Как проверить генерацию на кварце осциллографом

ПРИБОР ДЛЯ ПРОВЕРКИ ЧАСТОТЫ КВАРЦЕВ

Поводом для создания этого прибора послужило немалое количество накопившихся кварцевых резонаторов как купленных, так и выпаянных с разных плат, причём на многих отсутствовали всякие обозначения. Путешествуя по бескрайним просторам интернета и пробуя собрать и запустить различные схемы кварцевых тестеров, было решено придумать что-нибудь своё. После многих экспериментов с разными генераторами как на разных цифровых логиках, так и на транзисторах, остановил выбор на 74HC4060, правда устранить автоколебания тоже не удалось, но как оказалось при работе устройства это не создаёт помехи.

Кварцевый резонатор как проверить? Проверка кварцевых резонаторов

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.

Недостатки

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



Схема измерителя кварцев

ПРИБОР ДЛЯ ПРОВЕРКИ ЧАСТОТЫ КВАРЦЕВ - схема

За основу устройства взяты два генератора CD74HC4060 (74HC4060 не было в магазине, но судя по даташиту они ещё «круче»), один работает на низкой частоте, второй на высокой. Самыми низкочастотными какие у меня были, оказались часовые кварцы, а самым высокочастотным оказался негармониковый кварц на 30 МГц. Генераторы из-за их склонности к самовозбуждению было решено переключать просто коммутируя напряжение питания, о чём индицируют соответствующие светодиоды. После генераторов установил повторитель на логике. Возможно вместо резисторов R6 и R7 лучше установить конденсаторы (сам я не проверял).

ПРИБОР ДЛЯ ПРОВЕРКИ ЧАСТОТЫ КВАРЦЕВ

Как оказалось, в устройстве запускаются не только кварцы, но и всякие фильтры о двух и более ногах, которые с успехом и были подключены в соответствующие разъёмы. Один «двуногий» похожий на керамический конденсатор запустился на 4 МГЦ, который после был с успехом применён вместо кварцевого резонатора.

ПРИБОР ДЛЯ ПРОВЕРКИ ЧАСТОТЫ КВАРЦЕВ - детали

На снимках видно, что применены два вида разъёмов для проверки радиодеталей. Первый сделан из частей панелек – для выводных деталей, а второй представляет фрагмент платы приклеенный и припаянный к дорожкам через соответствующие отверстия – для SMD кварцевых резонаторов. Для вывода информации применён упрощённый частотомер на микроконтроллере PIC16F628 или PIC16F628A, который автоматически переключает предел измерения, то есть на индикаторе частота будет или в кГц или в МГц.

О кварцевом резонаторе замолвим слово

Кварцевым резонатором называют аналог колебательного контура, базирующегося на индуктивности и ёмкости. Но между ними есть разница в пользу первого. Как известно, для характеристики колебательного контура используют понятие добротности. В резонаторе на основе кварцев она достигает очень высоких 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 расположенного прямоугольника, который с обеих сторон «зажат» пластинами. Внешне на чертежах они напоминают гибрид конденсатора и резистора.

О деталях устройства

Часть платы собрана на выводных деталях, а часть на SMD. Плата разработана под ЖКИ индикатор "Винстар" однострочный WH1601A (это тот у которого контакты слева вверху), контакты 15 и 16, служащие для подсветки, не разведены, но кому надо может для себя добавить дорожки и детали. Я не развёл подсветку так как применил индикатор без подсветки от какого-то телефона на таком-же контроллере, но сначала стоял винстаровский. Кроме WH1601A можно применить WH1602B – двухстрочный, но вторая строка задействована не будет. Вместо транзистора, что на схеме можно применить любой такой же проводимости желательно с бОльшим h21. На плате разведены два входа питания, один от мини USB, другой через мост и 7805. Также предусмотрено место под стабилизатор в другом корпусе.

Как работает кварцевый резонатор?

Из кристалла кварца вырезается пластинка, кольцо или брусок. На него наносится как минимум два электрода, которые являются проводящими полосками. Пластинка закрепляется и имеет свою собственную резонансную частоту механических колебаний. Когда на электроды подаётся напряжения, то из-за пьезоэлектрического эффекта происходит сжатие, сдвиг или изгибание (зависимо от того, как вырезался кварц). Колеблющийся кристалл в таких случаях делает работу подобно катушке индуктивности. Если частота напряжения, что подаётся, равна или очень близка к собственным значениям, то требуется меньшее количество энергии при значительных отличиях для поддержания функционирования. Теперь можно переходить к освещению главной проблемы, из-за чего, собственно, и пишется эта статья про кварцевый резонатор. Как проверить его работоспособность? Было отобрано 3 способа, о которых и будет рассказано.

Разновидности

Генератор на транзисторе

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

Тип корпуса

  1. Объёмные радиокомпоненты.
  2. Плоские поверхностные модели.

Материал корпуса

  • Металл;
  • Стекло;
  • Полимер.

Форма прибора

  • Диск;
  • Цилиндр;
  • Прямоугольный параллелограмм.

Количество резонансных систем

  1. Одиночная.
  2. Двойная.

Защита корпуса

  • Герметичная;
  • Проницаемая;
  • Вакуумная.

Назначение

  1. Фильтрация.
  2. Генерация.

Настройка прибора

При настройке кнопкой S1 включить режим НЧ (загорится светодиод VD1) и воткнув в соответствующий разъём кварцевый резонатор на 32768Гц (желательно с материнской платы компьютера) подстроечным конденсатором С11 установить на индикаторе частоту 32768Гц. Резистором R8 устанавливается максимальная чувствительность. Все файлы – платы, прошивки, даташиты на используемые радиоэлементы и другое, скачайте в архиве. Автор проекта – nefedot.

Форум по обсуждению материала ПРИБОР ДЛЯ ПРОВЕРКИ ЧАСТОТЫ КВАРЦЕВ

Изучим различные типы стабилизаторов напряжения – от простых схем на стабилитроне, до транзисторных и микросхемных.

Принципиальная схема усилителя наушников с микросхемой MAX4410 и искажениями всего 0,003%.

Схема усилителя и микрофона из пьезоэлемента, подходящая для сборки своими руками.

Что означают термины переключатель, тумблер и кнопка – в чём главные различия и особенности применения каждого из них.

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.

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

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.


/>

Пьезоэлектрики

На самом деле, кварц – это один из самых распространенных минералов в земной коре. Его доля составляет около 60%! Если полупроводниковые радиокомпоненты в основном делают из кремния, то кварц тоже состоит из кремния но в связке с кислородом. Его химическая формула SiO2.

Выглядит минерал кварц примерно вот так.

минерал кварц

минерал кварц

Ну прямо как сокровище какое-то! Но ценность этого сокровища спрятана не в самом кварце, а в том, каким свойством он обладает. И этот эффект кварца сделал революцию в прецизионной (точной) электронике для генерации высокостабильных колебаний электрического сигнала.

Еще в 19 веке два брата Кюри обнаружили интересное свойство некоторых твердых кристаллов генерировать ЭДС , деформируя эти кристаллы. Деформация – это изменение формы какого-либо тела с помощью кручения, удара, растяжения и так далее. Так вот, ударяя по таким кристаллам, они обнаружили, что те могут выдавать какое-либо кратковременное напряжение.

Но они также обнаружили еще и обратный эффект. При подаче напряжения на такие кристаллы, эти кристаллы деформировались сами. Невооруженным глазом это было практически не заметно. Такой эффект назвали пьезоэффектом, а вещества – пьезоэлектриками.

Следует заметить, что ЭДС возникает только в процессе сжатия или растяжения. Может быть вы подумали, что можно прижать такой кристалл какой-нибудь увесистой болванкой и всю жизнь получать из него энергию? Как бы не так! Кстати, радиоэлемент пьезоизлучатель тоже относится к пьезоэлектрикам, и из него можно получить ЭДС. Ниже можно рассмотреть этот случай на видео. Светодиод, подпаянный к пьезоизлучателю, зажигается при ударе самого пьезоизлучателя.

Не так давно смотрел фильм по National Geographic. Там целые пьезоэлектрические плиты устанавливали на дороге. По ним ходили люди и вырабатывали электрическую энергию, сами того не подозревая). Кстати, очень халявная, чистая и возобновляемая энергия. Ладно, что-то отвлекся… Так вот, кристаллы кварца тоже обладают пьезоэффектом и способны также вырабатывать ЭДС или деформироваться (изгибаться, изменять форму) под воздействием электрического тока.

Возможные причины выхода из строя

Существует довольно много способов вывести свой кварцевый резонатор из строя. С некоторыми самыми популярными стоит ознакомиться, чтобы в будущем избежать каких-то проблем:

  1. Падения с высоты. Самая популярная причина. Помните: всегда необходимо содержать рабочее место в полном порядке и следить за своими действиями.
  2. Присутствие постоянного напряжения. В целом кварцевые резонаторы не боятся его. Но прецеденты были. Для проверки работоспособности включите последовательно конденсатор на 1000 мФ – этот шаг возвратит его в строй или позволит избежать негативных последствий.
  3. Слишком большая амплитуда сигнала. Решить данную проблему можно разными способами:
  • Увести частоту генерации немного в сторону, чтобы она отличалась от основного показателя механического резонанса кварца. Это более сложный вариант.
  • Понизить количество Вольт, что питают сам генератор. Это более лёгкий вариант.
  • Проверить, вышел ли кварцевый резонатор действительно из строя. Так, причиной падения активности может быть флюс или посторонние частицы (необходимо в таком случае его качественно очистить). Также может быть, что слишком активно эксплуатировалась изоляция, и она потеряла свои свойства. Для контрольной проверки по этому пункту можно на КТ315 спаять «трехточку» и проверить осцом (одновременно можно сравнить активность).

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.

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Егор Новиков
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий