Kvartsresonator - struktur, driftsprincip, hvordan man kontrollerer

Moderne digital teknologi kræver stor nøjagtighed, så det er ikke overraskende, at næsten enhver digital enhed, som ikke ville fange opmærksomheden fra den gennemsnitlige mand i dag, indeholder en kvartsresonator inde.

Kvartsresonatorer til forskellige frekvenser er nødvendige som pålidelige og stabile kilder til harmoniske svingninger, så den digitale mikrokontroller kunne stole på referencefrekvensen og arbejde med den i fremtiden under driften af ​​den digitale enhed. Således er en kvartsresonator en pålidelig erstatning for et oscillerende LC-kredsløb.

Hvis vi overvejer et simpelt oscillerende kredsløb, der består af kondensator og spole, bliver det hurtigt klart, at kvalitetsfaktoren for et sådant kredsløb i kredsløbet ikke vil overstige 300, derudover flyder kondensatorens kapacitans afhængigt af omgivelsestemperaturen, det samme vil ske med induktans.

Det er ikke for intet, at kondensatorer og spoler har sådanne parametre som TKE - temperaturkapacitetskoefficient og TKI - temperatur induktionskoefficient, der viser, hvor meget disse parameters hovedparametre ændres med deres temperatur.

I modsætning til svingningskredsløb har kvartsbaserede resonatorer en kvalitetsfaktor, der ikke kan opnås for svingningskredsløb, der kan måles med værdier fra 10.000 til 10.000.000, og temperaturstabiliteten af ​​kvartsresonatorer er ude af spørgsmålet, fordi frekvensen forbliver konstant ved en hvilken som helst temperatur, normalt fra området fra - 40 ° C til + 70 ° C

Så på grund af den høje temperaturstabilitet og kvalitetsfaktor bruges kvartsresonatorer overalt inden for radioteknik og digital elektronik.

Til opgave mikrokontroller eller processor urfrekvens, han har altid brug for en urgenerator, som han pålideligt kunne stole på, og denne generator har altid brug for en højfrekvens og på samme tid høj præcision. Her redder kvartsresonatoren. I nogle anvendelser kan naturligvis undgås piezoelektriske resonatorer med en kvalitetsfaktor på 1000, og sådanne resonatorer er tilstrækkelige til elektronisk legetøj og husholdningsradioer, men kvarts er nødvendigt for mere nøjagtige enheder.

Grundlaget for kvartsresonatoren er piezoelektrisk effektder opstår på en kvartsplade. Kvarts er en polymorf modifikation af siliciumdioxid SiO2 og findes i naturen i form af krystaller og småsten. Fri form i jordens kvartsskorpe er ca. 12%, i form af blandinger indeholder andre mineraler også kvarts, og generelt mere end 60% kvarts i jordskorpen (massefraktion).

For at skabe resonatorer er lavt temperatur kvarts med udpegede piezoelektriske egenskaber egnet. Kemisk er kvarts meget stabil, og det kan kun opløses i hydrofluoridsyre. Kvarts er overlegen i hårdhed over for opal, men når ikke diamant.

Ved fremstilling af en kvartsplade skæres et stykke fra en kvartskrystall i en strengt specificeret vinkel. Afhængig af skærevinklen vil den resulterende kvartsplade afvige i dens elektromekaniske egenskaber.

Meget afhænger af typen af ​​skæring: frekvens, temperaturstabilitet, resonansstabilitet og fraværet eller tilstedeværelsen af ​​falske resonansfrekvenser. Derefter påføres et lag metal på pladen på begge sider, der kan være nikkel, platin, sølv eller guld, hvorefter pladen fastgøres med hårde ledninger til bunden af ​​kvartsresonatorhuset. Det sidste trin - sagen er hermetisk samlet.

Således opnås et oscillerende system med sin egen resonansfrekvens, og kvartsresonatoren opnået på denne måde har sin egen resonansfrekvens bestemt af elektromekaniske parametre.

Nu, hvis en vekslende spænding med en given resonansfrekvens påføres plastens metalelektroder, vises et resonansfænomen, og amplituden af ​​plades harmoniske svingninger vil øges meget markant. I dette tilfælde falder resonatorresistensen markant, det vil sige, at processen ligner det, der sker i et sekventielt oscillerende kredsløb. På grund af den høje kvalitetsfaktor af et sådant "oscillerende kredsløb" er energitabet under dens excitation ved resonansfrekvensen ubetydelig.

På det ækvivalente kredsløb: C2 er den statiske elektriske kapacitet for pladerne med holdere, L er induktansen, C1 er kapacitansen, R er modstanden, hvilket afspejler de elektromekaniske egenskaber af den installerede kvartsplade. Hvis du fjerner monteringselementerne, forbliver et konsistent LC-kredsløb.

Under installation på et trykt kredsløbskort kan en kvartsresonator ikke overophedes, fordi dens design er ret skrøbelig, og overophedning kan føre til deformation af elektroderne og holderen, hvilket bestemt vil påvirke resonatorens drift i den færdige enhed. Hvis kvarts opvarmes til 5730 ° C, mister det fuldstændigt sine piezoelektriske egenskaber, men heldigvis er det umuligt at opvarme et element med et loddejern til en sådan temperatur.

Betegnelsen på kvartsresonatoren i diagrammet svarer til betegnelsen på en kondensator med et rektangel mellem pladerne (kvartsplade) og med påskriften "ZQ" eller "Z".

Ofte er årsagen til skade på kvartsresonatoren et fald eller en stærk påvirkning af den enhed, hvori den er installeret, og derefter er det nødvendigt at udskifte resonatoren med en ny med den samme resonansfrekvens. En sådan skade er forbundet med små enheder, der er lette at droppe. Ifølge statistikker er sådanne skader på kvartsresonatorer imidlertid ekstremt sjældne, og oftere skyldes enhedens funktionsfejl af en anden grund.

For at kontrollere, at kvartsresonatoren er funktionsdygtig, kan du samle en lille sonde, der ikke kun hjælper med at kontrollere resonatorens funktionsevne, men også til at se resonansfrekvensen. Sondekredsløbet er et typisk krystaloscillatorkredsløb, der bruger en enkelt transistor.

Ved at tænde resonatoren mellem basen og minus (det er muligt gennem en beskyttelseskondensator i tilfælde af en kortslutning i resonatoren), gjenstår det at måle resonansfrekvensen med en frekvensmåler. Dette kredsløb er også velegnet til forindstilling af oscillerende kredsløb.

Når kredsløbet er tændt, vil en sund resonator bidrage til frembringelsen af ​​svingninger, og en vekslende spænding kan observeres på transistorens emitter, hvis frekvens svarer til den grundlæggende resonansfrekvens af den testede kvartsresonator.

Ved at forbinde en frekvensmåler til sondeudgangen vil brugeren være i stand til at observere denne resonansfrekvens. Hvis frekvensen er stabil, hvis en svag opvarmning af resonatoren med et hævet loddejern ikke fører til en stærk drift af frekvensen, er resonatoren i god stand. Hvis der ikke er nogen generation, eller frekvensen flyder, eller det viser sig at være helt anderledes, end det burde være for den testede komponent, er resonatoren defekt og bør udskiftes.

Denne sonde er også praktisk til forindstilling af oscillerende kredsløb, i dette tilfælde er kondensatoren C1 påkrævet, skønt den kan udelukkes fra kredsløbet, når resonatorerne kontrolleres. Kredsløbet er simpelthen forbundet i stedet for resonatoren, og kredsløbet begynder at generere svingninger på en lignende måde.

Sampleren samlet efter det givne kredsløb fungerer vidunderligt ved frekvenser fra 15 til 20 MHz. I andre intervaller kan du altid søge efter kredsløb på Internettet, da der er mange af dem, både på diskrete komponenter og på en mikrokredsløb.

Comments

[#1 Vadim]

For yngre førskolealder.