Прибор для проверки частоты кварцев

Содержание

Частотомер на PIC16F628 своими руками | Мастер Винтик. Всё своими руками!

Прибор для проверки частоты кварцев

Одним из приборов-помощников радиолюбителя должен быть частотомер. С его помощью легко обнаружить неисправность генератора, измерить и подстроить частоту. Генераторы очень часто встречаются в схемах. Это приемники и передатчики, часы и частотомеры, металлоискатели и различные автоматы световых эффектов…

Особенно удобно пользоваться частотомером для подстройки частоты, например при перестройки радиостанций, приёмников или настройки металлоискателя.

Один из таких несложных наборов я недорого приобрёл на сайте китайского магазина здесь: GEARBEST.com

Набор содержит:

  •  1 x PCB board (печатная плата);
  •  1 x микроконтроллер PIC16F628A;
  •  9 x 1 кОм резистор;
  •  2 x 10 кОм резистор;
  •  1 x 100 кОм резистор;
  •  4 x диоды;
  •  3 x транзисторы S9014, 7550, S9018;
  •  4 x конденсаторы;
  •  1 x переменный конденсатор;
  •  1 x кнопка;
  •  1 x DC разъём;
  •  1 x 20МГц кварц;
  •  5 x цифровые индикаторы.

Описание частотомера

  • Диапазон измеряемых частот: от 1 Гц до 50 МГц;
  • Позволяет измерять частоты кварцевых резонаторов;
  • Точность разрешение 5 (например 0,0050 кГц; 4,5765 МГц; 11,059 МГц);
  • Автоматическое переключение диапазонов измерения частоты;
  • Режим энергосбережения (если нет изменения показаний частоты — автоматически выключается дисплей и на короткое время включается;
  • Для питания Вы можете использовать интерфейс USB или внешний источник питания от 5 до 9 В;
  • Потребляемый ток в режиме ожидания — 11 мА

Схема содержит небольшое количество элементов. Установка проста — все компоненты впаиваются согласно надписям на печатной плате.

Мелкие радиодетали, разъемы и т.п. упакованы в небольшие пакетики с защелкой. Индикаторы, микросхема и её панелька для исключения повреждений ножек вставлены в пенопласт.

Напряжение на выводах микроконтроллера

(измерения мультиметром)

  1. 4,0
  2. 4,0
  3. 0,3
  4. 5,0
  5. 0,98
  6. 0,98
  7. 0,98
  8. 0,98
  9. 0,98
  10. 0,98
  11. 5
  12. 1,26
  13. 2,13
  14. 4
  15. 4,12

Приступаем к сборке

Высыпаем на стол содержимое пакета. Внутри находятся печатная плата, сопротивления, конденсаторы, диоды, транзисторы, разъемы, микросхема с панелькой и индикаторы.

Ну и вид на весь набор в полностью разложенном виде.

Теперь можно перейти к собственно сборке данного конструктора, а заодно попробовать разобраться, на сколько это сложно.

Я начинал сборку с установки пассивных элементов: резисторов, конденсаторов и разъёмов. При монтаже резисторов следует немного узнать об их цветовой маркировке из предыдущей статьи. Дело в том, что резисторы очень мелкие, а при таких размерах цветовая маркировка очень плохо читается (чем меньше площадь закрашенного участка, тем сложнее определить цвет) и поэтому также посоветую просто измерить сопротивление резисторов при помощи мультиметра. И результат будем знать и за одно его исправность.

Конденсаторы маркируются также как и резисторы.Первые две цифры — число, третья цифра — количество нулей после числа.Получившийся результат равен емкости в пикофарадах.Но на этой плате есть конденсаторы, не попадающие под эту маркировку, это номиналы 1, 3 и 22 пФ.

Они маркируются просто указанием емкости так как емкость меньше 100 пФ, т.е. меньше трехзначного числа.

Резисторы и керамические конденсаторы можно впаивать любой стороной — здесь полярности нет.

Выводы резисторов и конденсаторов я загибал, чтобы компонент не выпал, лишнее откусывал, а затем опаивал паяльником.

Немного рассмотрим такой компонент, как —  подстроечный конденсатор. Это конденсатор, ёмкость которого можно изменять в небольших пределах (обычно 10-50пФ). Это элемент тоже неполярный, но иногда имеет значение как его впаивать. Конденсатор содержит шлиц под отвертку (типа головки маленького винтика), который имеет электрическое соединение с одним из выводов. Чтобы было меньше влияния отвертки на параметры цепи, надо впаивать его так, чтобы вывод соединенный со шлицом, соединялся с общей шиной платы.

Разъемы — сложная часть в плане пайки. Сложная не точностью или малогабаритностью компонента, а наоборот, иногда место пайки тяжело прогреть, плохо облуживается. Потому нужно ножки разъёмов дополнительно почистить и облудить.

Теперь впаиваем кварцевый резонатор, он изготовлен под частоту 20МГц, полярности также не имеет, но под него лучше подложить диэлектрическую шайбочку или приклеить кусочек скотча, так как корпус у него металлический и он лежит на дорожках. Плата покрыла защитной маской, но я как то привык делать какую нибудь подложку в таких случаях, для безопасности.

Далее впаиваем транзисторы, диоды и индикаторы. В отличии от резисторов и конденсаторов здесь нужно впаивать правильно, согласно рисунку и надписям на плате.

Длительность пайки каждой ножки не должна превышать 2 сек! Между пайками ножек должно пройти не менее 3 сек на остывание.

Ну вот собственно и всё!

Теперь осталось смыть остатки канифоли щёткой со спиртом.

Теперь красивее

Источник: http://www.MasterVintik.ru/chastotomer-na-pic16f628-svoimi-rukami/

Как Проверить Кварцевый Резонатор Мультиметром

Прибор для проверки частоты кварцев

Кварцевый резонатор как проверить? Проверка кварцевых резонаторов

Колебаниям уделяется одна из важнейших ролей в современном мире. Так, даже существует так именуемая теория струн, которая утверждает, что всё вокруг нас – это просто волны. Но есть и другие варианты использования данных познаний, и одна из их – это кварцевый резонатор. Так бывает, что неважно какая техника временами выходит из строя, и они здесь не исключение. Как убедиться, что после негативного инцидента она всё ещё работает как следует?

О кварцевом резонаторе замолвим слово

Кварцевым резонатором именуют аналог колебательного контура, базирующегося на индуктивности и ёмкости. Но меж ними есть разница в пользу первого. Как понятно, для свойства колебательного контура употребляют понятие добротности. В резонаторе на базе кварцев она добивается очень больших значений – в границах 10 5 –10 7 .

К тому же он более эффективен для всей схемы при изменении температуры, что сказывается на большем сроке службы таких деталей, как конденсаторы. Обозначение кварцевых резонаторов на схеме осуществляется в виде вертикально размещенного прямоугольника, который с обеих сторон «зажат» пластинами.

Снаружи на чертежах они напоминают гибрид конденсатора и резистора.

Как работает кварцевый резонатор?

Из кристалла кварца вырезается пластинка, кольцо либо брусок. На него наносится как минимум два электрода, которые являются проводящими полосами. Пластинка закрепляется и имеет свою свою резонансную частоту механических колебаний. Когда на электроды подаётся напряжения, то из-за пьезоэлектрического эффекта происходит сжатие, сдвиг либо изгибание (зависимо от того, как вырезался кварц).

Колеблющийся кристалл в таких случаях делает работу подобно катушке индуктивности. Если частота напряжения, что подаётся, равна либо очень близка к своим значениям, то требуется наименьшее количество энергии при значимых различиях для поддержания функционирования. Сейчас можно перебегать к свету главной препядствия, из-за чего, фактически, и пишется эта статья про кварцевый резонатор.

Как проверить его работоспособность? Было отобрано 3 метода, о которых и будет поведано.

Способ № 1

Тут транзистор КТ368 играет роль генератора. Его частота определяется кварцевым резонатором. Когда поступает питание, то генератор начинает работать. Он создаёт импульсы, которые равны частоте его основного резонанса. Их последовательность проходит через конденсатор, который обозначен как С3 (100р).

Он фильтрует постоянную составляющую, а потом сам импульс передаёт на аналоговый частотомер, который построен на 2-ух диодиках Д9Б и таких пассивных элементах: конденсаторе С4 (1n), резисторе R3 (100к) и микроамперметре. Все другие элементы служат для стабильности работы схемы и чтоб ничего не перегорело. Зависимо от установленной частоты может изменяться напряжение, которое есть на конденсаторе С4.

Это достаточно ориентировочный метод и его преимущество – легкость. И, соответственно, чем выше напряжение, тем большая частота резонатора. Но есть определённые ограничения: пробовать её на данной схеме следует исключительно в тех случаях, если она находится в ориентировочных рамках от 3-х до 10 МГц.

Проверка кварцевых резонаторов, что выходит за грань этих значений, обычно не подпадает под любительскую радиоэлектронику, но дальше подвергнется рассмотрению чертеж, у которого спектр — 1-10 МГц.

Читайте также  Прибор для поиска труб в стене

Как проверить кварцевый резонатор

Обычная схема для проверки кварцевых резонаторов, а если добавить в схему мультиметр с возможностью измеря…

Проверка кварцевых резонаторов

Обычная схема для проверки работоспособности кварцевых резонаторов, а так же возможность проверки частоты…

Способ № 2

Для роста точности можно к выходу генератора подключить частотомер либо осциллограф. Тогда можно будет высчитать разыскиваемый показатель, используя фигуры Лиссажу. Но имейте в виду, что в таких случаях кварц возбуждается, при этом как на гармониках, так и на основной частоте, что, в свою очередь, может дать существенное отклонение. Поглядите на приведённые схемы (эту и предшествующую). Видите ли, есть различные методы находить частоту, и здесь придётся экспериментировать. Главное – соблюдайте технику безопасности.

Проверка сразу двух кварцевых резонаторов

Данная схема дозволит найти, работоспособны ли два кварцевых резистора, которые работают в рамках от 1-го до 10 МГц. Также благодаря ей можно выяснить сигналы толчков, которые идут меж частотами. Потому вы можете не только лишь найти работоспособность, да и подобрать кварцевые резисторы, которые более подходят друг дружке по своим показателям.

Схема реализована с 2-мя задающими генераторами. 1-ый из их работает с кварцевым резонатором ZQ1 и реализован на транзисторе КТ315Б. Чтоб проверить работоспособность, напряжение на выходе должно быть больше 1,2 В, и следует надавить на кнопку SB1. Обозначенный показатель соответствует сигналу высочайшего уровня и логической единице.

Зависимо от кварцевого резонатора может быть увеличено нужное значение для проверки (можно напряжение каждую проверку увеличивать на 0,1А-0,2В к рекомендованному в официальной аннотации по использованию механизма). При всем этом выход DD1.2 будет иметь 1, а DD1.3 — 0. Также, сообщая о работе кварцевого генератора, будет пылать светодиод HL1.

2-ой механизм работает аналогично, и о нём будет докладывать HL2. Если их запустить сразу, то ещё будет пылать светодиод HL4.

Когда сравниваются частоты 2-ух генераторов, то их выходные сигналы с DD1.2 и DD1.5 направляются на DD2.1 DD2.2. На выходах вторых инверторов схема получает сигнал с широтно-импульсной модуляцией, чтоб потом сопоставить характеристики. Узреть зрительно это можно при помощи мерцания светодиода HL4.

Для улучшения точности добавляют частотомер либо осциллограф. Если реальные характеристики отличаются на килогерцы, то для определения более частотного кварца нажмите на кнопку SB2. Тогда 1-ый резонатор уменьшит свои значения, и тон биений световых сигналов будет меньше.

Тогда можно уверенно сказать, что ZQ1 более частотный, ежели ZQ2.

При проверке всегда:

  1. Прочитайте аннотацию, которую имеет кварцевый резонатор;
  2. Придерживайтесь техники безопасности.

Возможные причины выхода из строя

Существует достаточно много методов вывести собственный кварцевый резонатор из строя. С некими самыми пользующимися популярностью стоит ознакомиться, чтоб в дальнейшем избежать каких-либо заморочек:

  1. Падения с высоты. Самая пользующаяся популярностью причина. Помните: всегда нужно содержать рабочее место в полном порядке и смотреть за своими действиями.
  2. Присутствие неизменного напряжения. В целом кварцевые резонаторы не страшатся его. Но прецеденты были. Для проверки работоспособности включите поочередно конденсатор на 1000 мФ – этот шаг вернет его в строй либо дозволит избежать негативных последствий.
  3. Очень большая амплитуда сигнала. Решить данную делему можно различными методами:
  • Увести частоту генерации мало в сторону, чтоб она отличалась от основного показателя механического резонанса кварца. Это более непростой вариант.
  • Снизить количество Вольт, что питают сам генератор. Это более лёгкий вариант.
  • Проверить, вышел ли кварцевый резонатор вправду из строя. Так, предпосылкой падения активности может быть флюс либо посторонние частички (нужно в таком случае его отменно очистить). Также может быть, что очень интенсивно эксплуатировалась изоляция, и она растеряла свои характеристики. Для контрольной проверки по этому пт можно на КТ315 спаять «трехточку» и проверить осцом (сразу можно сопоставить активность).

Заключение

В статье подверглось рассмотрению, как проверить работоспособность таких частей электронных схем, как частота кварцевого резонатора, также их свойство. Были обговорены методы установления нужной инфы, также вероятные предпосылки, почему они выходят из строя во время эксплуатации. Но для избегания негативных последствий всегда трудитесь с ясной головой — тогда и работа кварцевого резонатора будет меньше тревожить.

Источник: https://autoruservis.ru/kak-proverit-kvarcevyj-rezonator-multimetrom/

Частотомер-тестер кварцев на atmega8

Прибор для проверки частоты кварцев

Частотомер — полезный прибор в лаборатории радиолюбителя (особенно, при отсутствии осциллографа). Кроме частотомера лично мне часто недоставало тестера кварцевых резонаторов — слишком много стало приходить брака из Китая. Не раз случалось такое, что собираешь устройство, программируешь микроконтроллер, записываешь фьюзы, чтобы он тактировался от внешнего кварца и всё — после записи фьюзов программатор перестаёт видеть МК.

Причина — «битый» кварц, реже — «глючный» микроконтроллер (или заботливо перемаркированый китайцами с добавлением, например, буквы “А» на конце). И таких неисправных кварцев мне попадалось до 5% из партии. Кстати, достаточно известный китайский набор частотомера с тестером кварцев на PIC-микроконтроллере и светодиодном дисплее с Алиэкспресса мне категорически не понравился, т.к.

часто вместо частоты показывал то ли погоду в Зимбабве, то ли частоты «неинтересных» гармоник (ну или это мне не повезло).

Есть достаточно старый проект частотомера на ATMEGA8 и символьном дисплее 16×2. Предел измерения — до 40..50МГц с погрешностью менее 1%. Такой точности обычно более, чем достаточно. Помимо частоты умеет измерять период и скважность импульсов. Теоретически, если заменить микроконтроллер на ATMEGA48/88, то можно поставить кварц на 20 МГц и тогда максимальная измеряемая частота может быть увеличена до ~80 МГц (естественно, для этого придётся пересобрать прошивку).

Прибор имеет 9 режимов измерения:

  1. Измерение частоты с предделителем на 16, время измерения — 0.25 сек, результат в Гц.
  2. Измерение частоты без предделителя, время измерения — 0.25 сек, результат в Гц.
  3. Измерение периода следования импульсов и вычисление частоты на его основе, результат в 0.01 Гц.
  4. Изменение циклов в минуту (без предделителя), вычисляемых по измеренному периоду, результат в rpm.
  5. Измерение длительности полного цикла, результат в микросекундах.
  6. Измерение длительности высокого полупериода, результат в микросекундах.
  7. Измерение длительности низкого полупериода, результат в микросекундах .
  8. Длительность высокого полупериода в процентах.
  9. Длительность низкого полупериода в процентах.

Схема

Исходная схема прибора была доработана следующим образом (схема кликабельна):

  1. Добавлен альтернативный входной формирователь (блок Analog-1), схема найдена на просторах интернета (к сожалению, не смог определить первоисточник). Имеет вход для проверки кварцевых резонаторов (работает с кварцами от 1МГц до 40МГц). Исходный входной формирователь тоже сохранён (блок Analog-2) и разведён на печатной плате, но распаять можно только один из этих формирователей.
  2. Переменный резистор выбора режимов заменён на более долговечный энкодер
  3. Питается прибор от USB. На вход добавлены LC-фильтр помех и предохранитель
  4. RS232 и преобразователь MAX232 из схемы убраны, вместо них добавлен разъём для подключения преобразователя USB-UART для связи с ПК (если захочется управлять прибором с ПК)
  5. Вольтметр 0..5В из исходной схемы также убран, т.к., учитывая обилие дешёвых китайских мультиметров, смысла в нём не видится никакого.

Аналоговый входной сигнал поступает на усилитель, а затем на формирователь на основе триггер Шмитта 74HCT132. Далее, этот сигнал подаётся на вход микроконтроллера непосредственно, либо через делитель на 16, выполненный на 74HCT93. Делитель этот управляется сигналом от пина PC5: высокий уровень на пине отключает предделитель, низкий уровень, соответственно, включает деление на 16.

Микроконтроллер подключён по типовой схеме и тактируется от кварцевого резонатора 16 МГц. Кстати, о кварце — его качество (точность, термостабильность) целиком определяет точность прибора. Т.е., возникает проблема добычи эталонного кварца (ну или точное измерение его частоты с последующим введением поправки в вычислении). Но об этом чуть позже..

Я не стал разводить на плате разъём ISP-программатора, т.к. микросхема всё равно стоит на панели, а для обновления прошивки можно использовать загрузчик. Неиспользуемые выводы микроконтроллера разведены так, что в будущем к ним можно было что-нибудь подключить.

Читайте также  Прибор для измерения силы переменного тока

Например, джампер для активации того же bootloader-а. Или термодатчик, чтобы в будущем учитывать температурное изменение частоты кварцевого резонатора. Или ещё что-нибудь. Все выводы от miniUSB-разъёма также разведены на плате.

Это сделано для того, чтобы можно было легко установить USB-UART-преобразователь внутри прибора (если он будет нужен).

Сборка

Сборка прибора не должна вызвать особых проблем и при отсутствии ошибок монтажа и исправных деталях частотомер должен заработать сразу. В противном случае, надо покаскадно проверить прохождение сигнала от входа до микроконтроллера. Проще всего сделать это осциллографом.

На плате надо распаять только один из формирователей Analog-1 или Analog-2. Вообще, в использовании оригинального формирователя Analog-2 сейчас нет никакого смысла (ну разве что отсутствие необходимых для Analog-1 деталей и потребности проверять кварцы).

Плата в сборе:

К сожалению, на изготовленных платах обнаружилось пара ошибок. Первая — в формирователе Analog-1 — вывод резистора R15 (470 Ом) висит в воздухе. Исправить можно просверлив рядом отверстие и прокинув небольшую перемычку как показано на фото. Как вариант, можно кинуть провод через одно из свободных отверстий чтобы не сверлить новые.

Вторая ошибка — пропущено соединение между выводом 5 микросхем 74hct132 и выводом 2 микросхемы 74hct93, для исправления надо кинуть проводок как на фото:

Использование прибора

Для измерения достаточно только подать сигнал на вход (аналоговый, либо цифровой, либо установить кварц) и выбрать энкодером режим. В верхней строке экрана отображается результат измерения, в нижней — название режима.

Режим Измеряемая величина Метод Формат отображения
1.Frequency (16) Частота Подсчёт с предделителем на 16 F=99,999,999 Hz
2.Frequency Частота Подсчёт без предделителем f=9,999,999 Hz
3.Time HL, f Частота Длительность периода v= 9,999.999 Hz
4.Time HL, rpm Изменений в минуту Длительность периода u= 9,999,999 rpm
5.Time HL, us Длительность периода следования Длительность периода t=99,999,999 us
6.Time H Длительность «высокой» части периода Длительность периода h=99,999,999 us
7.Time L Длительность «низкой» части периода Длительность периода l=99,999,999 us
8.PW ratio H Доля «высокой» части периода Длительность периода P=100.0%
9.PW ratio L Доля «низкой» части периода Длительность периода p=100,0%

В режиме тестера кварцев прибор успешно работал с разными резонаторами от 4 МГц до 27МГц. С часовыми кварцами генератор, увы, совсем не запускается, для них придётся делать отдельную приблуду.

Корпус

Корпус для частотомера был распечатан на 3D-принтере, для чего спроектирована 3D-моделька. Верхняя часть состоит из двух деталей — основы и части для дисплея.

Отверстия на лицевой панели вырезаны не да конца — умышленно оставлен один слой пластика (0.35мм). Это сделано для того, чтобы заливка лицевой поверхности была равномерной, без обводных контуров вокруг отверстий. Пластик над отверстиями легко убирается при помощи ножа и напильника. Корпус я печатал из ABS, части склеивал при помощи ацетона с растворённым пластиком. Сам корпус также был обработан ацетоном (прошёлся пару раз кисточкой).

На фрагменте под дисплей также намечено прямоугольное отверстие для 3-пинового разъёма цифрового входа. Да, вообще, этот разъём должен быть 2-пиновый, но тогда было бы не понятно, где у него «земля», а где вход. Чтобы не делать пояснительных надписей на лицевой панели, добавлен третий контакт. Так получаятся, что то вход по центру, земля — по краям, запомнить просто. Либо, как вариант, сюда можно вывести напряжение +5В. Например, для приставки-измерятора частоты часовых кварцев.

Архив с 3D-моделями можно скачать в конце статьи. Для нижней части корпуса есть дополнительный вариант с тонкими термостенками по периметру, чтобы основная модель медленнее остывала, для предотвращения загибания пластика по углам при печати ABS-ом. В архиве так же есть файл модель стойки для крепления дисплея к печатнйо плате.

Собранное устройство в корпусе выглядит так (вставлен кварц на 20 МГц):

Точность прибора

Основным фактором, влияющим на точность частотомера является точность используемого кварцевого резонатора. Т.е., имеем проблему добывания где-то эталонного кварца. При производстве кварцы разделяются на группы по отклонению их частоты от заявленной.

Разумеется, стоимость у резонаторов с минимальным отклонением будет намного выше, чем у остальных.

Все точные кварцы будут использованы в критичном оборудовании, менее точные — в менее критичном оборудовании, а весь оставшийся «мусор» с максимальным отклонением частоты будет распродан где-нибудь на Алиэкспрессе по 50 рублей за ведро.

Кроме точности частоты, не меньшее значение имеет её термостабильность. Если температура в помещении в течение года может изменятсья в диапазоне около 15°С, то и частота резонатора может значительно «уплывать».

Для достижения максимально высокой точности измерения потребуется либо точный кварц на 16 МГц, либо другой поверенный частотомер, которым можно будет измерить реальную частоту используемого кварца и сделать на это поправку (в коде прошивки, либо вручную пересчитывать результат измерений).

Но как быть, если нет ни первого, ни второго? Тут мне видится такое решение: вместо эталонного источника частоты можно использовать системные часы компьютера. Если часы синхронизируются по протоколу NTP, а в версии 4 этот протокол способен обеспечить точность до 10 мс (1/100 с) при работе через Интернет (и до 0.2 мс и лучше внутри локальных сетей).

Имея такой точный источник времени, можно написать прошивку, реализующие часы для частотомера. Если запустить такие часы на длительное время, то погрешность их хода будет накапливаться, и рано или поздно достигнет легко измеряемой величины.

Тогда не составит труда вычислить погрешность кварца по погрешности хода часов, что позволит либо попробовать отобрать кварц с частотой, максимальной близкой к 16МГц, либо скомпилировать прошивку для измеренной частоты кварца. Вообщем, пока есть такие планы на будущее..

Излишки печатных плат есть в магазине сайта.

Файлы

Схема частотомера в PDF
Модель корпуса
Исходник и прошивка

Источник: https://trolsoft.ru/ru/sch/f-meter

Кварцевые резонаторы. Виды и применение. Устройство и работа

Прибор для проверки частоты кварцев

Современная цифровая аппаратура нуждается в высокой точности, поэтому часто в цифровых устройствах содержится кварцевый резонатор, который является стабильным и надежным генератором гармонических колебаний. Цифровые микроконтроллеры работают на основе этой постоянной частоты, и используют ее для работы цифрового прибора. Кварцевые резонаторы являются надежной заменой контура колебаний, собранного на конденсаторе и катушке индуктивности.

Добротность контура колебаний на основе катушки и конденсатора не превышает 300. Она является характеристикой контура колебаний, определяющей величину полосы резонанса. Добротность показывает, во сколько раз энергия колебательной системы превышает потери энергии в течение одного периода колебаний.

Чем больше добротность, тем меньше теряется энергии за один период, и медленнее затухают колебания. Емкость конденсатора в обычном контуре колеблется в зависимости от температуры среды. Величина индуктивности катушки также зависит от многих факторов.

Существуют даже соответствующие коэффициенты, определяющие зависимость параметров этих элементов от температуры.

Кварцевые резонаторы, в отличие от вышеописанных контуров колебаний, обладают очень большой добротностью, достигающей значения в несколько миллионов. При этом температура в пределах -40 +70 градусов никак не влияет на этот параметр. Высокая стабильность работы кварцевых резонаторов при любой температуре послужила их широкому применению в цифровой электронике и радиотехнике.

Принцип действия и устройство

Кварцевые резонаторы работают на основе пьезоэлектрического эффекта, образующегося на кварцевой пластинке. Кварц – это природный кристалл. Он представляет собой модификацию соединения кремния с кислородом, и имеет химическую формулу Si O2. Массовая доля кварца в земной коре составляет около 60%, в свободном виде 12%. В других минералах также может содержаться кварц.

Для производства кварцевых резонаторов используют низкотемпературный кварц. Он обладает выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Химическая устойчивость кварца очень высока, растворить кварц способна только гидрофторидная кислота. По твердости кварц стоит на втором месте после алмаза. Кварцевую пластинку для резонатора изготавливают путем вырезания из кварца кусочка под заданным определенным углом. В зависимости от этого угла среза кварцевая пластинка отличается разными электромеханическими параметрами.

От вида среза зависит наличие или отсутствие паразитных частот, стабильность работы при любых температурах, частота колебаний. На обе стороны кварцевой пластинки наносят слой одного из дорогостоящих металлов: серебра, платины, никеля или даже золота. После этого пластинку фиксируют прочными проволочками в корпусе резонатора. Затем производят герметичную сборку корпуса.

Читайте также  Прибор для поиска арматуры в стене

В результате образуется колебательный контур, обладающий собственной частотой резонанса, определяющей работу всего резонатора. Если к электродам пластинки приложить переменное напряжение с частотой резонанса, то возникнет резонансный эффект, а амплитуда колебаний пластинки значительно повысится.

При этом резонатор уменьшит свое сопротивление на значительную величину. Этот процесс подобен тому процессу, который происходит в контуре колебаний последовательного вида (на основе катушки и конденсатора).

Потери энергии при возбуждении кварцевого резонатора на частоте резонанса очень малы, так как добротность кварцевого контура колебаний очень высока.

Эта эквивалентная схема состоит из:

  • R – Сопротивление.
  • С1 – Емкость.
  • L – Индуктивность.
  • С2 – Статическая электрическая емкость пластинок вместе с держателями.

Эти элементы определяют электромеханические параметры кварцевой пластинки. Если удалить монтажные элементы, получается последовательный контур .

При установке на монтажную плату, кварцевый резонатор не переносит чрезмерного нагрева, так как его конструкция очень хрупкая. Сильное нагревание может деформировать держатель и электроды, что отражается на функционировании готового кварцевого резонатора. Кварц полностью теряет свои свойства пьезоэлектрика при нагревании до температуры 5370 градусов. Однако паяльник не способен так сильно разогреваться.

На электрических схемах кварцевый резонатор обозначается по аналогии с конденсатором, но между пластин изображен прямоугольник, символизирующий кварцевую пластинку. На схеме резонатор обозначен «QX».

Обычно причиной неисправностью кварцевого резонатора становится сильный удар или падение устройства, в котором он находится. В этом случае резонатор подлежит замене на новый, с такими же параметрами. Такие неисправности возникают в маленьких приборах, которые проще уронить, или повредить. Но такие повреждения резонаторов встречаются не часто, и обычно неисправность устройства кроется совсем в другом.

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 защите корпуса:

  • Герметичные.
  • Негерметизированные.
  • Вакуумные.

По назначению:

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. Для многозвенных фильтров чаще всего применяются 4-х электродные, 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.

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 мегагерц. 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.

Похожие темы:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/kvartsevye-rezonatory/

Что такое кварцевый резонатор и как он работает?

Прибор для проверки частоты кварцев

19.07.2018

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.

Что это такое, и зачем он нужен

Прибор является источником, обеспечивающим гармонические колебания высокой точности. Имеет, при сравнении с аналогами, большую эффективность работы, стабильные параметры.

Первые образцы современных устройств появились на радиостанциях в 1920-1930 гг. как элементы, имеющие стабильную работу, способные задавать несущую частоту. Они:

  • пришли на смену кристальным резонаторам, работавшим на сегнетовой соли, появившимся в 1917 в результате изобретения Александра М. Николсона и отличавшимся нестабильностью;
  • заменили использовавшуюся ранее схему с катушкой и конденсатором, которая не отличалась большой добротностью (до 300) и зависела от температурных изменений.

Чуть позже кварцевые резонаторы стали составной частью таймеров, часов. Электронные компоненты с собственной резонансной частотой 32768 Гц, которая в двоичном 15-разрядном счетчике задает временной промежуток равный 1 секунде.

Приборы используются сегодня в:

  • кварцевых часах, обеспечивая им точность работы независимо от температуры окружающей среды;
  • измерительных приборах, гарантируя им высокую точность показателей;
  • морских эхолотах, которые применяются при исследованиях и создании карт дна, фиксации рифов, отмелей, поиска объектов, находящихся в воде;
  • схемах, соответствующих опорным генераторам, синтезирующим частоты;
  • схемах, применяемых при волновом указании SSB или сигнала телеграфа;
  • радиостанциях с DSB-сигналом с промежуточной частотой;
  • полосовых фильтрах приемников супергетеродинного типа, которые более стабильны и добротны, чем LC-фильтры.

Устройства изготавливаются с разными корпусами. Делятся на выводные, применяемые в объемном монтаже, и SMD, используемые в поверхностном монтаже.

Их работа зависит от надежности схемы включения, влияющей на:

  • отклонение частоты от необходимого значения, стабильность параметра;
  • темп старения прибора;
  • нагрузочную емкость.

Свойства кварцевого резонатора

Превосходит ранее существовавшие аналоги, что делает прибор незаменимым во многих электронных схемах и объясняет сферу использования устройства. Это подтверждается тем, что за первое десятилетие с момента изобретения в США (не считая другие страны) выпущено больше 100 тыс. штук приборов.

Среди положительных свойств кварцевых резонаторов, объясняющих популярность, востребованность устройств:

  • хорошая добротность, значения которой – 104-106 – превышают параметры ранее использовавшихся аналогов (имеют добротность 300);
  • небольшие габариты, которые могут измеряться долями миллиметра;
  • устойчивость к температуре, ее колебаниям;
  • долгий срок службы;
  • простота изготовления;
  • возможность построения каскадных фильтров высокого качества без использования ручной настройки.

Кварцевые резонаторы имеют и недостатки:

  • внешние элементы позволяют подстраивать частоту в узком диапазоне;
  • обладают хрупкой конструкцией;
  • не переносят чрезмерного нагрева.

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:

  • у элемента из кварца увеличивается амплитуда колебаний;
  • сильно уменьшается сопротивления резонатора.

Энергия, которая необходима для поддержания колебаний, в случае равенства частот низкая.

Обозначение кварцевого резонатора на электрической схеме

Прибор обозначается аналогично конденсатору. Отличие: между вертикальными отрезками помещен прямоугольник – символ пластинки, изготовленной из кварцевого кристалла. Боковые стороны прямоугольника и обкладки конденсатора разделяет зазор. Рядом на схеме может присутствовать буквенное обозначение прибора – QX.