Чем отличается кварцевый резонатор от кварцевого генератора

Кварцевый резонатор и кварцевый генератор

Кварц — это один из самых распространенных минералов в земной коре. Его доля составляет около 60%. Кварц состоит из кремния, но в связке с кислородом. Его формула SiO₂.

Рис. 1 — Кристаллы кварца

Еще в XIX веке, два брата Кюри обнаружили интересное свойство некоторых твердых кристаллов генерировать ЭДС при сжатии или растяжении такого вещества. Но существует и обратный эффект, то есть при подаче напряжения мы можем или растянуть вещество, либо сжать. На самом же деле, невооруженным глазом это практически не заметно. Такой эффект называется пьезоэффектом. А такие вещества называются пьезоэлектриками.

Рис. 2 — Пьезоэффект

ЭДС в пьезоэлектриках возникает только в процессе сжатия или растяжения.

Кристаллы кварца тоже обладают пьезоэффектом и способны также вырабатывать ЭДС или деформироваться (изгибаться, изменять форму) под воздействием электрического тока.

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. 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.

Рис. 3 — Кварцевые резонаторы

Разобрав кварцевый резонатор, можно увидеть сам кристалл кварца.

Рис. 4 — Прозрачный кристалл кварца, размещенный между двумя металлическими пластинами

В маленьких кварцах используются тонкие прямоугольные пластинки кварца.

Здесь правило такое: чем больше толщина пластинки, тем ниже рабочая частота кварца. Поэтому самые большие 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. Можно выжать из кварца частоту и до 200 МГц, но работать такой кварц будет на обертоне.

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 обертоновую. 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 МГц. Тогда мы можем возбудить его на обертонах в 30 МГц (третий обертон), в 50 МГц (пятый обертон), в 70 МГц (седьмой обертон) и на крайняк, в 90 МГц (девятый обертон).

Схема, которая возбуждает кварц на обертонах, сложная и не очень надежная, так как во-первых, надо «давить» главную частоту кварца и выделять обертоновую, 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.

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. Поэтому на схемах его показывают как прямоугольный кусочек кристалла, заключенного между двумя пластинками конденсатора (рис. 5).

Рис. 5 — Условное графическое обозначение кварцового резонатора

Очень много мифов ходит по интернету именно о кварцевом резонаторе. Самый ходовый миф гласит так: если подать постоянное напряжение на кварцевый резонатор, он будет выдавать переменное напряжение с частотой, указанной на нем. Кристалл кварца просто сожмется или разожмется. Некоторые вообще до сих пор думают, что кварц сам по себе выдает переменный ток.

Для того, чтобы понять принцип работы кварцевого резонатора, надо рассмотреть его эквивалентную схему.

Рис. 6 — Эквивалентная схема кварцового 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.

С1 — это динамическая емкость самого кристалла. Динамическая — это значит проявляется при работе кварца. Ее значение несколько фемтоФарад. Фемто — это 10 -15 !

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

Каждый кварц имеет разные частоты последовательного и параллельного резонанса. Понятие слова «возбуждение» в данном случае говорит о том, что мы из кварца и некоторых радиодеталек делаем схемку, с помощью которой получаем частоту от кварца, которая на нем написана.

Рис. 7 — Маркировка частоты последовательного резонанса кварцового резонатора

Это говорит нам о том, что на частоте последовательного резонанса мы можем возбудить этот кварц на частоте 8 МГц.

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 обертоновая гармоника.

РГ-05-18000кГц — резонатор для работы на основной частоте,

РГ-05-27,465МГц — для работы на 3-ем обертоне.

Кварцевый генератор

Что такое генератор? Генератор — это по сути устройство, которое что-то производит. 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. Теперь, думаю, не будете путать кварцевый резонатор с генератором. В основном кварцевые генераторы бывают двух видов: те, которые могут выдавать синусоидальный сигнал и те, которые выдают прямоугольный сигнал. Чаще всего используется последний.

Рис. 8 — Синусоидальный сигнал

Рис. 9 — Прямоугольный сигнал

Принцип работы кварцевого генератора такой: кристалл кварцевого резонатора заставляют вибрировать, прикладывая к нему переменное напряжение. Амплитуда таких колебаний достигает максимума при совпадении частоты приложенного переменного напряжения с резонансной частотой кварцевого резонатора.

Плюсы кварцевых генераторов частоты — это высокая частотная стабильность. В основном это 10 -5 — 10 -6 от номинала или, как часто говорят, ppm (от англ. parts per million) — частей на миллион, то есть одна миллионная или числом 10 -6 . Отклонение частоты в ту или иную сторону в кварцевом генераторе в основном связано с изменением температуры окружающей среды, а также со старением кварца. При старении кварца, частота кварцевого генератора стает чуточку меньше с каждым годом примерно на 1,8х10 -7 от номинала. Если, скажем, я взял кварц с частотой в 10 МегаГерц ( 10 000 000 Герц) и поставил его в схему, то за год его частота уйдет примерно на 2 Герца в минус.

В настоящее время кварцевые генераторы выпускают в виде законченных модулей. Некоторые фирмы, производящие такие генераторы, достигают частотной стабильности до 10 -11 от номинала!

Рис. 10 — Модули кварцевых генераторов

Такие модули кварцевых генераторов в основном имеют 4 вывода.

Рис. 11 — Распиновка квадратного кварцевого генератора

Кварцевый резонатор	Кварцевый генератор

Рис. 12 — Кварцевый резонатор и кварцевый генератор

Разновидности кварцевых резонаторов

По типу корпуса:

• Для объемной установки (цилиндрические и стандартные).
• Для поверхностного монтажа.

По материалу корпуса:

• Металлические.
• Стеклянные.
• Пластиковые.

По форме корпуса:

• Круглые.
• Прямоугольные.
• Цилиндрические.
• Плоские.

По количеству резонансных систем:

• Одинарные.
• Двойные.

По защите корпуса:

• Герметичные.
• Негерметизированные.
• Вакуумные.

По назначению:

• Фильтровые.
• Генераторные.

Важным свойством кварцевых резонаторов для успешной работы является их активность. Но она не определяется только собственными свойствами. Вся электрическая схема влияет на его активность.

В резонаторах, используемых в фильтрах, применяются такие же виды колебаний, как и в генераторных резонаторах. В фильтрах используются 2-х и 4-х электродные вакуумные резонаторы. В многозвенных фильтрах чаще всего применяются 4-х электродные модели, так как они более экономичные.

Как проверить кварцевые резонаторы

Для проверки резонатора на его работоспособность, собирают специальный простой тестер, помогающий проверить кроме работы резонатора, еще и его частоту резонанса. Схема такого устройства похожа на кварцевый генератор, собранный на транзисторе.

Рис. 13 — Схема для проверки кварцевого резонатора

Подключив резонатор между отрицательным полюсом и базой транзистора через защитный конденсатор, с помощью частотомера измеряют частоту резонанса. Такая схема подходит для настройки контуров колебаний. При включенной схеме исправный резонатор создает колебания. В результате на эмиттере транзистора возникает переменное напряжение с частотой резонанса тестируемого резонатора.

Если к выходу тестера подключить частотомер, то можно измерить частоту резонанса. При стабильной частоте и небольшом нагревании корпуса резонатора паяльником частота не должна значительно изменяться. Если частотомер не обнаруживает возникновение частоты, либо она сильно изменяется или имеет большие отличия от номинала, то резонатор негоден и требует замены.

При использовании такого тестера для настройки контуров, емкость С1 обязательна. Но при проверке исправности резонаторов ее присутствие в схеме не требуется. При этом колебательный контур просто подсоединяют на место кварцевого резонатора и тестер начинает создавать колебания таким же образом.

Тестер, выполненный по рассмотренной схеме, хорошо зарекомендовал себя на частоте 15-20 МГц. Для других интервалов можно найти другие схемы, собранные на микросхемах и других компонентах.

Сфера применения

Благодаря стабильности параметров кварцевых резонаторов, они нашли широкое использование в различных областях.

• Многие измерительные устройства работают на основе таких резонаторов, при этом точность измерений очень высока.
• Пьезокварцевая пластина применяется в качестве резонатора в морском эхолоте для выявления объектов, расположенных в воде, исследования дна моря, определения нахождения отмелей и рифов. Это дает возможность изучения жизни в океане в глубоководных районах, а также создания точных карт морского дна.
• Кварцевые резонаторы нашли широкую популярность в кварцевых часах, так как частота колебаний кварцевой пластины практически не зависит от температуры, и имеет малое относительное изменение частоты.

Кварцевые резонаторы расширяют свою сферу использования, потребность в них постоянно увеличивается, так как они обладают повышенными метрологическими параметрами, эффективностью работы.

Источники

Электроника © ЦДЮТТ • Марсель Арасланов • 2019

Чем отличается кварцевый резонатор от кварцевого генератора

Текущее время: Пн фев 05, 2024 07:40:11

Часовой пояс: UTC + 3 часа

Запрошенной темы не существует.

Часовой пояс: UTC + 3 часа

Powered by phpBB © 2000, 2002, 2005, 2007 phpBB Group
Русская поддержка phpBB
Extended by Karma MOD © 2007—2012 m157y
Extended by Topic Tags MOD © 2012 m157y

Работоспособность сайта проверена в браузерах:
IE8.0, Opera 9.0, Netscape Navigator 7.0, Mozilla Firefox 5.0
Адаптирован для работы при разрешениях экрана от 1280х1024 и выше.
При меньших разрешениях возможно появление горизонтальной прокрутки.
По всем вопросам обращайтесь к Коту: kot@radiokot.ru
©2005-2024

Чем отличаются кварцевый генератор и резонатор?

Братья Пьер и Жак Кюри еще в девятнадцатом веке открыли интересную особенность некоторых твердых кристаллов, например кварца. Она заключается в их способности вырабатывать электродвижущую силу при сжатии или напряжении, и наоборот, изменять свои размеры под действием электрического тока. Эта особенность известна под термином «пьезоэффект» и применяется во многих областях науки и техники. На ее основе построены и многие электронные компоненты современных цифровых и радиоприборов.

Немного об устройстве кварцевых генераторов и резонаторов

Эти элементы имеют широкое применение в системах:

• передачи информации;
• навигации;
• радиолокации;
• связи;
• телеметрии;
• вычислительной техники.

В них они служат источниками импульсов с высокой степенью стабильности, обеспечиваемой использованием в качестве резонатора кристалла кварца, от чего и получили свое название. Частота колебаний зависит от его размеров, формы, упругости, а также величины «пьезоэлектрической постоянной».

Электронный компонент состоит из кристалла, помещенного между двумя металлическими пластинами. Частота излучения импульсов имеет прямую зависимость от толщины кварцевой прослойки: чем она больше, тем ниже показатель.

На основе такого резонатора строится работа еще одного электронного устройства – генератора. Он, в свою очередь, способен производить различного вида колебания определенной частоты. При этом для подстройки кварцевого генератора в схему добавляется несколько элементов в виде пары конденсаторов, инвертора и резистора. Для получения различной частоты их параметры можно изменять, благодаря чему рабочие колебания способны находиться в диапазоне от 10 килогерц до 1 МГц. Таким образом, кварцевый резонатор является основным элементом одноименного генератора.

Последний способен выдавать два вида сигнала: синусоидальный и прямоугольный, причем чаще всего используется последний. А его стабильная частота требуется для работы многих более сложных радиотехнических и электронных устройств. Именно ее использование обеспечивает различным микропроцессорным узлам надежность и устойчивость работы.

Чем отличается кварцевый резонатор от кварцевого генератора

Что такое кварцевый генератор, как его можно изобразить схематически, каковы его слабые и сильные стороны? Господство кварцевых часов на рынке заставляет нас забывать об этих элементарных, но чрезвычайно важных вопросах .

Туманная личность

Сегодня узнать время нам помогают сотни самых разных приборов. Но как бы ни назывался такой прибор, какую бы фор­му и размеры он ни имел, с вероятностью 90% можно утверждать, что внутри него работает кварцевый генератор. Причин то­го, что кварцевые генераторы завоевали мир, несколько:
— кристалл кварца дешев в произ­водстве;
— кварцевый генератор по своей экви­валентной схеме является обычным радио­техническим устройством и может быть легко внедрен в любую радиосхему;
— свойства кварца максимально ста­бильны во времени и достаточно стабиль­ны в обычных для человека условиях. Несмотря на господство кварцевых ча­сов на рынке, большинство людей, имею­щих отношение к часовому делу, даже при­близительно не представляют себе, что та­кое кварц. В лучшем случае, мастера-ре­монтники могут опознать его непосредст­венно в часах. Так что рассказ о нем, на наш взгляд, будет совсем не лишним.

Природа колебания

Работа кварцевого генератора основа­на на пьезоэлектрическом эффекте. В фи­зике так называется эффект возникнове­ния разности потенциалов (напряжения) на противоположных сторонах какого-либо кристалла при приложении к нему механи­ческого воздействия. Помимо прямого су­ществует и обратный пьезоэффект, когда под воздействием напряжения происходит механическая деформация кристалла.

Обычно масштаб пьезоэффекта неве­лик и составляет мизерные доли процента. Тем не менее пьезоэффект широко приме­няется в технике. На нем основана работа многих устройств — от очень сложных до таких привычных, как проигрыватель грам­пластинок. Одним из минералов, обладающих ярко выраженным пьезоэлектрическим эффек­том, является кварц. Если к кристаллу квар­ца приложить электрическое напряжение, то под воздействием обратного пьезоэлек­трического эффекта он деформируется. Если затем напряжение убрать, то в крис­талле возникнут колебания — электричес­кая энергия будет преобразовываться в ме­ханическую и обратно. Это чем-то похоже на колебания маятника, когда кинетичес­кая энергия движущегося маятника позво­ляет ему подняться относительно нижней точки и превращается в потенциальную, а затем происходит обратное превращение.

Так как при деформации кристалла часть энергии выделяется в виде тепла, ко­лебания постепенно затухнут. Скорость за­тухания колебаний определяется тем, на­сколько кристаллическая решетка кварца близка к идеальной. Каждый кристалл имеет собственную частоту колебаний, или резонансную час­тоту, которая зависит от его формы и физи­ческих размеров. Подбирая форму и раз­меры кристалла, можно получить любую заданную резонансную частоту. Кристалл кварца, «упакованный» в ме­таллический корпус с выведенными наружу контактами, называют кварцевым резона­тором. Именно этот «бочонок» мы и видим внутри часов. Кварцевый резонатор являет­ся основой генератора, вырабатывающего колебания постоянной частоты. Основыва­ясь на этих колебаниях, электронная схема посылает импульсы на шаговый двигатель, который через систему колес вращает стрелки часов.

В принципе, кварцевый резонатор мо­жет быть заменен обычным колебательным контуром. Однако кварц занимает гораздо меньше места и имеет более выраженный пик резонансной частоты. К тому же темпе­ратурная и временная стабильность индук­тивно-емкостной цепочки на 3—4 порядка хуже, чем у кварца.

Подкорректируем

Резонансная частота кристалла кварца является величиной постоянной. Но итого­вая частота, вырабатываемая кварцевым генератором, в небольших пределах может быть отрегулирована. Все способы коррек­тировки частоты генератора основаны на наличии дополнительных устройств, под­ключенных к выводам резонатора. В про­стейшем случае для калибровки использу­ются постоянные или переменные конден­саторы (емкости), включаемые в схему раз­личными способами.

В первом случае в схеме часов есть не­который набор емкостей, которые могут быть подключены с помощью так называе­мой решетки. Замыкая между собой с по­мощью припоя или распаивая соседние гребенки, мы можем подключить одну или несколько емкостей. Таким образом мы ва­рьируем шунтирующую емкость и влияем на частоту системы КВАРЦ + ШУНТ, кото­рая и является частотой генератора.

Во втором варианте в схему встроен конденсатор переменной емкости — трим­мер. Его емкость можно изменять, вращая подстроечный винт обычной керамической отверткой. Это позволяет настроить часы до точности +/— 0,01 секунда/день. Но триммер удорожает механизм часов, к то­му же, как и любая дополнительная деталь, он не добавляет надежности. Вопрос корректировки частоты кварце­вого генератора был актуален на заре квар­цевой эры. Тогда еще не удавалось обеспе­чить должную точность изготовления крис­таллов кварца, и триммеры с гребенками были необходимы для подстройки частоты генератора в часах. В настоящее время проблемы с обеспечением точности резо­наторов решены, и большинство произво­дителей отказались от использования триммеров. Соответственно, если меха­низм не имеет гребенки и триммера, то ма­стер лишен какой-либо возможности регу­лировать точность часов.

О влияниях.

Мы уже говорили, что резонансная час­тота кварцевого резонатора определяется его физическими характеристиками и фик­сируется при изготовлении кристалла. Од­нако в процессе эксплуатации она может несколько меняться. Больше всего на нее влияют температура и время. Соответствен­но, двумя важнейшими характеристиками кварцевого генератора являются темпера­турная и временная стабильность частоты. Именно от них зависит точность хода квар­цевых часов.

Величины этих двух важнейших харак­теристик выражаются в миллионных долях (10~ 6 или ррт). Отклонение в 1 ррт на язы­ке часов дает отклонение точности в 0,388 секунд в месяц. Стандартной точности в +/— 20 секунд в месяц будет соответство­вать отклонение частоты в 51,5 ррт. Вре­менное отклонение в свойствах всегда при­водится для первого года службы (почему — мы расскажем чуть позже).

В зависимости от производителя и це­ны, кварцевые резонаторы обычных се­рийных часов в диапазоне температур —10/+60 градусов имеют отклонение в пределах от +/—30 ррт до +/—50 ррт. Временное отклонение для кварцевых ге­нераторов обычно составляет от +/—2 до +/—7 ppm/год. У специальных резонато­ров, используемых в швейцарских прибо­рах измерения точности хода часов, эти ха­рактеристики на порядок выше.

. и борьбе с ними

С фактором «старения» кварца, к сожа­лению, ничего поделать нельзя: с течением времени резонансная частота кристалла постепенно «уходит» от первоначальной. К счастью, это отклонение не столь значи­тельно и в наибольшей степени проявляет­ся в первые год-полтора после начала ис­пользования резонатора. Поэтому все фир­мы, производящие калибровочное обору­дование для часов, используют в нем искус­ственно состаренные кристаллы. Два года их «гоняют» на специальном стенде, после чего отбирают те, свойства которых оста­лись в пределах нормы. Это позволяет практически исключить временной фактор или снизить его влияние в несколько раз, до уровня менее +/— 1 ppm/год. Другими словами, за год ошибка составит не более 0,388 секунды в месяц, что для часов не страшно .

В отличие от временного фактора, спра­виться с влиянием температуры вполне ре­ально. Для этого используют два основных приема. Первый — термостабилизация, когда за счет различных ухищрений пыта­ются обеспечить кристаллу постоянный температурный режим. Второй — термо­компенсация, когда в часы встраивают спе­циальные электронные схемы, компенси­рующие погрешность, возникающую при изменении температуры.

Термостабилизацию активно использу­ют, например, в приборах проверки точно­сти хода часов. В них резонаторы изолиру­ют от внешней среды и оснащают системой поддержания постоянной температуры или, попросту, обогревом. Такие приборы выходят на рабочий режим через несколь­ко минут после включения — кварц необ­ходимо нагреть до нужной температуры. Этот способ весьма надежен, и единствен­ным его недостатком в стационарных усло­виях является время выхода прибора «на режим». Однако данный вариант не пригоден для использования в компактных и авто­номных устройствах, например в наручных часах: термоизолятор и нагреватель зани­мают достаточно много места, к тому же для работы нагревателя требуется дополнительная энергия. Там используют другой прием — термокомпенсацию.

Термический эффект в той или иной сте­пени проявляется у любых радиодеталей, однако у целой группы материалов эти свойства выражены активнее. На их основе обычно разрабатывают схемы измерения температуры, термокомпенсации и т.п. На­пример, наслаждаться показаниями термо­метра в будильниках WENDOX мы можем благодаря специальному терморезистору, сопротивление которого сильно меняется при изменении температуры. Сейчас все большее количество произ­водителей выпускают механизмы со схема­ми термокомпенсации. В них к резонатору добавляется специальная шунтирующая схема, имеющая тот же самый по значению и обратный по знаку термический эффект. Она работает как бы в противовес термиче­ским свойствам резонатора. Благодаря этому удается уменьшить температурное отклонение частоты в несколько раз, а ино­гда и на порядок. Именно схемы термоком­пенсации позволяют часам GrandSeiko, BreitlingSuperQuartz демонстрировать точ­ность на уровне 5—7 секунд в год .

В заключении рассказа о компенсации термоэффектов хочется сказать, что тер-мостатирование обеспечивает гораздо большую стабильность частоты, чем термо­компенсация, и именно поэтому оно всегда останется актуальным. К сожалению, размер статьи позволил рассказать только самое главное об основе кварцевых часов — о резонаторе. За рам­ками обзора осталось очень много инте­ресного: история кварцевых часов, зависи­мость частоты кристалла от формы и т.п. Вот такая это непростая штука — кварц.

Опубликовано в журнале «Часовой Бизнес» № 1-2005

Портал профессионалов часового бизнеса TimeSeller.ru
При перепечатке активная ссылка обязательна