Кварцевый резонатор: для чего нужен, как проверить мультиметром, маркировка

Возможные причины выхода из строя

Существует достаточно много методов вывести собственный кварцевый резонатор

из строя. С некими самыми пользующимися популярностью стоит ознакомиться, чтоб в дальнейшем избежать каких-либо заморочек:

Падения с высоты. Самая пользующаяся популярностью причина. Помните: всегда нужно содержать рабочее место в полном порядке и смотреть за своими действиями.
Присутствие неизменного напряжения. В целом кварцевые резонаторы не страшатся его. Но прецеденты были. Для проверки работоспособности включите поочередно конденсатор на 1000 мФ — этот шаг вернет его в строй либо дозволит избежать негативных последствий.
Очень большая амплитуда сигнала. Решить данную делему можно различными методами:

Увести частоту генерации мало в сторону, чтоб она отличалась от основного показателя механического резонанса кварца. Это более непростой вариант.
Снизить количество Вольт, что питают сам генератор. Это более лёгкий вариант.
Проверить, вышел ли кварцевый резонатор вправду из строя. Так, предпосылкой падения активности может быть флюс либо посторонние частички (нужно в таком случае его отменно очистить). Также может быть, что очень интенсивно эксплуатировалась изоляция, и она растеряла свои характеристики. Для контрольной проверки по этому пт можно на КТ315 спаять «трехточку» и проверить осцом (сразу можно сопоставить активность).

Кварцевый резонатор это кристаллический электронный прибор, поддерживающий резонансные колебания на заданной частоте. Кварцевый резонатор обладает высокой стабильностью и точность. Чтобы проверить работоспособность кварцевого резонатора, нужно собрать одну из предложенных ниже схем для проверки.

Здесь транзистор VT1 используется в роли генератора, а его частоту определяет проверяемый кварцевый резонатор. При поступлении питания на схему, генератор начинает генерировать импульсы с частотой его основного резонанса. Импульсная последовательность проходит через конденсатор С3, который отфильтровывает постоянную составляющую и поступает на аналоговый частотомер построенный на детекторных диодах VD1, VD2 и пассивных элементах С4, R3 и микроамперметре. В зависимости от частоты прямо пропорционально меняется напряжение на конденсаторе С4, то есть чем выше частота резонанса кварца, тем выше напряжение. Данным пробником можно не только проверить работу кварцевого резонатора, но и косвенно определить частоту его резонанса. С помощью этой схемы можно проверить кварцевые резонаторы с частотой от 3 до 10 мГц.

Если мы захотим более точно определить резонансную частоту кварцевого резонатора, необходимо подключить к выходу генератора частотомер или осциллограф. Он позволяет рассчитать частоту с помощью фигур Лиссажу. Однако не следует забывать, что кварц может возбудится как на основной частоте, так и на гармониках.

Проверка сразу двух кварцевых резонаторов

Рассмотрим эти параметры более подробно:

Изменение частоты генерации (Frequency Deviation, FD). Схема стенда для измерения частоты кварцевых генераторов приведена на рис. 13, измерения также производятся без контакта с элементами схемы и при изменении напряжения питания в заданных заказчиком пределах. Величину отклонения частоты генерации от номинальной частоты кварцевого резонатора представляют в относительных единицах – + или – ∆f/fном.х10-6.
Мощность возбуждения (Drive Level DL). При мощности возбуждения (рассеяния), превышающей максимально допустимую, в выходном сигнале кварцевого генератора могут появляться побочные излучения, возможны перескоки частоты генерации, а также может ухудшаться стабильность частоты генерации. Чтобы определить мощность рассеяния, необходимо измерить величину тока в цепи кварцевого резонатора. Схема стенда, используемая NDK для измерения тока, приведена на рис. 14, по осциллографу определяют размах тока в цепи кварцевого резонатора, затем по формуле Irms=Ip-p/2√2 вычисляют действующее значение тока, мощность определяется формулой P=Irms2 Rload (мкВт), где Rload– сопротивление на переменном токе в цепи резонатора. Сопротивление Rload зависит от параметров резонатора, величин емкостей схемы и сопротивления Rd (см. рис. 10), типовая зависимость мощности рассеяния от емкостей схемы приведена на рис. 15.

Как уже было сказано, в лабораториях NDK постоянно проводится ряд тестов по определению типов кварцевых резонаторов, в наибольшей степени подходящих для использования совместно с микропроцессорами и БИС основных серий таких компаний, как STM, TI, Microchip, NXP, Renesas и др.

В результате NDK имеет и готовы предоставлять своим клиентам данные по одобренным и рекомендованным компонентам NDK для работы с теми или иными чипсетами и модулями.

Также NDK предлагает своим клиентам провести тесты плат заказчика в своих лабораториях, на основе которых NDK даст свои рекомендации по работе чипсета и частотозадающих элементов в конкретной схеме заказчи

О деталях устройства

Часть платы собрана на выводных деталях, а часть на SMD. Плата разработана под ЖКИ индикатор «Винстар» однострочный WH1601A (это тот у которого контакты слева вверху), контакты 15 и 16, служащие для подсветки, не разведены, но кому надо может для себя добавить дорожки и детали. Я не развёл подсветку так как применил индикатор без подсветки от какого-то телефона на таком-же контроллере, но сначала стоял винстаровский. Кроме WH1601A можно применить WH1602B – двухстрочный, но вторая строка задействована не будет. Вместо транзистора, что на схеме можно применить любой такой же проводимости желательно с бОльшим h21. На плате разведены два входа питания, один от мини USB, другой через мост и 7805. Также предусмотрено место под стабилизатор в другом корпусе.

Электрические параметры

Эквивалентная схема кварцевого резонатора – представляет собой электрическое описание кварцевого резонатора, работающего на резонансной частоте. Эквивалентная схема кварцевого резонатора представлена на рисунке 1. С0 – шунтирующая емкость. R1, L1 и С1 – соответственно динамическое сопротивление, динамическая индуктивность и динамическая емкость. Динамические параметры представляют собой соответствующие эквиваленты резонатора как электромеханической системы и определяются, в основном, характеристиками среза кварцевого элемента.

Шунтирующая емкость C0 – Емкость между выводами кристалла. Измеряется в пикофарадах. Шунтирующая емкость складывается из паразитной емкости кварца, емкости области электродов кристалла и емкости, вносимой кристаллодержателем. Шунтирующая емкость имеет значение порядка единиц пФ.

Динамическое сопротивление R1 – Параметр, характеризующий энергетические потери в колебательном контуре. Динамическое сопротивление R1 кварцевых резонаторов изменяется в интервале от нескольких Ом до сотен кОм в зависимости от частоты резонанса, номера гармоники и ряда конструктивных факторов. Часто обозначается как эквивалентное последовательное сопротивление ESR.

Динамическая индуктивность L1 – Параметр, характеризующий эквивалент массы в колебательном контуре. Динамическая индуктивность L1 кварцевых резонаторов изменяется в интервале от тысяч Гн для резонаторов низких частот до нескольких мГн для высокочастотных резонаторов.

Частота резонанса F – частота, определяемая в соответствии с формулой (5)

Емкость нагрузки СL

Рис. 2. Согласование емкости нагрузки

Измеренное или вычисленное значение емкости, включенной параллельно с кварцевым резонатором. Резонансная частота кварца, включенного в реальную электрическую цепь, будет изменяться в некоторых пределах при разных значениях емкости нагрузки. Для упрощения взаимодействия заказчиков и производителей резонаторов практикуется настройка резонаторов при определенном значении нагрузочной емкости. В этом случае измеренная частота должна соответствовать номинальной с учетом указанной точности настройки.

Как правило, для согласования емкости нагрузки используют конденсаторы Cg , подключаемые между выводами кварцевого резонатора и общим проводом (рисунок 2). Расчет номинала емкости конденсаторов Cg осуществляется по формуле (6), где CL – емкость нагрузки, указанная в технической документации, а CS – значение паразитной емкости (примерно 5 пФ).

Например, для емкости нагрузки равной 16 пФ имеем

Cg = 2·(16-5) = 22 пФ

Уровень управления (drive level)

Обычно определяется как мощность, рассеиваемая кварцевым резонатором. Минимальное значение этого параметра определяется количеством энергии, необходимой для нормального запуска резонатора и обеспечения устойчивых колебаний. Однако повышенное значение этого параметра может вызвать ухудшение параметров старения и механические повреждения кристалла.

Главная —
Микросхемы —
DOC —
ЖКИ —
Источники питания —
Электромеханика —
Интерфейсы —
Программы —
Применения —
Статьи

Емкость нагрузки СL

Например, для емкости нагрузки равной 16 пФ имеем:

Cg = 2·(16-5) = 22 пФ

Современный и устаревший резонаторы.

Настройка прибора

При настройке кнопкой S1 включить режим НЧ (загорится светодиод VD1) и воткнув в соответствующий разъём кварцевый резонатор на 32768Гц (желательно с материнской платы компьютера) подстроечным конденсатором С11 установить на индикаторе частоту 32768Гц. Резистором R8 устанавливается максимальная чувствительность. Все файлы — платы, прошивки, даташиты на используемые радиоэлементы и другое, скачайте в архиве . Автор проекта — nefedot

Обсудить статью ПРИБОР ДЛЯ ПРОВЕРКИ ЧАСТОТЫ КВАРЦЕВ

Кварцевые резонаторы, как и большинство других радиокомпонентов, желательно проверить на работоспособность перед их использованием в радиолюбительской практике. Одна из простейших схем такого пробника была опубликована в чешском радиолюбительском журнале. Схема пробника предельно проста в повторении, поэтому представляет интерес для широкого круга радиолюбителей.

Кварцевые резонаторы относятся к простейшим радиокомпонентам, но у радиолюбителей практически нет приборов для их проверки перед использованием. Это подчас приводит к недоразумениям. Внешне никаких повреждений кварцевый резонатор может не иметь, а в схеме не работает. Причин этому может быть много

В частности, одна из них — падение резонатора из-за неосторожного обращения. Произвести первичную проверку кварцевых резонаторов еще до их использования поможет простая конструкция, описанная в

Проверяемый кварцевый резонатор подключается к контактам К2 (рис.1). На транзисторе Т1 выполнен широкодиапазонный генератор. Он рассчитан на проверку кварцев, рабочая частота которых находится в диапазоне 1…50 МГц. Несколько изменив параметры некоторых радиокомпонентов схемы, в частности. С2 и СЗ. можно проверять и другие кварцы.

В том случае, если кварцевый резонатор работоспособен. на эмиттере транзистора Т1 присутствует высокочастотное переменное напряжение. Диодами D1, D2 оно выпрямляется, сглаживается конденсатором С5 и подается на базу ключевого транзистора Т2, отпирая его. При этом светится светодиод LD1.

Кварцевый резонатор является электронным прибором, построенным на пьезоэффекте, а также механическом резонансе. Применяется радиостанциями, где задает несущую частоту, в часах и таймерах, фиксируя в них интервал в 1 секунду.

Что это такое, и зачем он нужен

Прибор является источником, обеспечивающим гармонические колебания высокой точности. Имеет, при сравнении с аналогами, большую эффективность работы, стабильные параметры.

Первые образцы современных устройств появились на радиостанциях в 1920-1930 гг. как элементы, имеющие стабильную работу, способные задавать несущую частоту. Они:

пришли на смену кристальным резонаторам, работавшим на сегнетовой соли, появившимся в 1917 в результате изобретения Александра М. Николсона и отличавшимся нестабильностью;
заменили использовавшуюся ранее схему с катушкой и конденсатором, которая не отличалась большой добротностью (до 300) и зависела от температурных изменений.

Чуть позже кварцевые резонаторы стали составной частью таймеров, часов. Электронные компоненты с собственной резонансной частотой 32768 Гц, которая в двоичном 15-разрядном счетчике задает временной промежуток равный 1 секунде.

Приборы используются сегодня в:

кварцевых часах, обеспечивая им точность работы независимо от температуры окружающей среды;
измерительных приборах, гарантируя им высокую точность показателей;
морских эхолотах, которые применяются при исследованиях и создании карт дна, фиксации рифов, отмелей, поиска объектов, находящихся в воде;
схемах, соответствующих опорным генераторам, синтезирующим частоты;
схемах, применяемых при волновом указании SSB или сигнала телеграфа;
радиостанциях с DSB-сигналом с промежуточной частотой;
полосовых фильтрах приемников супергетеродинного типа, которые более стабильны и добротны, чем LC-фильтры.

Устройства изготавливаются с разными корпусами. Делятся на выводные, применяемые в объемном монтаже, и SMD, используемые в поверхностном монтаже.

Их работа зависит от надежности схемы включения, влияющей на:

отклонение частоты от необходимого значения, стабильность параметра;
темп старения прибора;
нагрузочную емкость.

Проверка сразу двух кварцевых резонаторов

Данная схема позволит определить, работоспособны ли два кварцевых резистора, которые функционируют в рамках от одного до десяти МГц. Также благодаря ей можно узнать сигналы толчков, которые идут между частотами. Поэтому вы сможете не только определить работоспособность, но и подобрать кварцевые резисторы, которые наиболее подходят друг другу по своим показателям. Схема реализована с двумя задающими генераторами. Первый из них работает с кварцевым резонатором ZQ1 и реализован на транзисторе КТ315Б. Чтобы проверить работоспособность, напряжение на выходе должно быть больше 1,2 В, и следует нажать на кнопку SB1. Указанный показатель соответствует сигналу высокого уровня и логической единице. Зависимо от кварцевого резонатора может быть увеличено необходимое значение для проверки (можно напряжение каждую проверку повышать на 0,1А-0,2В к рекомендованному в официальной инструкции по использованию механизма). При этом выход DD1.2 будет иметь 1, а DD1.3 — 0. Также, сообщая о работе кварцевого генератора, будет гореть светодиод HL1. Второй механизм работает аналогично, и о нём будет сообщать HL2. Если их запустить одновременно, то ещё будет гореть светодиод HL4.

Когда сравниваются частоты двух генераторов, то их выходные сигналы с DD1.2 и DD1.5 направляются на DD2.1 DD2.2. На выходах вторых инверторов схема получает сигнал с широтно-импульсной модуляцией, чтобы затем сравнить показатели. Увидеть визуально это можно с помощью мигания светодиода HL4. Для улучшения точности добавляют частотомер или осциллограф. Если реальные показатели отличаются на килогерцы, то для определения более высокочастотного кварца нажмите на кнопку SB2. Тогда первый резонатор уменьшит свои значения, и тон биений световых сигналов будет меньше. Тогда можно уверенно сказать, что ZQ1 более высокочастотный, нежели ZQ2.

Особенности проверок

При проверке всегда:

Прочитайте инструкцию, которую имеет кварцевый резонатор;
Придерживайтесь техники безопасности.

Как проверить кварцевый резонатор

Проблемы с небольшими приборами возникают, если они получают сильный удар. Такое происходит при падении устройств, содержащих в конструкции резонаторы. Последние выходят со строя и требуют замены по тем же параметрам.

Проверка резонатора на работоспособность требует наличия тестера. Его собирают по схеме на основе транзистора КТ3102, 5 конденсаторов и 2 резисторов (устройство подобно кварцевому генератору, собранному на транзисторе).

Прибор необходимо в подключаемых соединениях, подключениях подключить к базе транзистора и отрицательному полюсу, защищая установкой защитного конденсатора. Питание схемы включения постоянное — 9В. Плюс подключают на вход транзистора, к его выходу — через конденсатор — частотомер, который фиксирует частотные параметры резонатора.

Схемой пользуются при настройке контура колебаний. Когда резонатор исправный, он при подключении выдает колебания, которые приводят к появлению переменного напряжения на эмиттере транзистора. Причем частота напряжения совпадает с аналогичной характеристикой резонатора.

Прибор неисправен, если частотомер не фиксирует возникновение частоты или определяет наличие частоты, но она — либо намного отличается от номинала, либо при нагреве корпуса паяльником сильно изменяется.

Применение

Одним из самых популярных видов резонаторов являются резонаторы, применяемые в часовых схемах и таймерах. Резонансная частота часовых резонаторов составляет 32 768 Гц; будучи поделённой на 15-разрядном двоичном счётчике, она даёт интервал времени в 1 секунду.

Применяются в генераторах с фиксированной частотой, где необходима высокая стабильность частоты. В частности, в опорных генераторах синтезаторов частот и в трансиверных радиостанциях для формирования DSB-сигнала на промежуточной частоте и детектирования SSB или телеграфного сигнала.

Также применяются в кварцевых полосовых фильтрах промежуточной частоты супергетеродинных приёмников. Такие фильтры могут выполняться по лестничной или дифференциальной схеме и отличаются очень высокой добротностью и стабильностью по сравнению с LC-фильтрами.

По типу корпуса кварцевые резонаторы могут быть выводные для объёмного монтажа (стандартные и цилиндрические) и для поверхностного монтажа (SMD).

Качество схемы, в которую входят кварцевые резонаторы, определяют такие параметры, как допуск по частоте (отклонение частоты), стабильность частоты, нагрузочная ёмкость, старение.

Преимущества

Достижение намного бо́льших значений добротности (104—106) эквивалентного колебательного контура, нежели любым другим способом.
Малые размеры устройства (вплоть до долей миллиметра).
Высокая температурная стабильность.
Большая долговечность.
Лучшая технологичность.
Построение качественных каскадных фильтров без необходимости их ручной настройки.

Недостатки

Чрезвычайно узкий диапазон подстройки частоты внешними элементами. На практике для многодиапазонных систем эта проблема решается построением синтезаторов частот различной степени сложности.

История

Кварцевый резонатор в герметичном стеклянном корпусе пальчикового бесцокольного исполнения

Резонатор на 4 МГц в миниатюрном металлическом герметизированном корпусе HC-49/US Металлические корпуса разнообразных размеров Пьезоэлектрический эффект был впервые открыт братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. Поль Ланжевен впервые практически использовал этот эффект в ультразвуковом излучателе и приемнике ультразвука в гидролокатора перед первой мировой войной.

Первый электромеханический резонатор, на основе сегнетовой соли, был изготовлен в 1917 году и запатентован в 1918 году Александром М. Николсоном (Alexander M. Nicholson) из компании Bell Telephone Laboratories, хотя его приоритет оспаривался Уолтером Гайтоном Кэди (Walter Guyton Cady), который изготовил кварцевый резонатор в 1921 году.

Некоторые улучшения в конструкцию кварцевых резонаторов предложены позже Льюисом Эссеном и Джорджем Вашингтоном Пирсом (George Washington Pierce).

Первые стабильные по частоте кварцевые резонаторы были разработаны в 1920—1930-х годах. Начиная с 1926 года, кварцевые резонаторы на радиостанциях стали использоваться в качестве элементов, задающих несущую частоту. В это же время резко возросло количество компаний, начавших выпускать кварцевые резонаторы, например, только до 1939 года в США было выпущено более чем 100 тыс. штук.

Принцип действия

На пластинку, тонкий цилиндр, кольцо или брусок, вырезанные из кристалла кварца с определённой ориентацией относительно кристаллографических осей монокристалла нанесены 2 или более электродов — проводящие полоски.

Резонатор механически крепится в узлах рабочей моды колебаний, чтобы снизить потери колебательной энергии через крепление. Для данной моды колебаний кристалл имеет некоторую резонансную частоту механических колебаний, причем на этой частоте добротность механического резонатора очень высока.

При подаче напряжения на электроды благодаря пьезоэлектрическому эффекту происходит изгиб, сжатие или сдвиг в зависимости от того, каким образом вырезан кристалл относительно кристаллографических осей, конфигурации возбуждающих электродов и расположения точек крепления..

Собственные колебания кристалла в результате обратного пьезоэлектрического эффекта наводят на электродах дополнительную ЭДС и поэтому кварцевый резонатор электрически ведёт себя подобно резонансной цепи, — колебательному контуру, составленному из конденсаторов, индуктивности и резистора, причем добротность этой воображаемой электрической цепи очень велика и близка к добротности собственных механических колебаний кристалла.

Если частота подаваемого напряжения равна или близка к частоте собственных механических колебаний пластинки, затраты энергии на поддержание колебаний пластинки оказываются намного ниже, нежели при большом отличии частоты. Это тоже соответствует поведению электрического колебательного контура.

Условное обозначение кварцевого резонатора (сверху) и его эквивалентная схема (снизу)

Эквивалентная схема

C0 — собственная ёмкость кристалла, образуемая кристаллодержателем и/или обкладками резонатора;

C1, L1 — эквивалентные ёмкость и индуктивность механической колебательной системы резонатора;

R1 — эквивалентное сопротивление потерь механической колебательной системы.

Пьезоэлектрики

На самом деле, кварц – это один из самых распространенных минералов в земной коре. Его доля составляет около 60%! Если полупроводниковые радиокомпоненты в основном делают из кремния, то кварц тоже состоит из кремния но в связке с кислородом. Его химическая формула SiO2.

Выглядит минерал кварц примерно вот так.

минерал кварц

Ну прямо как сокровище какое-то! Но ценность этого сокровища спрятана не в самом кварце, а в том, каким свойством он обладает. И этот эффект кварца сделал революцию в прецизионной (точной) электронике для генерации высокостабильных колебаний электрического сигнала.

Еще в 19 веке два брата Кюри обнаружили интересное свойство некоторых твердых кристаллов генерировать ЭДС , деформируя эти кристаллы. Деформация – это изменение формы какого-либо тела с помощью кручения, удара, растяжения и так далее. Так вот, ударяя по таким кристаллам, они обнаружили, что те могут выдавать какое-либо кратковременное напряжение.

пьезоэффект

Но они также обнаружили еще и обратный эффект. При подаче напряжения на такие кристаллы, эти кристаллы деформировались сами. Невооруженным глазом это было практически не заметно. Такой эффект назвали пьезоэффектом, а вещества – пьезоэлектриками.

Следует заметить, что ЭДС возникает только в процессе сжатия или растяжения. Может быть вы подумали, что можно прижать такой кристалл какой-нибудь увесистой болванкой и всю жизнь получать из него энергию? Как бы не так! Кстати, радиоэлемент пьезоизлучатель тоже относится к пьезоэлектрикам, и из него можно получить ЭДС. Ниже можно рассмотреть этот случай на видео. Светодиод, подпаянный к пьезоизлучателю, зажигается при ударе самого пьезоизлучателя.

Не так давно смотрел фильм по National Geographic. Там целые пьезоэлектрические плиты устанавливали на дороге. По ним ходили люди и вырабатывали электрическую энергию, сами того не подозревая). Кстати, очень халявная, чистая и возобновляемая энергия. Ладно, что-то отвлекся… Так вот, кристаллы кварца тоже обладают пьезоэффектом и способны также вырабатывать ЭДС или деформироваться (изгибаться, изменять форму) под воздействием электрического тока.