Кварцевые резонаторы – принцип работы и сфера применения

Кварцевый резонатор – радиодеталь, использующая пьезоэлектрический эффект. Он характеризуется тем, что под механическим воздействием между противоположными сторонами диэлектрика возникает электрическое поле. Эффект может быть обратным. То есть электрический потенциал может вызывать деформацию тела диэлектрика. Идеальным материалом для резонатора служит минерал – кварц.

Разновидности

Кварцевые радиокомпоненты бывают различных видов, в зависимости от предъявляемых к ним требований. КР разделяют по следующим признакам.

1. Объёмные радиокомпоненты.
2. Плоские поверхностные модели.

• Металл;
• Стекло;
• Полимер.

• Диск;
• Цилиндр;
• Прямоугольный параллелограмм.

1. Одиночная.
2. Двойная.

• Герметичная;
• Проницаемая;
• Вакуумная.

1. Фильтрация.
2. Генерация.

Свойства кварцевого резонатора

Генератор на транзисторе

Во многих приборах резонансный радиокомпонент является незаменимым элементом. К положительным свойствам КР относятся:

• Хорошая добротность превышает этот показатель аналогичных устройств. Добротность характеризует ширину резонанса, определяющую, во сколько раз запас энергии больше её потери за время изменения фазы на 1 радиан. Кварц достигает значений добротности в 104-106 раз больше, чем эквивалентный колебательный контур.
• Невосприимчивость к перепадам температуры окружающей среды;
• Каскадные фильтры на кварцевых радиодеталях позволяют обходиться без ручной настройки;
• Большой срок службы;
• Простота устройства прибора делает КР доступной деталью на радиорынке.

Корпуса кварцев в SMD исполнение

ТипоразмерABCDE5032 (MJ)5,0 мм3,2 мм2,6 мм2,3 мм0,8 мм7050 (MQ)7,0 мм5,0 мм4,6 мм2,5 мм1,3 мм

Принцип работы кварцевого резонатора

Работа устройства основана на пьезоэффекте минеральной пластинки. Её вырезают из массива минерала под определённым углом. Параметр уклона обеспечивает необходимые электрохимические характеристики радиокомпонента.

Пластинку покрывают с обеих сторон драгоценным металлом (в основном серебром). К покрытию минерала припаивают выводные электродные ножки. Конструкцию заключают в герметичный корпус прибора. Прибор представляет собой колебательный контур, который имеет собственную резонансную частоту.

Важно! Переменное напряжение, сообщаемое электродам, заставляет кристалл деформироваться (изгибаться, сжиматься или сдвигаться). Одновременно с этим на его поверхности появляется ЭДС. Когда частота тока совпадает с частотой колебаний кварца, возникает эффект резонанса. В результате увеличивается амплитуда колебаний элемента, и сильно падает величина сопротивления радиодетали.

Обозначение кварцевого резонатора на электросхеме

Схематичное изображение КР похоже на обозначение конденсатора, только между вертикальными линиями помещают прямоугольник. Эта фигура символизирует кварцевую пластинку. Обозначать прибор принято буквами «QX».

Обозначение на схеме кварцевого резонатора

Маркировка рабочей частоты нанесена на корпусе резонатора. Например, 12000 означает, что прибор работает в диапазоне 12 тыс. МГц.

Эквивалентная электрическая схема

Основным элементом КР является кристалл кварца, который воспроизводит электромеханические колебания. Электронный элемент можно заменить эквивалентной электрической схемой – колебательным контуром с аналогичными параметрами.

Сопротивление эквивалента равно сопротивлению пьезоэлектрического прибора с близкими к резонансу частотами. Последовательно соединённые в одну схему динамические элементы (катушка индуктивности Lk, ёмкость Cx, сопротивление Rk) выстроены совместно с параллельно соединёнными ёмкостями кварца Co и его держателя C1. Эквивалентная электрическая схема имеет численное значение механических колебаний, соответствующее этому параметру у КР.

Эквивалентная схема и график зависимости сопротивления эквивалента от частоты кварцевого резонатора

Последний и наименее распространенный…

Существует не так много ситуаций, когда требуется генератор на внешних резисторе-конденсаторе или только на конденсаторе. Если по какой-то причине вам не подходят варианты внешних генераторов, рассмотренные выше, выбирайте микроконтроллер с внутренним генератором и используйте его. Однако, если вы полны решимости откопать один или два пассивных компонента из своей коробки запчастей, обратитесь к техническому описанию микроконтроллера за инструкциями по подключению и проектированию схемы генератора. Ниже показаны примеры подключения компонентов, взятые из технического описания на микроконтроллеры C8051F12x – 13x от Silicon Labs:

Варианты использования внешних резисторов и конденсаторов для создания схемы тактового генератора микроконтроллера

И вы можете обратиться к странице 190 этого же технического описания для получения информации о выборе значений компонентов.

Как проверить кварцевый резонатор

Резонатор – довольно хрупкий прибор. При резком динамическом воздействии на корпус радиоэлектронного устройства КР может выйти из строя. Это скажется на работе всего аппарата. В этой ситуации мастер должен проверить работу кварцевого резонатора. Делают проверку с помощью тестера, схема которого состоит из транзистора КТ3102, пяти конденсаторов и двух резисторов. Собрать такой тестер даже для рядового радиолюбителя не составит особых трудностей. Как это сделать, видно на рисунке.

Выводы резонатора подключают между отрицательным выходом и базой транзистора через защитный конденсатор. По частотомеру определяют величину резонанса. Дополнительно соединяют его вход и выход через конденсатор (частомер). Всю схему запитывают постоянным током напряжением 9 вольт. Если прибор исправен, то на эмиттере транзистора возникает переменное напряжение. При этом частоты тока и прибора совпадают.

Резонатор считают неисправным, если частомер не выдаёт никаких показаний, либо показания отличаются от номинальной характеристики. Повреждённую деталь заменяют новым прибором.

При настройке контуров присутствие ёмкости С1 в тестере обязательно. При проверке КР в схеме контроллера можно обойтись без этой детали.

Обратите внимание! Указанный тестер работает в диапазоне частот 15-20 МГц. Для других частотных интервалов собирают устройства на микросхемах.

КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ GEYER ELECTRONIC

Geyer Electronic выпускает кварцевые генераторы для тактирования цифровых схем. Кварцевый генератор — это кварцевый резонатор и схема автогенератора в одном корпусе. В последние годы все большую популярность приобретают кварцевые генераторы в миниатюрных корпусах для поверхностного монтажа. Их основные параметры сведены в таблицу 3.

Таблица 3. Кварцевые генераторы Geyer Electronic для поверхностного монтажа

1, 2 — см. сноски для таблицы 1 4 ±50 (±100) в скобках указано значение нестабильности для диапазона температур от -40 до 85°С 5 доступны с напряжениями питания 1,8/2,5/3,0 B (с допуском ±10%)

Большинство современных микроконтроллеров и цифровых процессоров уже содержат встроенную схему автогенератора. Остается только подключить внешний кварцевый резонатор. Однако для многих приложений удобнее именно кварцевый генератор. В этом случае устройство получается компактнее и надежнее, а разработчику остается только правильно выбрать подходящий генератор. Расчет, изготовление и настройка собственной схемы кварцевого генератора для частот более 30…40 МГц требует определенных профессиональных знаний, опыта и специального оборудования. Даже на частотах до 30 МГц генератор, собранный на дискретных компонентах, часто запускается не на той частоте. Применение готового кварцевого генератора всегда гарантирует стабильный результат при меньшей занимаемой площади на печатной плате. Большинство серий кварцевых генераторов Geyer Electronic имеют вход для отключения выхода (перевода в третье состояние с большим выходным сопротивлением). Кварцевые генераторы широко применяют в портативных радиостанциях, в качестве опорных генераторов в GPS- или ГЛОНАСС-навигаторах, в системах точного измерения времени.

Компания также выпускает следующие типы кварцевых генераторов:

• кварцевые генераторы, управляемые напряжением (VCXO- Voltage Controlled Crystal Oscillator). Частоту такого генератора в определенных пределах можно изменить, подавая управляющее напряжение на соответствующий вход;
• термокомпенсированные кварцевые генераторы (TCXO- Temperature Compensated Crystal Oscillator). Эти генераторы имеют высокую температурную стабильность благодаря аналоговому или цифровому методу компенсации зависимости частоты от температуры. Термокомпенсированные кварцевые генераторы применяются в устройствах, где требуется быстрый выход на рабочий режим и повышенная стабильность частоты (радиолокационные станции, опорные генераторы мобильных и переносных радиопередающих устройств и т.п.);
• термокомпенсированные кварцевые генераторы, управляемые напряжением (VCTCXO- Voltage Controlled Temperature Compensated Crystal Oscillator). Возможность корректировки частоты внешним управляющим напряжением позволяет при необходимости еще больше повысить стабильность генерируемой частоты. Генераторы, управляемые напряжением применяются в системах фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ), частотной модуляции (ЧМ), импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).

Для многих разработчиков могут представлять интерес керамические резонаторы Geyer Electronic серий KX-ZTT, KX-ZTA, KX-XTB.

С помощью рисунка 3 можно легко сравнить габаритные размеры разных серий кварцевых резонаторов, генераторов и керамических резонаторов Geyer Electronic.

Применение

С развитием радиоэлектроники КР нашли своё применение в таких приборах, как:

• кварцевые часы работают на основе эффекта кварцевого резонанса, что позволяет им функционировать с максимальной точностью;
• различные измерительные устройства, оснащённые кварцевыми резонаторами, являются высокоточными приборами;
• морские эхолоты, благодаря кварцевым резонаторам, определяют местонахождение различных объектов на большой глубине под водой (рельеф дна, отмели и разные крупные и мелкие предметы);
• опорные генераторы;
• радиостанции;
• полосовые фильтры радиоприёмников.

Кварцевые резонаторы обладают непревзойдённой точностью метрологических параметров. Высокая эффективность работы вызвала повсеместную замену аналоговых приборов на кварцевые устройства.

Дополнительная информация. Появление нового материала такого, как графен, может в будущем совершенно изменить конструкцию резонатора.

К недостаткам прибора можно отнести тонкость кварцевой пластины, что создаёт риск её повреждения.

Варианты генерирования тактового сигнала

Каждому микроконтроллеру нужен источник тактового сигнала. Процессор, шина памяти, периферия – тактовые сигналы находятся внутри микроконтроллера. Они определяют скорость, с которой процессор выполняет инструкции, скорость передачи сигналов по последовательной связи, количество времени, необходимое для выполнения аналого-цифрового преобразования, и многое другое.

Всё это тактирующее действие приводит к источнику тактового сигнала, а именно к генератору. Поэтому вам необходимо убедиться, что ваш генератор сможет поддерживать любую производительность, которую вы ожидаете от своего микроконтроллера. Однако, в то же время некоторые варианты генераторов более сложны или дороги, по сравнению с другими. Поэтому ваш выбор генератора должен также основываться на важности снижения затрат и сложности, когда это возможно.

Существует довольно много способов формирования тактового сигнала для микроконтроллера. Техническое описание для вашего конкретного устройства должно содержать достаточно много информации о том, какие типы генераторов вы можете использовать, и как реализовать их таким образом, чтобы это было совместимо с аппаратным обеспечением устройства. В данной статье основное внимание будет уделено преимуществам и недостаткам различных источников тактовых импульсов, чтобы вы могли осмысленнее сделать выбор среди вариантов генераторов, описанных в техническом описании на ваш микроконтроллер.

Итак, давайте начнем со списка, а затем обсудим каждый вариант:

• внутренний: обычно (насколько я знаю, всегда) схема резистор-конденсатор;
• петля фазовой автоподстройки частоты с дальнейшим умножением частоты;

генератор на CMOS логике;

Возможные причины выхода из строя

Слабой стороной КР считается непереносимость перегрева. В случае нагрева платы резонатор теряет свои качества и может разрушиться. Учитывая хрупкое крепление кристалла, резонатор нужно уберегать от случайных ударов. В результате резкого толчка кварцевая пластинка может потерять устойчивость и выпасть из рамки.

Область применения кварцевых резонаторов постоянно расширяется. Возможность изготовления радиокомпонентов миниатюрных размеров позволяет использовать их в устройствах небольших габаритов. Широкий ассортимент КР, представленный на радиорынке, даёт возможность подобрать нужную модель устройства по доступной цене.