Rezonator cuarț - structură, principiul funcționării, modul de verificare

Tehnologia digitală modernă necesită o precizie ridicată, așa că nu este surprinzător faptul că aproape orice dispozitiv digital, care nu ar atrage atenția omului obișnuit astăzi, conține un rezonator de cuarț în interior.

Resoanele de cuarț pentru diferite frecvențe sunt necesare ca surse fiabile și stabile de oscilații armonice, astfel încât microcontrolerul digital să se poată baza pe frecvența de referință și să funcționeze cu aceasta în viitor, în timpul funcționării dispozitivului digital. Astfel, un rezonator de cuarț este un înlocuitor fiabil pentru un circuit LC oscilator.

Dacă avem în vedere un circuit oscilator simplu, format din condensator și inductor, devine rapid clar că factorul de calitate al unui astfel de circuit în circuit nu va depăși 300, în plus, capacitatea condensatorului va pluti în funcție de temperatura ambiantă, același lucru se va întâmpla cu inductanța.

Nu degeaba condensatorii și bobinele au parametri precum TKE - coeficient de capacitate de temperatură și TKI - coeficient de temperatură de inductanță, care arată cât de mult se schimbă parametrii principali ai acestor componente cu temperatura lor.

Spre deosebire de circuitele oscilatorii, rezonanții pe bază de cuarț au un factor Q de neatins pentru circuitele oscilatorii, care poate fi măsurat cu valori cuprinse între 10.000 și 10.000.000, iar stabilitatea temperaturii rezonatorilor de cuarț este în afara problemei, deoarece frecvența rămâne constantă la orice temperatură, de obicei din intervalul de la - 40 ° C până la + 70 ° C.

Așadar, datorită stabilității temperaturii ridicate și a factorului de calitate, rezonanțele de cuarț sunt utilizate peste tot în inginerie radio și electronică digitală.

Pentru repartizare microcontroler sau procesor frecvența de ceas, el are întotdeauna nevoie de un generator de ceas, pe care s-ar putea baza în mod fiabil, iar acest generator are întotdeauna nevoie de unul de înaltă frecvență și de înaltă precizie. Aici rezonatorul de cuart vine la salvare. Desigur, în unele aplicații, se pot dispensa rezonatoare piezoelectrice cu un factor de calitate de 1000, iar astfel de rezonanți sunt suficiente pentru jucăriile electronice și radiourile casnice, dar cuarțul este necesar pentru dispozitive mai precise.

Baza rezonatorului de cuarț este efect piezoelectricapărute pe o placă de cuarț. Cuarțul este o modificare polimorfă a dioxidului de siliciu SiO2 și se găsește în natură sub formă de cristale și pietricele. Forma liberă în crusta pământului de cuarț este de aproximativ 12%, în plus, sub formă de amestecuri, alte minerale conțin și cuarț, și, în general, mai mult de 60% cuarț în scoarța terestră (fracția de masă).

Pentru a crea rezonatori, este potrivit un cuarț la temperaturi joase, care are proprietăți piezoelectrice pronunțate. Chimic, cuarțul este foarte stabil și nu poate fi dizolvat decât în ​​acidul clorhidric. Cuarțul este superior în duritate la opal, dar nu atinge diamantul.

La fabricarea unei plăci de cuarț, o bucată este tăiată dintr-un cristal de cuarț într-un unghi strict specificat. În funcție de unghiul de tăiere, placa de cuarț rezultată va diferi prin proprietățile sale electromecanice.

Depinde mult de tipul tăieturii: frecvență, stabilitate la temperatură, stabilitate prin rezonanță și absența sau prezența frecvențelor rezonante spuroase. Apoi, pe placa de pe ambele părți se aplică un strat de metal, care poate fi nichel, platină, argint sau aur, după care placa este fixată cu fire dure la baza carcasei rezonatorului de cuarț. Ultimul pas este asamblarea ermetică a carcasei.

Astfel, se obține un sistem oscilator cu frecvență rezonantă proprie, iar rezonatorul de cuarț obținut în acest fel are propria frecvență rezonantă determinată de parametrii electromecanici.

Acum, dacă se aplică o tensiune alternativă cu o frecvență rezonantă dată la electrozii metalici ai plasticului, va apărea un fenomen de rezonanță, iar amplitudinea oscilațiilor armonice ale plăcii va crește foarte semnificativ. În acest caz, rezistența rezonatorului scade semnificativ, adică procesul este similar cu ceea ce se întâmplă într-un circuit oscilator secvențial. Datorită factorului de calitate ridicat al unui astfel de „circuit oscilator”, pierderea de energie în timpul excitării sale la frecvența de rezonanță este neglijabilă.

Pe un circuit echivalent: C2 este capacitatea electrică statică a plăcilor cu suporturi, L este inductanța, C1 este capacitatea, R este rezistența, reflectând proprietățile electromecanice ale plăcii de cuarț instalate. Dacă îndepărtați elementele de montare, rămâne un circuit LC consistent.

În timpul instalării pe o placă de circuit imprimat, un rezonator de cuarț nu poate fi supraîncălzit, deoarece designul său este destul de fragil, iar supraîncălzirea poate duce la deformarea electrozilor și a suportului, ceea ce va afecta cu siguranță funcționarea rezonatorului în dispozitivul finisat. Dacă cuarțul este încălzit la 5730 ° C, își va pierde complet proprietățile piezoelectrice, dar, din fericire, este imposibil de încălzit un element cu un fier de lipit la o astfel de temperatură.

Desemnarea rezonatorului de cuarț din diagramă este similară cu desemnarea unui condensator cu un dreptunghi între plăci (placă de cuarț) și cu inscripția „ZQ” sau „Z”.

Adesea, cauza deteriorării rezonatorului de cuarț este o cădere sau un impact puternic al dispozitivului în care este instalat și atunci este necesar să înlocuiți rezonatorul cu unul nou cu aceeași frecvență rezonantă. O astfel de deteriorare este inerentă dispozitivelor de dimensiuni mici, ușor de scăzut. Cu toate acestea, conform statisticilor, o astfel de deteriorare a rezonatorilor de cuarț este extrem de rară, și mai des funcționarea defectuoasă a dispozitivului este cauzată de un motiv diferit.

Pentru a verifica rezonanța de cuarț pentru funcționare, puteți asambla o mică sondă care va ajuta nu numai să verifice operativitatea rezonatorului, dar și să vadă frecvența sa rezonantă. Circuitul sondei este un circuit tip oscilator de cristal care folosește un tranzistor unic.

Pornind rezonatorul între bază și minus (este posibil printr-un condensator de protecție în cazul unui scurtcircuit în rezonator), rămâne să măsurați frecvența rezonantă cu un contor de frecvență. Acest circuit este potrivit și pentru pre-setarea circuitelor oscilatorii.

Când circuitul este pornit, un rezonator sănătos va contribui la generarea de oscilații și se poate observa o tensiune alternativă pe emițătorul tranzistorului, a cărei frecvență va corespunde frecvenței rezonante fundamentale a rezonatorului de cuarț testat.

Prin conectarea unui contor de frecvență la ieșirea sondei, utilizatorul va putea observa această frecvență rezonantă. Dacă frecvența este stabilă, dacă o încălzire ușoară a rezonatorului cu fier de lipit nu duce la o derivă puternică a frecvenței, atunci rezonatorul este în stare bună. Dacă nu există nicio generație, sau frecvența va pluti sau se va dovedi a fi complet diferită decât ar trebui să fie pentru componenta testată, atunci rezonatorul este defect și ar trebui înlocuit.

Această sondă este convenabilă și pentru pre-setarea circuitelor oscilatorii, în acest caz condensatorul C1 este necesar, deși poate fi exclus din circuit la verificarea rezonanților. Circuitul este conectat pur și simplu în locul rezonatorului, iar circuitul începe să genereze oscilații într-un mod similar.

Samplerul asamblat conform circuitului dat funcționează de minune la frecvențe de la 15 la 20 MHz. Pentru alte intervale, puteți căuta circuite pe Internet întrucât există multe dintre ele, atât pe componente discrete, cât și pe un microcircuit.