для чего нужен кварцевый генератор
Особенности и сферы применения кварцевых генераторов
Кварцевый генератор представляет собой устройство для создания колебаний, которые производятся специальным резонатором (относится к электронным компонентам), состоящим из заготовки, выполненной из кристалла соответствующего минерала, и электродов. Колебания отличаются значительной степенью стабильности частоты. Причиной является высокое качество резонатора.
Актуальные сведения
Такие устройства являются одними из наиболее популярных источников тактовых импульсов. Они применяются практических в любых схемах электронных приборов. Здесь стоит упомянуть системы транспортировки информации, радиолокации, навигации, вычислительную технику, устройства телеметрии и т. д. Помимо этого, кварцевые генераторы используются для измерения целого ряда различных физических параметров (давления, температуры, влажности и т. д.).
Частота колебаний кварцевого генератора может находиться в диапазоне от нескольких килогерц до сотен мегагерц. Этот параметр зависит от размеров резонатора, упругости кварца, пьезоэлектрической постоянной и формы заготовки.
Схема такого генератора, как правило, элементарна в настройках и регулировании. Многие кварцевые генераторы, используемые в цифровой технике производятся по одному и тому же принципу. Устройство, включает в себя один инвертор, резистор и пару конденсаторов. Чтобы не вызывать перегрузок на выходе, генератор нагружается только на один или два КМОП-входа. Также присутствует буферный элемент.
Параметры всех составляющих могут быть отрегулированы, причем пределы настройки весьма велики. Это касается емкости конденсаторов, сопротивления резистора. Схема не слишком энергоемкая, поэтому можно обеспечить экономию ресурсов.
Любые генераторы должны соответствовать следующим требованиям:
Вышеприведенные нюансы помогут оценить особенности использования кварцевых генераторов.
Кварцевый генератор принцип работы
Что такое кварцевый генератор, принцип работы и схемы
Что такое кварц
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 также состоит из кремния но в связке с кислородом. Его формула SiO2.
Выглядит он примерно вот так:
Ну прямо сокровище какое-то!
Но сокровище спрятано не в самом кварце, а в том, каким свойством он обладает. И этот эффект кварца сделал революцию в прецизионной (точной) электронике…
Существует также и обратный эффект, то есть при подаче напряжения мы можем деформировать эти кристаллы. Невооруженным глазом это практически не заметно. Такой эффект называется пьезоэффектом, а вещества – пьезоэлектриками.
ЭДС возникает только в процессе сжатия или растяжения.
Кварцевый резонатор
Резонатор – (от лат. resono – звучу в ответ, откликаюсь) – это система, которая способна совершать колебания с максимальной амплитудой, то есть резонировать, при воздействии внешней силы определенной частоты и формы. Это радиоэлемент, который способен резонировать, если на него подать переменный ток определенной частоты и формы.
Кварцевые резонаторы выглядят в основном вот так:
Разобрав кварцевый резонатор, можно увидеть кристалл кварца.
Прозрачный кристалл кварца, размещенный между двумя металлическими пластинками, к которым подпаяны выводы самого кварца.
Чем больше толщина пластинки, тем ниже рабочая частота кварца. Поэтому, самые высокие частоты, на которые делают кварцы, составляет не более 50 Мегагерц, так как пластинка получается очень тонкая, что создает трудности при ее изготовлении. Да и держать ее как-то надо в корпусе, не поломав. По идее, можно выжать из кварца частоту и до 200 Мегагерц, но работать такой кварц будет на обертоне.
Что такое обертоны
Обертоны, или как еще их называют, моды или гармоники – это кратные частоты, выше основной частоты кварца. С помощью фильтров гасят основную частоту кварца и выделяют обертон. В кварцевом резонаторе в режиме обертонов используют нечетные обертоны. Если основная частота кварца F – это первый обертон, то его рабочие обертоны будут как 3F, 5F, 7F, 9F. Стоит также отметить, что амплитуда обертона убывает с ростом его частоты, поэтому далее 9 обертона смысла брать уже нет, так как выделять амплитуду маленького сигнала очень трудно.
Пример: возьмем кварц с частотой в 10 Мегагерц. Тогда мы можем возбудить его на обертонах в 30 Мегагерц (третий обертон), в 50 Мегагерц (пятый обертон), в 70 Мегагерц (седьмой обертон) и максимум в 90 Мегагерц (девятый обертон).
Чтобы хоть как-то понять, что такое обертоны, для примера послушайте основную частоту 110 Герц и ее обертоны.
Схема, которая возбуждает кварц на обертонах, сложная и не очень надежная, так как во-первых, надо “давить” главную частоту кварца и выделять обертон, а во-вторых, кварц может возбудиться в режиме случайных колебаний. На практике все-таки делают схемы с умножением главной частоты кварца, что намного проще и надежнее.
Обозначение кварца на схеме
Кварц является диэлектриком. Если тонкий диэлектрик разместить между двумя металлическими пластинами, то получится конденсатор маленькой ёмкости, измерить которую не получится. На схемах кварц показывают в виде прямоугольного кусочка кристалла между двумя пластинками конденсатора:
Принцип работы кварца
Для того, чтобы понять принцип работы кварцевого резонатора, надо рассмотреть его эквивалентную схему:
С – это собственно емкость между обкладками конденсатора. То есть если убрать кристалл кварца, то останутся две пластины и их выводы. Именно они и обладают этой емкостью.
L1 – это динамическая индуктивность кристалла. Она может достигать несколько тысяч Генри!
R1 – динамическое сопротивление, при работе кварца может достигать от нескольких Ом и до нескольких КилоОм
Можно заметить, что С1, L1 и R1 образуют последовательный колебательный контур, который обладает своей резонансной частотой.
Принцип работы кварцевого резонатора такой: если к обкладкам кварцевого резонатора подвести переменное напряжение, то его пластинка начнет колебаться с частотой подведенного напряжения. Если подведенная частота будет совпадать с собственной резонансной частотой колебания кварца, то наступит резонанс. Напряжение на обкладка кварца резко возрастает. В этом случае кварцевый резонатор ведет себя, как настроенный на определенную частоту колебательный контур с очень высокой добротностью.
Каждый кварц имеет разные частоты последовательного и параллельного резонанса. Если мы видим на кварце вот такую надпись
это говорит нам о том, что на частоте последовательного резонанса мы можем возбудить этот кварц на частоте 8 Мегагерц. В основном кварц работает на частоте последовательного резонанса. Здесь также есть еще одно правило: если частота маркируется в целых числах в Килогерцах – это работа на основной гармонике, а если в Мегагерцах через запятую – это обертонная гармоника. Например: РГ-05-18000кГц – резонатор для работы на основной частоте, а РГ-05-27,465МГц – для работы на 3-ем обертоне.
Кварцевые генераторы: схема, принцип работы, резонатор
Основу кварцевых генераторов составляют кварцевые резонаторы.
Кварцевый резонатор
Это пластинка кварца, закрепленная определенным образом в кварцедержателе и представляющая собой электромеханическую колебательную систему. Эти резонаторы относятся к пьезоэлектрическим элементам, принцип действия которых основан на использовании прямого и обратного пьезоэффекта.
Прямой пьезоэффект
Он состоит в том, что механическая нагрузка на материал элемента вызывает появление электрического напряжения между соответствующими поверхностями элемента.
Обратный пьезоэффект
Электрическое напряжение между соответствующими поверхностями элемента, создаваемое с помощью внешнего источника напряжения, вызывает появление механических напряжений, которые могут изменять форму и размеры элемента.
Кварцевые резонаторы изготавливают из природного и искусственного монокристаллического кварца. Из заготовки вырезают пластины, грани которых определенным образом ориентированы относительно кристаллографических осей монокристалла. В рабочем режиме на обкладках пластины имеется переменное напряжение, и имеют место механические колебания пластины. Используются колебания сжатия-растяжения, изгиба, кручения и другие.
При анализе схемы с кварцевым резонатором (рис. 2.69, а) его удобно заменять эквивалентной схемой, представленной на рис 2.69, б.
Именно эта схема кварцевого резонатора используется в пакете программ «PSpice» для моделирования электронных схем. В эквивалентной схеме могут иметь место и параллельный, и последовательный резонанс. На практике используют оба вида резонанса.
На частоте последовательного резонанса ωk= 1/(Lk·Ck)1/2резонатор имеет минимальное сопротивление Rk.Частота параллельного резонанса ω0 ≈ 1/ [ Lk · Ck· C0 / ( Ck+ C0 ) ]1/2.
В диапазоне частот между ωk и ω0 резонатор ведет себя как некоторая индуктивность.
Кварцевые резонаторы характеризуются высокой стабильностью и добротностью (Qk= 104 − 105). Использование кварцевых резонаторов позволяет снизить относительное изменение частоты генераторов до очень малых значений (10−6 − 10−9).
Приведем для примера упрощенную схему кварцевого генератора на основе операционного усилителя при использовании последовательного резонанса (рис. 2.70).
На частоте последовательного резонанса в схеме имеет место сильная положительная обратная связь, что и поддерживает автоколебания.
Что такое кварцевый резонатор и как он работает?
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.
Сфера применения
Преимущества
Недостатки
Принцип работы кварцевого резонатора
Работает прибор на основе пьезоэффекта, проявляющегося на пластинке из кварца, причем низкотемпературного. Элемент вырезают из цельного кристалла кварца, соблюдая задаваемый угол. Последний определяет электрохимические параметры резонатора.
Пластинки с обеих сторон покрывают слоем серебра (подходит платина, никель, золото). Затем их прочно фиксируют в корпусе, который герметизируется. Устройство представляет колебательную систему, которая обладает собственной резонансной частотой.
Когда электроды подвергаются переменному напряжению, пластинка из кварца, обладающая пьезоэлектрическим свойством, изгибается, сжимается, сдвигается (зависит от типа обработки кристалла). Одновременно в ней появляется противо-ЭДС, как это происходит в катушке индуктивности, находящейся в колебательном контуре.
Когда подается напряжение с частотой, совпадающей с собственными колебаниями пластинки, то в устройстве наблюдается резонанс. Одновременно:
Энергия, которая необходима для поддержания колебаний, в случае равенства частот низкая.
Обозначение кварцевого резонатора на электрической схеме
Как проверить кварцевый резонатор
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).
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.
Кварцевый генератор
Прежде чем переходить к практическим схемам, отметим, что для широко распространенных кварцев основная рабочая частота обычно не превышает 10…15 МГц. Обусловлено это трудностями в изготовлении (при серийном производстве) очень тонких кварцевых пластин с высокой степенью параллельности рабочих сторон. Последнее, в частности, сильно влияет на моночастотность резонатора (отсутствие паразитных резонансов, особенно вблизи основной рабочей частоты).
Применительно кварцевый генератор наличие таких резонансов может привести к возбуждению резонатора не на той частоте, что указана на его корпусе, или к скачку частоты генератора при изменении внешних условий (температура, сопротивление нагрузки и т.п.). Если частота, указанная на корпусе кварцевого резонатора, выше 15 МГц, то с высокой степенью вероятности этот резонатор гармониковый, и его основная частота в три или даже в пять раз ниже “номинала”.
В кварцевый генератор, схема которого показана на рисунке, кварцевый резонатор возбуждается на основной частоте. Для его устойчивой работы сопротивление нагрузки (входное сопротивление следующего каскада) должно быть не менее 1 кОм. При этом высокочастотное напряжение на выходе генератора будет не менее 0,5 В (здесь и далее – эффективное значение). Номиналы конденсаторов С3, С4 и резистора R4 зависят от рабочей частоты кварцевого резонатора. Для полосы частот 1…3 МГц они должны быть соответственно 270 пФ, 180 пФ и 3,3 кОм; для 3…6 МГц – 180 пФ, 120 пФ и 3,3 кОм; для 6…10 МГц – 180 пФ, 120 пФ и 2,2 кОм; для 10…18 МГц – 150 пФ, 68 пФ и 1,2 кОм; для 18…21 МГц – 68 пФ, 33 пФ и 680 Ом.
Как принято говорить в таких случаях, при исправных деталях и безошибочном монтаже генератор настройки не требует (за исключением, быть может, некоторой коррекции рабочей частоты подстройкой конденсатора С2). Если при выполнении двух названных выше условий генератор все же не заработал, то единственной причиной этого может быть невысокая активность кварцевого резонатора. В этом случает его следует либо заменить на другой, либо попытаться “поиграться” с номиналами конденсаторов С3 и С4. В частности, может помочь изменение в ту или иную сторону отношения их емкостей.
На втором рисунке приведена схема кварцевый генератор, в котором кварцевый резонатор возбуждается на нечетных гармониках его основной рабочей частоты.
Как и в предыдущем варианте, входное сопротивление следующего каскада должно быть не менее 1 кОм. Выходное напряжение – примерно 0,5 В. Для полосы частот 15…25 МГц емкости конденсаторов С2, С3 и С4 должны быть соответственно 100, 100 и 68 пФ; для 25…55 МГц – 100, 68 и 47 пФ; для 50…65 МГц – 68, 33 и 15 пФ. Катушку L1 наматывают проводом диаметром 0,3 мм на каркасе диаметром 5 мм. Она имеет подстроечник из карбонильного железа (диаметр – 4 мм). Для трех указанных выше полос рабочих частот число витков должно быть соответственно 15, 10 и 7.
Налаживают кварцевый генератор подстройкой катушки L1 по устойчивой генерации на третьей гармонике основной частоты кварцевого резонатора. Если этого не происходит при любом положении подстроечника, то следует подобрать число витков катушки или попробовать провести эту операцию, установив конденсатор С2 с большим или меньшим номиналом. Если же и эта операция не поможет, то скорее всего причиной является низкая активность кварцевого резонатора (см. выше). Следует заметить, что далеко не все резонаторы, устойчиво генерирующие на основной частоте, также устойчиво работают и на гармониках.
Подобный кварцевый генератор может обеспечить напряжение около 2В на высокоомной нагрузке (например, смесительный каскад на транзисторе с изолированным затвором) на более высокой частоте, если в цепь коллектора транзистора VT1 ввести полосовой фильтр, настроенный, например, на вторую гармонику рабочей частоты генератора (т.е. это будет генератор – удвоитель частоты на одном транзисторе). Катушки индуктивности L2 и L3 такого фильтра наматывают проводом диаметром 0,6 мм на каркасе диаметром 5 мм с двумя подстроечниками из карбонильного железа (диаметр 4 мм). Расстояние между катушками – 5 мм. Для полосы частот 60…90 МГц число витков должно быть 9, а для 90…130 МГц – 6. Номиналы конденсаторов С6, С7 фильтра – 33 и 22 пФ соответственно.
Кварцевый генератор, схема которого показана на рисунке, чуть посложнее – он содержит колебательный контур.
Это даст сразу два преимущества. Во-первых, он имеет более высокую спектральную чистоту выходного сигнала. Во-вторых, он обеспечивает более высокий уровень выходного сигнала (около 1В на нагрузке 100 Ом). Для полосы частот 1…3МГц емкости конденсаторов С2, С5 и С6 соответственно равняются 470, 270 и 2000 пФ; для 3… 10 МГц – 330, 150 и 1500 пФ; для 10…30 МГц – 180. 47 и 330 пФ. Катушка L1 должна иметь при среднем положении подстроечника такую индуктивность, чтобы обеспечить с конденсатором С5 резонанс па рабочей частоте. Налаживают этот генератор по устойчивой генерации на основной частоте кварцевого резонатора или на ее третьей гармонике.
КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ SMD
Кварцевые генераторы это источники опорной частоты и тактового сигнала во многих электронных схемах. Следовательно, они должны быть точными и стабильными. Конечно «идеальный» генератор существует только в теории, поэтому проблема состоит в том, чтобы выбрать правильный компонент, отвечающий требованиям конструкции. Радиолюбителю необходимо найти компонент, который обеспечивает баланс между производительностью, стоимостью, стабильностью, размером, мощностью, размерами и интерфейсом для связанных схем. Для этого нужно понимать как работает кварцевый генератор и его основные характеристики.
Как работают кварцевые генераторы
В КГ используется пьезоэлектрический резонатор с высокой добротностью, который является частью резонансного контура и включен в контур обратной связи. Используемый элемент и технология его изготовления определяют электрические и механические параметры.
Кристалл кварца с пьезоэлектрическим эффектом действует как стабильный и точный резонансный элемент с высокой добротностью
Много лет генераторы создавались с использованием ламп, затем транзисторов и теперь интегральных микросхем. Схема была адаптирована к так называемому углу среза кристалла кварца и его характеристикам, а также необходимым параметрам применения. В настоящее время попытки самостоятельно сконструировать кварцевые генераторы очень редки, поскольку получение хороших результатов требует времени и точного измерительного оборудования. Вместо этого просто покупаем небольшой готовый модуль SMD, который содержит как кварцевый резонатор, так и схему генератора и выходной драйвер. Это снижает затраты и время на разработку, и гарантирует получение элемента с известными параметрами.
Кстати, радиолюбители часто используют слово «кварц», хотя на самом деле говорят обо всей схеме генератора. Обычно это не проблема, поскольку предполагаемое значение можно понять из контекста. Но иногда это может привести к путанице, поскольку можно также купить кварцевый резонатор как отдельный компонент, а затем добавить к нему отдельно схему генератора.
Параметры кварцевых генераторов
Производительность кварцевого генератора определяется набором важных параметров, таких как:
Фазовый шум рассеивает спектр генерируемой частоты и отрицательно влияет на разрешение и отношение сигнал / шум
Джиттер (под этим словом имеется ввиду дрожание фронтов) во временной области вызывает ошибки выборки в аналого-цифровых преобразователях, также влияет на отношение сигнал / шум (SNR) и результаты последующего анализа сигналов в частотной области с использованием быстрого преобразования Фурье (FFT).
Фазовый шум и джиттер всегда являются важным критерием выбора в усовершенствованном проектировании и должны учитываться при оценке ошибок. Обратите внимание, что существует множество типов джиттера, включая абсолютный, межцикловый, фазовый, долговременный и периодический. Для фазового шума также существуют различные диапазоны и типы интеграции, включая белый и другие шумы.
Понимание специфики колебаний частоты и фазового шума в генераторе и того, как они влияют на производительность, часто может быть проблемой. Также важно иметь хорошее представление о различных определениях параметров, используемых производителями для количественной оценки характеристик генератора и оценки общей погрешности.
Различные конфигурации выхода генератора
Генераторы с несимметричным выходом проще в использовании, но они более чувствительны к шуму и обычно подходят только до нескольких сотен мегагерц. Среди типов выходов доступны следующие драйверы:
Дифференциальные выходы труднее использовать, но они обеспечивают лучшую производительность на высоких частотах, так как шум, общий для дифференциальных трактов, нейтрализуется. Типы дифференциальных выходов:
Форма выходного сигнала генератора может быть классической одночастотной синусоидальной волной или синусоидальной волной с обрезанными пиками. Чистый синус наименее подвержен дрожанию и колебаниям по сравнению с версией с ограничением компаратора, поскольку он добавляет шум и дрожание и, таким образом, ухудшает качество. А подрезанная синусоида похожа на прямоугольную волну и может быть напрямую введена в цифровую логику.
Усеченная синусоида имеет форму прямоугольной волны с небольшим дрожанием или фазовым шумом
Напряжение и ток питания: потребление энергии значительно снизилось в последние годы, напряжение питания становится ниже, что соответствует потребностям современных устройств с батарейным питанием. Большинство генераторов могут работать с напряжением питания 1,8, 2,5, 3,0 и 3,3 В.
Размер корпуса: корпуса генератора также становятся меньше. Многие производители сохраняют стандартные размеры для версии с несимметричным выходом (для которой требуется только четыре контакта), в то время как версии с дифференциальным выходом имеют шесть контактов и, следовательно, более крупные корпуса с размерами: 1612 1,6 х 1,2 мм, 2016 2,0 х 1,6 мм, 2520 2,5 х 2,0 мм, 3225 3,2 х 2,5 мм, 5032 5,0 х 3,2 мм, 7050 7,0 х 5,0 мм.
Диапазон температур. Наибольшее влияние на работу генераторов оказывает температура. Даже если потребляемая мощность мала и самонагревание практически незначительно, температура окружающей среды влияет на рабочую частоту, поскольку эти изменения влияют на механические размеры и силы механического напряжения в кристалле кварца. Важно проверить работу выбранного генератора на крайних значениях ожидаемых диапазонов.
Кварцы TCXO имеют более сложную конструкцию по сравнению с базовой версией, но потребляют значительно меньше энергии, чем OCXO со встроенным нагревателем, который обычно требует нескольких ватт. Кроме того, TCXO лишь немного больше, чем некомпенсированный блок, и значительно меньше, чем OCXO.
Низкое энергопотребление в КГ
Чтобы свести к минимуму энергопотребление, многие генераторы допускают отключение. Например, ECS-5032MV с выходом CMOS в керамическом корпусе 5032. Дополнительный блокирующий контакт позволяет снизить ток питания с 35 мА в активном состоянии до 10 мкА в состоянии ожидания. Время запуска 5 мс.
Справочник по кварцевым генераторам
А здесь вы можете скачать PDF справочник по современным кварцевым генераторам, включая их характеристики и подробное описание.
Форум по обсуждению материала КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ SMD
Схема автоматического контроллера включения освещения в прихожей или во дворе. Основа: CD4001B и BT136-600D.
Схема усилителя и микрофона из пьезоэлемента, подходящая для сборки своими руками.
Самодельный 8-канальный PWM MOSFET LED Chaser на микроконтроллере 16F628A.
Кварцевый резонатор
Кварцевый резонатор — это радиоэлемент, который используется в радиотехнических цепях для генерации электрических колебаний. В этой статье мы подробно рассмотрим и развенчаем некоторые мифы, связанные с кварцевым резонатором, а также рассмотрим схемы на его основе.
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.
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.
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.
Кварцевый резонатор
Что представляет из себя кварцевый резонатор
В настоящее время выявлены множество видов кристаллических веществ, но в электронике больше всего используют именно минералы кварца, так как он помимо того, что является пьезоэлетриком, так еще и обладает хорошей механической прочностью.
Резонатор — (от лат. resono — звучу в ответ, откликаюсь) — это система, которая способна совершать колебания с максимальной амплитудой, то есть резонировать, при воздействии внешней силы определенной частоты и формы. Получается, кварцевый резонатор в электронике, а в народе просто «кварц», — это радиоэлемент, который способен резонировать, если на него подать переменный ток определенной частоты и формы.
Кварцевые резонаторы выглядят примерно так.
виды кварцевых резонаторов
Кварц является диэлектриком. А что будет если тонкий диэлектрик разместить между двумя металлическими пластинами? Получится конденсатор! Конденсатор получается очень маленькой емкости, так что замерить его емкость вряд ли получится. Зато не стали мудрить со схемотехническим обозначением кварца, и на схемах его показывают как прямоугольный кусочек кристалла, заключенный между двумя пластинками конденсатора.
Разобрав кварцевый резонатор, мы можем увидеть воочию сам кристалл кварца. Давайте вскроем кварц советского производства вот в таком корпусе.
Здесь мы видим прозрачный кристалл кварца, размещенный между двумя металлическими пластинками, к которым подпаяны выводы.
что внутри кварцевого резонатора
В маленьких кварцах типа этих
кварцевый резонатор
используются тонкие прямоугольные пластинки кварца. Физический размер и толщина кварцевой пластинки внутри кварцевого резонатора строго должна соблюдаться, так как именно ее габаритные размеры влияют на основную частоту колебаний. Здесь правило такое: чем больше толщина пластинки, тем ниже рабочая частота кварца. Поэтому, самые высокие частоты, на которые делают кварцы, составляет не более 50 МГц, так как пластинка получается очень тонкая, что создает трудности при ее изготовлении. Да и держать ее как-то надо в корпусе, не поломав. По идее, можно выжать из кварца частоту и до 200 МГц, но работать такой кварц будет на обертоне.
Обертоны кварцевого резонатора
Обертоны, или как еще их называют, моды или гармоники — это кратные частоты, выше основной частоты кварца. С помощью фильтров гасят основную частоту кварца и выделяют обертон. В кварцевом резонаторе в режиме обертонов используют нечетные обертоны. Если основная частота кварца F — это первый обертон, то его рабочие обертоны будут как 3F, 5F, 7F, 9F. Стоит также отметить, что амплитуда обертона убывает с ростом его частоты, поэтому, далее 9 обертона смысла брать уже нет, так как выделять амплитуду маленького сигнала очень проблематично.
Пример: возьмем кварц с частотой в 10 Мегагерц. Тогда мы можем возбудить его на обертонах в 30 Мегагерц (третий обертон), в 50 Мегагерц (пятый обертон), в 70 Мегагерц (седьмой обертон) и максимум в 90 Мегагерц (девятый обертон).
Чтобы хоть как-то понять, что такое обертоны, для примера послушайте основную частоту 110 Герц и ее обертоны.
Схема, которая возбуждает кварц на обертонах, сложная и не очень надежная, так как во-первых, надо «давить» главную частоту кварца и выделять обертон, а во-вторых, кварц может возбудиться в режиме случайных колебаний. На практике все-таки делают схемы с умножением главной частоты кварца, что намного проще и надежнее. Здесь также есть еще одно правило: если частота маркируется в целых числах в Килогерцах — это работа на основной гармонике, а если в Мегагерцах через запятую — это обертонная гармоника. Например: РГ-05-18000кГц — резонатор для работы на основной частоте, а РГ-05-27,465МГц — для работы на 3-ем обертоне.
Последовательный и параллельный резонанс кварца
Очень много мифов ходит по интернету именно о кварцевом резонаторе. Самый популярный миф гласит так: если подать постоянное напряжение на кварцевый резонатор, он будет выдавать переменное напряжение с частотой, которая на нем указана. Насчет «частоты, указанной на нем», я, может быть, соглашусь, но насчет постоянного напряжения — увы. Кристалл кварца просто сожмется или разожмется). Некоторые вообще до сих пор думают, что кварц сам по себе выдает переменный ток ). Ага, прям вечный двигатель).
Для того, чтобы понять принцип работы кварцевого резонатора, надо рассмотреть его эквивалентную схему:
эквивалентная схема кварцевого резонатора
С — это собственно емкость между обкладками конденсатора. То есть если убрать кристалл кварца, то останутся две пластины и их выводы. Именно они и обладают этой емкостью.
L1 — это эквивалентная индуктивность кристалла.
R1 — динамическое сопротивление, при работе кварца может достигать от нескольких Ом и до нескольких КОм
Можно заметить, что С1, L1 и R1 образуют последовательный колебательный контур, который обладает своей резонансной частотой.
Резонансная частота такого контура вычисляется по формуле
формула последовательного резонанса кварцевого резонатора
Но все бы хорошо, но как видите, есть еще в эквивалентной схеме кварцевого резонатора один увесистый конденсатор С, который портит всю малину.
Вся эта схема превращается в сложный параллельный колебательный контур. Резонансная частота такого контура уже будет определяться формулой
формула параллельного резонанса кварцевого резонатора
Поэтому, запомните: каждый кварцевый резонатор может возбуждаться на двух резонансных частотах. На частоте последовательного резонанса и на частоте параллельного резонанса. Если мы видим на кварце вот такую надпись
частота кварцевого резонатора
это говорит нам о том, что частота последовательного резонанса для этого кварцевого генератора составляет 8 МГц. Кварцевые резонаторы в электронике работают именно на частоте последовательного резонанса. На своей практике не припомню, чтобы кто-то возбуждал кварц для работы на частоте параллельного резонанса.
Часовой кварцевый резонатор
Чаще всего часовой кварц выглядит вот так.
Принцип работы этой микросхемы такой: после того, как она сосчитает 32 768 импульсов, на одной из ножек она выдает импульс. Этот импульс на ножке с кварцевым резонатором на 32 768 Герц появляется ровно один раз в секунду. А как вы помните, колебание один раз в секунду — это и есть 1 Герц. То есть на этой ножке импульс будет выдаваться с частотой в 1 Герц. А раз это так, то почему бы не использовать это в часах? Отсюда и пошло название — часовой кварц.
В настоящее время в наручных часах и других мобильных гаджетах этот счетчик и кварцевый резонатор встроены в одну микросхему и обеспечивают не только счет секунд, но и целый ряд других функций, типа будильника, календаря и тд. Такие микросхемы называется RTC (Real Time Clock) или в переводе с буржуйского Часы Реального Времени.
Кварцевый генератор
Что такое генератор? Генератор — это по сути устройство, которое преобразует один вид энергии в другой. В электронике очень часто можно услышать словосочетание «генератор электрической энергии, генератор частоты, генератор функций » и тд.
Кварцевый генератор представляет из себя генератор частоты и имеет в своем составе кварцевый резонатор. В основном кварцевые генераторы бывают двух видов:
те, которые могут выдавать синусоидальный сигнал
и те, которые выдают прямоугольный сигнал, который чаще всего используется в цифровой электронике.
Схема Пирса
Для того, чтобы возбудить кварц на частоте резонанса, нам надо собрать схему. Самая простая схема для возбуждения кварца — это классический генератор Пирса, который состоит всего лишь из одного полевого транзистора и небольшой обвязки из четырех радиоэлементов:
схема пирса для кварцевого резонатора
Пару слов о том как работает схема. В схеме есть положительная обратная связь и в ней начинают возникать автоколебания. Но что такое положительная обратная связь?
В школе всем вам ставили прививки на реакцию Манту, чтобы определить, если у вас тубик или нет. Через некоторое время приходили медсестры и линейкой замеряли вашу реакцию кожи на эту прививку
Когда ставили эту прививку, нельзя было чесать место укола. Но мне, тогда еще салаге, было по барабану. Как только я начинал тихонько чесать место укола, мне хотелось чесать еще больше)) И вот скорость руки, которая чесала прививку, у меня замерла на каком-то пике, потому что совершать колебания рукой у меня максимум получалось с частотой Герц в 15. Прививка набухала на пол руки)) И даже один раз меня водили сдавать кровь в подозрении на туберкулез, но как оказалось, не нашли. Оно и неудивительно ;-).
Так что это я вам тут рассказываю хохмы из жизни? Дело в том, что эта чесотка прививки самая что ни на есть положительная обратная связь. То есть пока я ее не трогал, чесать не хотелось. Но как только тихонько почесал, стало чесаться больше и я стал чесать больше, и чесаться стало еще больше и тд. Если бы на мою руку не было физический ограничений, то наверняка, место прививки уже бы стерлось до мяса. Но я мог махать рукой только с какой-то максимальной частотой. Так вот, такой же принцип и у кварцевого генератора ;-). Чуть подал импульс, и он начинает разгоняться и уже останавливается только на частоте параллельного резонанса ;-). Скажем так, «физическое ограничение».
Первым делом нам надо подобрать катушку индуктивности. Я взял тороидальный сердечник и намотал из провода МГТФ несколько витков
тороидальная катушка индуктивности
Весь процесс контролировал с помощью LC-метра, добиваясь номинала, как на схеме — 2,5 мГн. Если не доставало, прибавлял витки, если перебарщивал номинал, то убавлял. В результате добился вот такой индуктивности.
измерение индуктивности
Транзистора у меня в загашнике не нашлось, и в местном радиомагазине его тоже не было. Поэтому, пришлось заказывать на Али. Кому интересно, брал здесь.
транзистор 2n5485 Распиновка слева-направо: Сток — Исток — Затвор
Ну а дальше дело за малым. Собираем схемку:
Небольшое лирическое отступление.
Как вы видите, я пытался максимально сократить связи между радиоэлементами. Дело все в том, что все радиоэлементы имеют свои паразитные параметры. Чем длиннее их выводы, а также провода, соединяющие эти радиоэлементы в схеме, тем хуже будет работать схема, а то и вовсе «не зафурычит». Да и вообще, схемы с кварцевым резонатором на печатных платах трассируют не просто так от балды. Здесь есть свои тонкие нюансы. Мельчайшие паразитные параметры могут испоганить весь сигнал на выходе такого генератора.
Итак, кварцевый генератор мы собрали, напряжение подали, осталось только снять сигнал с выхода нашего самопального генератора. За дело берется цифровой осциллограф OWON SDS6062
Первым делом я взял кварц на самую большую частоту, которая у меня есть: 32 768 Мегагерц. Не путайте его с часовым кварцем (о нем пойдет речь ниже).
Не, ну а что вы хотели? Хотели увидеть идеальную синусоиду? Не тут-то было. Сказались паразитные параметры плохо собранной схемы и монтажа.
Внизу в левом углу осциллограф нам показывает частоту:
Как вы видите 32,77 Мегагерц. Главное, что наш кварц живой и схемка работает!
Давайте возьмем кварц с частотой 27 МГц.
Частоту тоже более-менее показал верно.
Ну и аналогично проверяем все остальные кварцы, которые у меня есть.
Вот осциллограмма кварца на 16 МГц.
Осциллограф показал частоту ровно 16 МГц.
Ну и возьмем еще советский на 1 Мегагерц. Вот так он выглядит.
Сверху написано 1000 КГц = 1МГц.
При большом желании можно даже замерять частоту китайским генератором-частотомером.
измерение частоты частотомером
400 Герц погрешность для старенького советского кварца не очень и много, хотя дело может быть даже не кварце, а в самом частотомере.
Схема Пирса для прямоугольного сигнала
Итак, вернемся к схеме Пирса. Предыдущая схема Пирса генерирует синусоидальный сигнал
Но также есть видоизмененная схема Пирса для прямоугольного сигнала
схема Пирса для меандра
Номиналы некоторых радиоэлементов можно менять в достаточно широком диапазоне. Например, конденсаторы С1 и С2 могут быть в диапазоне от 10 и до 100 пФ. Тут правило такое: чем меньше частота кварца, тем меньше должна быть емкость конденсатора. Для часовых кварцев конденсаторы можно поставить номиналом в 15-18 пФ. Если кварц с частотой от 1 до 10 Мегагерц, то можно поставить 22-56 пФ. Если не хотите заморачиваться, то просто поставьте конденсаторы емкостью в 22 пФ. Точно не прогадаете.
Также небольшая фишка на заметку: меняя значение конденсатора С1 можно настраивать частоту резонанса в очень тонких пределах.
Резистор R1 можно менять от 1 и до 20 МОм, а R2 от нуля и до 100 кОм. Тут тоже есть правило: чем меньше частота кварца, тем больше значение этих резисторов и наоборот.
Максимальная частота кварца, которую можно вставить в схему, зависит от быстродействия инвертора КМОП. Я взял микросхему 74HC04. Она не слишком быстродействующая. Состоит из шести инверторов, но использовать мы будем только один инвертор.
Подключив к этой схеме часовой кварц, осциллограф выдал вот такую осциллограмму:
Ну как всегда всю картинку испортили паразитные параметры монтажа. Но, обратите внимание на частоту. Осциллограф почти верно ее показал с небольшой погрешностью. Ну оно и понятно, так как главная функция осциллографа отображать сигнал, а не считать частоту)
Кстати, вам эта часть схемы ничего не напоминает?
Не эта ли часть схемы используется для тактирования микроконтроллеров?
Она самая! Просто недостающие элементы схемы уже есть в самом МК 😉
Схема Колпитца
Это также довольно распространенная и знаменитая схема.
За основу взять схема усилителя с общим коллектором (эмиттерный повторитель). Здесь все как обычно. Резисторы R1 и R2 устанавливают рабочую точку для транзистора. Резистор RE устанавливает уровень выходного напряжения. Транзистор NPN 2N4265 может работать на частотах до 100 МГц, поэтому его и взяли. Эта схема будет работать с кварцами в диапазоне от 1 и до 5 МГц.
Готовые модули кварцевых генераторов
виды кварцевых генераторов
Такие модули кварцевых генераторов в основном имеют 4 вывода. Вот распиновка квадратного кварцевого генератора:
распиновка кварцевого генератора
Давайте проверим один из них. На нем написано 1 МГц
кварцевый генератор на 1 МГц
Подавая постоянное напряжение от 3,3 и до 5 Вольт плюсом на 8, а минусом на 4, с выхода 5 я получил чистый ровный красивый меандр с частотой, написанной на кварцевом генераторе, то бишь 1 Мегагерц, с очень небольшими выбросами.
сигнал с кварцевого генератора
Ну прям можно залюбоваться).
Да и китайский генератор-частотомер показал точную частоту.
Отсюда делаем вывод: лучше купить готовый кварцевый генератор, чем самому убивать кучу времени и нервов на наладку схемы Пирса или Колпитца. Схема Пирса будет пригодна для проверки резонаторов и для ваших различных самоделок, хотя на Алиэкспрессе встречал готовый проверяльщик кварцевых резонаторов, способный замерять частоту кварцев от 1 и до 50 МГц. Посмотреть можете по этой ссылке.
Плюсы кварцевых генераторов
Смотрите подробное видео про кварцевый резонатор: