Kvartsiresonaattori - rakenne, toimintaperiaate, miten tarkistetaan

Nykyaikainen digitaalitekniikka vaatii suurta tarkkuutta, joten ei ole yllättävää, että melkein kaikissa digitaalisissa laitteissa, jotka eivät kiinnittäisi nykyään keskivertomiehen huomiota, on kvartsiresonaattori sisällä.

Eri taajuuksille tarkoitettu kvartsresonaattori on tarpeen luotettavana ja vakaana harmonisen värähtelyn lähteenä, jotta digitaalinen mikro-ohjain voisi luottaa referenssitaajuuteen ja toimia sen kanssa tulevaisuudessa, digitaalisen laitteen käytön aikana. Siksi kvartsresonaattori on luotettava korvaava värähtelevälle LC-piirille.

Jos tarkastellaan yksinkertaista värähtelypiiriä, joka koostuu kondensaattori ja IC, tulee nopeasti selväksi, että tällaisen piirin piiritekijä ei ylitä 300: ta, lisäksi kondensaattorin kapasitanssi kelluu ympäristön lämpötilasta riippuen, sama tapahtuu induktanssilla.

Ei ole turhaa, että kondensaattoreilla ja kelailla on sellaiset parametrit kuin TKE - kapasitanssin lämpötilakerroin ja TKI - induktanssin lämpötilakerroin, mikä osoittaa, kuinka paljon näiden komponenttien pääparametrit muuttuvat lämpötilansa kanssa.

Toisin kuin värähtelevät piirit, kvartsipohjaisilla resonaattoreilla on oskillaattoripiireille saavuttamaton Q-tekijä, joka voidaan mitata arvoilla 10 000 - 10 000 000, ja kvartsresonaattorien lämpötilavakaus ei ole kysymys, koska taajuus pysyy vakiona missä tahansa lämpötilassa, yleensä välillä - 40 ° C - + 70 ° C.

Joten korkean lämpötilan vakaus- ja laatutekijän takia kvartsresonaattoreita käytetään kaikkialla radiotekniikassa ja digitaalisessa elektroniikassa.

Tehtävä mikrokontrolleri tai prosessori kellotaajuudella, hän tarvitsee aina kellon generaattorin, johon hän voi luotettavasti luottaa, ja tämä generaattori tarvitsee aina korkean taajuuden ja tarkkuuden. Täällä kvartsiresonaattori tulee pelastamaan. Tietenkin joissain sovelluksissa voidaan jättää pietsosähköisiä resonaattoreita, joiden laatutekijä on 1000, ja tällaiset resonaattorit riittävät elektronisiin leluihin ja kotitalousradioihin, mutta tarkempien laitteiden kannalta tarvitaan kvartsia.

Kvartsiresonaattorin perusta on pietsosähköinen vaikutussyntyy kvartsilevyllä. Kvartsi on piidioksidin SiO2 polymorfinen modifikaatio, ja sitä esiintyy luonnossa kiteiden ja kivien muodossa. Maan kvartsikuoressa vapaassa muodossa on noin 12%, lisäksi seoksina muut mineraalit sisältävät myös kvartsia ja yleensä yli 60% kvartsia maakuoressa (massaosuus).

Resonaattoreiden luomiseksi sopii matalan lämpötilan kvartsi, jolla on selkeät pietsosähköiset ominaisuudet. Kemiallisesti kvartsi on erittäin stabiili ja se voidaan liuottaa vain fluorivetyhappoon. Kvartsi on kovempaa parempi kuin opaali, mutta ei saavuta timanttia.

Kvartsilevyä valmistettaessa kappale leikataan kvartsikiteestä tiukasti määriteltyyn kulmaan. Leikkauskulmasta riippuen tuloksena oleva kvartsilevy eroaa sähkömekaanisista ominaisuuksistaan.

Paljon riippuu leikkauksen tyypistä: taajuus, lämpötilan stabiilisuus, resonanssistabiilisuus ja väärien resonanssitaajuuksien puuttuminen tai esiintyminen. Sitten levylle levitetään molemmille puolille kerros metallikerrosta, joka voi olla nikkeli, platina, hopea tai kulta, minkä jälkeen levy kiinnitetään kovilla langoilla kvartsiresonaattorin kotelon pohjaan. Viimeinen vaihe - kotelo on koottu ilmatiiviisti.

Siten saadaan värähtelyjärjestelmä, jolla on oma resonanssitaajuus, ja tällä tavalla saadulla kvartsresonaattorilla on oma resonanssitaajuus, joka määritetään sähkömekaanisilla parametreilla.

Nyt, jos tietyn resonanssitaajuuden vaihtojännite johdetaan muovin metallielektrodeihin, ilmenee resonanssi-ilmiö, ja levyn harmonisten värähtelyjen amplitudi kasvaa erittäin merkittävästi. Tässä tapauksessa resonaattorin vastus vähenee merkittävästi, ts. Prosessi on samanlainen kuin mitä tapahtuu peräkkäisessä oskillaatiopiirissä. Tällaisen "värähtelevän piirin" korkean laatutekijän vuoksi energiahäviö sen virityksen aikana resonanssitaajuudella on vähäinen.

Vastaavalla piirillä: C2 on pidikkeillä varustettujen levyjen staattinen sähkökapasiteetti, L on induktanssi, C1 on kapasitanssi, R on vastus, mikä heijastaa asennetun kvartsilevyn sähkömekaanisia ominaisuuksia. Jos poistat kiinnityselementit, LC-piiri pysyy tasaisena.

Asennettaessa piirilevylle kvartsresonaattoria ei voida ylikuumentaa, koska sen rakenne on melko hauras, ja ylikuumeneminen voi johtaa elektrodien ja pidikkeen muodonmuutoksiin, mikä varmasti vaikuttaa resonaattorin toimintaan valmiissa laitteessa. Jos kvartsia lämmitetään 5730 ° C: seen, se menettää pietsosähköiset ominaisuutensa, mutta onneksi elementtiä on mahdotonta lämmittää juotosraudalla sellaiseen lämpötilaan.

Kvartsiresonaattorin merkintä kaaviossa on samanlainen kuin kondensaattorin nimeäminen, jossa on suorakulmio levyjen välillä (kvartsilevy) ja merkinnällä "ZQ" tai "Z".

Usein kvartsiresonaattorin vaurioitumisen syy on putoaminen tai sen laitteen voimakas isku, johon se on asennettu, ja sitten on tarpeen korvata resonaattori uudella, jolla on sama resonanssitaajuus. Tällainen vaurio on ominaista pienille laitteille, jotka on helppo pudottaa. Tilastojen mukaan tällainen kvartsiresonaattorien vaurioituminen on kuitenkin erittäin harvinaista, ja laitteen toimintahäiriöt johtuvat useammin toisesta syystä.

Kvartsiresonaattorin käytettävyyden tarkistamiseksi voit koota pienen anturin, joka auttaa paitsi tarkistamaan resonaattorin toimivuuden myös näkemään sen resonanssitaajuuden. Koetinpiiri on tyypillinen kideoskillaattoripiiri, joka käyttää yhtä transistoria.

Kytkemällä resonaattori pohjan ja miinus: n välille (se on mahdollista suojakondensaattorin kautta, jos resonaattorissa on oikosulku), jää jäljelle resonanssitaajuuden mittaus taajuusmittarilla. Tämä piiri soveltuu myös värähtelevien piirien esiasetusta varten.

Kun piiri kytketään päälle, terve resonaattori myötävaikuttaa värähtelyjen muodostumiseen, ja transistorin emitterissä voidaan havaita vaihtojännite, jonka taajuus vastaa testatun kvartsiresonaattorin perusresonanssitaajuutta.

Yhdistämällä taajuusmittari koettimen ulostuloon käyttäjä voi tarkkailla tätä resonanssitaajuutta. Jos taajuus on vakaa, jos resonaattorin pieni kuumennus korotetulla juotosraudalla ei johda taajuuden voimakkaaseen siirtymiseen, niin resonaattori on hyvässä kunnossa. Jos generaatiota ei tapahdu tai taajuus kelluu tai se osoittautuu täysin erilaiseksi kuin sen pitäisi olla testatulle komponentille, resonaattori on viallinen ja se tulisi vaihtaa.

Tämä koetin on myös kätevä värähtelevien piirien esiasetusta varten, tässä tapauksessa tarvitaan kondensaattoria C1, vaikka se voidaan jättää pois piiristä resonaattoreita tarkistettaessa. Piiri kytketään yksinkertaisesti resonaattorin sijasta ja piiri alkaa tuottaa värähtelyjä samalla tavalla.

Annetun piirin mukaan koottu näytteenottaja toimii ihanasti taajuuksilla 15 - 20 MHz. Muiden alueiden kohdalla voit aina etsiä piirejä Internetistä, koska niitä on paljon, sekä erillisissä komponenteissa että mikrosirissä.