamtoje randamas kristalų ir akmenukų pavidalu. Žemės kvarco plote laisva forma sudaro apie 12%, be to, kvarco yra ir kitų mineralų mišiniuose, o žemės plutoje - paprastai daugiau kaip 60% kvarco (masės dalis).

Norėdami sukurti rezonatorius, tinka žemos temperatūros kvarcas, turintis ryškias pjezoelektrines savybes. Chemiškai kvarcas yra labai stabilus, ir jį galima ištirpinti tik hidrofluorido rūgštyje. Kvarcas yra pranašesnis už opalą, tačiau nepasiekia deimanto.

Gaminant kvarco plokštę, gabalas iš kvarco kristalo yra supjaustomas griežtai nurodytu kampu. Atsižvelgiant į pjovimo kampą, gauta kvarco plokštė skirsis savo elektromechaninėmis savybėmis.

Daug kas priklauso nuo pjūvio tipo: dažnio, temperatūros stabilumo, rezonanso stabilumo ir neigiamų rezonansinių dažnių nebuvimo ar buvimo. Tada iš abiejų pusių ant plokštės uždedamas metalo sluoksnis, kuris gali būti nikelis, platina, sidabras ar auksas, po kurio plokštė tvirtinama kietais laidais prie kvarco rezonatoriaus korpuso pagrindo. Paskutinis žingsnis yra korpuso surinkimas hermetiškai.

Taigi gaunama virpesių sistema, turinti savo rezonansinį dažnį, o tokiu būdu gautas kvarco rezonatorius turi savo rezonansinį dažnį, nustatytą elektromechaniniais parametrais.

Dabar, kai plastiko metalo elektrodams bus taikoma kintama tam tikro rezonanso dažnio įtampa, atsiras rezonanso reiškinys, o plokštės harmoninių virpesių amplitudė labai padidės. Tokiu atveju rezonatoriaus varža labai sumažėja, tai yra, procesas yra panašus į tai, kas vyksta nuosekliojoje virpesių grandinėje. Dėl tokios „virpesių grandinės“ aukštos kokybės faktoriaus energijos nuostoliai jo sužadinimo metu rezonansiniame dažnyje yra nereikšmingi.

Lygiavertėje grandinėje: C2 yra statinė plokščių su laikikliais elektrinė talpa, L yra induktyvumas, C1 yra talpa, R yra varža, atspindinti įdiegtos kvarco plokštės elektromechanines savybes. Jei nuimsite tvirtinimo elementus, išlieka pastovi LC grandinė.

Montuojant ant spausdintinės plokštės, kvarco rezonatorius negali būti perkaitęs, nes jo konstrukcija yra gana trapi, o perkaitimas gali sukelti elektrodų ir laikiklio deformaciją, o tai tikrai turės įtakos rezonatoriaus darbui gatavame įrenginyje. Jei kvarcas kaitinamas iki 5730 ° C, jis visiškai praranda savo pjezoelektrines savybes, tačiau, laimei, neįmanoma tokios temperatūros įkaitinti elemento lituokliu.

Kvarco rezonatoriaus žymėjimas schemoje yra panašus į kondensatoriaus su stačiakampiu tarp plokščių (kvarco plokštės) žymėjimą ir su užrašu „ZQ“ arba „Z“.

Dažnai kvarco rezonatoriaus sugadinimo priežastis yra įrenginio, kuriame jis sumontuotas, kritimas ar stiprus smūgis, tada reikia pakeisti rezonatorių nauju, kurio rezonansinis dažnis yra toks pats. Tokia žala būdinga mažiems įrenginiams, kuriuos lengva mesti. Tačiau, remiantis statistika, tokia kvarco rezonatorių žala yra ypač reta, o dažniau įrenginio gedimą lemia kita priežastis.

Norėdami patikrinti kvarco rezonatoriaus tinkamumą eksploatuoti, galite surinkti mažą zondą, kuris padės ne tik patikrinti rezonatoriaus veikimą, bet ir pamatyti jo rezonansinį dažnį. Zondo grandinė yra tipinė kristalų generatoriaus grandinė, naudojant vieną tranzistorių.

Įjungus rezonatorių tarp pagrindo ir minuso (tai įmanoma per apsauginį kondensatorių, jei rezonatoriuje įvyktų trumpasis jungimas), belieka išmatuoti rezonansinį dažnį dažnio matuokliu. Ši grandinė taip pat tinka iš anksto nustatyti virpesių grandines.

Įjungus grandinę, sveikas rezonatorius prisidės prie virpesių generavimo, o tranzistoriaus emiteryje gali būti stebima kintama įtampa, kurios dažnis atitiks pagrindinį išbandyto kvarco rezonatoriaus rezonansinį dažnį.

Prijungęs dažnio matuoklį prie zondo išvesties, vartotojas galės stebėti šį rezonansinį dažnį. Jei dažnis yra stabilus, jei nedidelis rezonatoriaus įkaitinimas pakeltu litavimo geležimi stipriai dažnio nenukrypsta, tada rezonatorius yra geros būklės. Jei generacijos nėra, dažnis kinta arba jis pasirodys visiškai kitoks, nei turėtų būti bandomas komponentas, tada rezonatorius yra sugedęs ir jį reikia pakeisti.

Šis zondas taip pat patogus iš anksto nustatyti virpesių grandines, šiuo atveju reikalingas kondensatorius C1, nors tikrinant rezonatorius jis gali būti pašalintas iš grandinės. Grandinė tiesiog sujungiama vietoj rezonatoriaus, ir grandinė panašiu būdu pradeda generuoti virpesius.

Pagal nurodytą schemą surinktas mėginių ėmiklis nuostabiai veikia nuo 15 iki 20 MHz dažniais. Kituose diapazonuose visada galite ieškoti grandinių internete, nes jų yra daug, tiek diskrečiuose komponentuose, tiek mikroschemose.