Kvartsresonator - struktur, driftsprincip, hur man kontrollerar

Modern digital teknik kräver hög noggrannhet, så det är inte förvånande att nästan alla digitala enheter, som inte skulle få den genomsnittliga människans uppmärksamhet idag, innehåller en kvartsresonator inuti.

Kvartsresonatorer för olika frekvenser är nödvändiga som pålitliga och stabila källor för harmoniska svängningar, så att den digitala mikrokontrollern kan lita på referensfrekvensen och arbeta med den i framtiden, under drift av den digitala enheten. Således är en kvartsresonator en pålitlig ersättning för en oscillerande LC-krets.

Om vi ​​överväger en enkel oscillerande krets, bestående av kondensator och induktor, blir det snabbt klart att kvalitetsfaktorn för en sådan krets i kretsen inte kommer att överstiga 300, dessutom flyter kondensatorkapacitansen beroende på omgivningstemperaturen, samma kommer att hända med induktansen.

Det är inte för inget som kondensatorer och spolar har sådana parametrar som TKE - temperaturkapacitetskoefficient och TKI - temperatur induktansskoefficient, vilket visar hur mycket dessa parametrars huvudparametrar ändras med deras temperatur.

Till skillnad från oscillerande kretsar har kvartsbaserade resonatorer en Q-faktor som är ouppnåelig för oscillerande kretsar, som kan mätas med värden från 10.000 till 10.000.000, och temperaturstabiliteten hos kvartsresonatorer är inte aktuellt, eftersom frekvensen förblir konstant vid vilken temperatur som helst, vanligtvis från området från - 40 ° C till + 70 ° C

På grund av hög temperaturstabilitet och kvalitetsfaktor används därför kvartsresonatorer överallt inom radioteknik och digital elektronik.

För uppdrag mikrokontroller eller processor klockfrekvens, han behöver alltid en klockgenerator, som han pålitligt kan lita på, och denna generator behöver alltid en högfrekvent och hög precision. Här räddar kvartsresonatorn. Naturligtvis kan i vissa tillämpningar undvikas piezoelektriska resonatorer med en kvalitetsfaktor 1000 och sådana resonatorer är tillräckliga för elektroniska leksaker och hushållsradio, men kvarts behövs för mer exakta enheter.

Driften av en kvartsresonator är baserad på piezoelektrisk effektuppstår på en kvartsplatta. Kvarts är en polymorfisk modifiering av kiseldioxid SiO2 och finns i naturen i form av kristaller och småsten. Fri form i jordens kvartsskorpa är cirka 12%, i form av blandningar innehåller andra mineraler också kvarts, och i allmänhet mer än 60% kvarts i jordskorpan (massfraktion).

För att skapa resonatorer är lågtemperaturkvarts, som har uttalade piezoelektriska egenskaper, lämpligt. Kemiskt är kvarts mycket stabilt och det kan bara lösas i hydrofluoridsyra. Kvarts är överlägsen i hårdhet mot opal, men når inte diamant.

Vid tillverkningen av en kvartsplatta skärs en bit från en kvartskristall i en strikt specificerad vinkel. Beroende på skärvinkeln kommer den resulterande kvartsplattan att skilja sig i sina elektromekaniska egenskaper.

Mycket beror på typen av skärning: frekvens, temperaturstabilitet, resonansstabilitet och frånvaro eller närvaro av falska resonansfrekvenser. Därefter appliceras ett skikt av metall på plattan på båda sidor, vilket kan vara nickel, platina, silver eller guld, varefter plattan fixeras med hårda ledningar till basen av kvartsresonatorhuset. Det sista steget - fallet är hermetiskt sammansatt.

Således erhålls ett oscillerande system med sin egen resonansfrekvens, och kvartsresonatorn erhållen på detta sätt har sin egen resonansfrekvens bestämd av elektromekaniska parametrar.

Nu, om en växelspänning med en given resonansfrekvens appliceras på plastelektroderna i plasten, kommer ett resonansfenomen att dyka upp, och amplituden hos de harmoniska svängningarna hos plattan kommer att öka väsentligt. I detta fall minskar resonatormotståndet avsevärt, det vill säga processen liknar vad som händer i en sekventiell oscillerande krets. På grund av den höga kvalitetsfaktorn för en sådan "oscillerande krets" är energiförlusten under dess excitering vid resonansfrekvensen försumbar.

På en ekvivalent krets: C2 är den statiska elektriska kapaciteten hos plattorna med hållare, L är induktansen, C1 är kapacitansen, R är motståndet, vilket återspeglar de elektromekaniska egenskaperna hos den installerade kvartsplattan. Om du tar bort monteringselementen kvarstår en konsekvent LC-krets.

Under installationen på ett tryckt kretskort kan en kvartsresonator inte överhettas, eftersom dess utformning är ganska bräcklig, och överhettning kan leda till deformation av elektroderna och hållaren, vilket säkert kommer att påverka resonatorns funktion i den färdiga anordningen. Om kvarts upphettas till 5730 ° C kommer det helt att förlora sina piezoelektriska egenskaper, men lyckligtvis är det omöjligt att värma ett element med lödkolv till en sådan temperatur.

Beteckningen på kvartsresonatorn i diagrammet liknar beteckningen på en kondensator med en rektangel mellan plattorna (kvartsplattan) och med inskriptionen "ZQ" eller "Z".

Ofta är orsaken till skada på kvartsresonatorn ett fall eller en stark påverkan på enheten i vilken den är installerad, och då är det nödvändigt att ersätta resonatorn mot en ny med samma resonansfrekvens. Sådan skada ingår i små enheter som är lätta att släppa. Enligt statistik är emellertid sådana skador på kvartsresonatorer extremt sällsynta, och oftare orsakas felet på enheten av en annan anledning.

För att kontrollera kvartsresonatorn med avseende på användbarhet kan du sätta ihop en liten sond som hjälper inte bara att verifiera resonatorns funktion, utan också se resonansfrekvensen. Sondkretsen är en typisk kristalloscillatorkrets som använder en enda transistor.

Genom att sätta på resonatorn mellan basen och minus (det är möjligt genom en skyddskondensator vid kortslutning i resonatorn) återstår det att mäta resonansfrekvensen med en frekvensmätare. Denna krets är också lämplig för att förinställa oscillerande kretsar.

När kretsen är påslagen kommer en frisk resonator att bidra till alstring av svängningar och en växelspänning kan observeras på transistorns emitter, vars frekvens motsvarar den grundläggande resonansfrekvensen för den testade kvartsresonatorn.

Genom att ansluta en frekvensmätare till sondutgangen kan användaren observera denna resonansfrekvens. Om frekvensen är stabil, om en lätt uppvärmning av resonatorn med en upphöjd lödkolv inte leder till en kraftig drift av frekvensen, är resonatorn i gott skick. Om det inte finns någon generation, eller frekvensen flyter, eller den visar sig vara helt annorlunda än den borde vara för den testade komponenten, är resonatorn felaktig och bör bytas ut.

Denna sond är också bekväm för att förinställa oscillerande kretsar, i detta fall krävs kondensatorn Cl, även om den kan uteslutas från kretsen vid kontroll av resonatorerna. Kretsen är helt enkelt ansluten istället för resonatorn, och kretsen börjar generera svängningar på liknande sätt.

Provtagaren monterad enligt den givna kretsen fungerar fantastiskt vid frekvenser från 15 till 20 MHz. För andra sortiment kan du alltid söka efter kretsar på Internet, eftersom det finns många av dem, både på diskreta komponenter och på en mikrokrets.