| |||||||||||||
www.quartz1.com
Кварцевые резонаторы SMD 0532Кварцевые резонаторы SMD 0705 серия MQУпаковка: В блистр-ленте на катушке диаметром 180 мм по 1000 кварцевых резонаторов.Возможна поставка кварцевых резонаторов на частоты заказчика:
|
| Типоразмер | A | B | C | D | E |
|---|---|---|---|---|---|
| 0532 (MJ) | 5,0 мм | 3,2 мм | 2,6 мм | 2,3 мм | 0,8 мм |
| 0705 (MQ) | 7,0 мм | 5,0 мм | 4,6 мм | 2,5 мм | 1,3 мм |
Технические характеристики кварцевых резонаторов для поверхностного монтажа
| Маркировка резонатора | Диапазон частот | Емкость нагрузки | Шунтирующая емкость | Сопротивление потерь | Отклонение частоты | Температурная стабильность | Долговременная стабильность |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MJ (0532) | 8,0…80 МГц | 12 пФ | 3,0 пФ типовая | 25 Ом | 30 ppm | ± 20 ppm | ± 2 ppm |
| MQ (0705) | 8,0…110 МГц | 12 пФ | 3,0 пФ типовая | 25 Ом | 25 ppm | ± 20 ppm | ± 2 ppm |
Кварцевые резонаторы представляют собой кристалл кварца с нанесенными на его поверхность двумя электродами. Кристалл закреплен в корпусе, при подаче на него переменного электрического напряжения, система меняет свои механические характеристики. При совпадении часто электрического воздействия и собственного резонанса кварцевой механической системы происходит понижение затрат энергии необходимой для поддержания генерации. Это свойство используется в колебательном контуре, включенном в цепь генератора частоты. Высокая добротность резонансной характеристики колебательного контура используемой в схеме генератора позволяет получать стабильную частоту на его выходе. SMD кварцевые генераторы широко используются в изделиях электронной техники в качестве генераторов тактовой частоты синхронизирующих работу узлов и блоков приборов. Предельное значение резонансной частоты кварцевого резонатора ограничено механическими размерами и свойствами структуры кристалла, имеют максимальное значение частоты около 150МГц в случае использования мезо структуры резонатора. В SMD корпусах аналогичных типоразмеров 0532 и 0705 поставляются кварцевые тактовые генераторы для поверхностного монтажа в диапазоне частот от 6МГц до 150МГц. В SMD корпусах меньших типоразмеров SS и 3215 поставляются часовые кварцевые резонаторы. Для бюджетных применений предназначен микроминиатюрный керамический SMD резонатор Murata на 16МГц. Для стабилизации более высоких частот применяют SMD ПАВ резонаторы на 433,92МГц
Технические характеристики кварцевых резонаторов SMD 0532 для поверхностного монтажа
Технические характеристики кварцевых резонаторов SMD 0705 для поверхностного монтажа
Корзина пуста
Мы надеемся, что вся информация, представленная в каталоге, будет полезна и производителям промэлектроники, и сервисным центрам, и радиолюбителям.
Информация по размерам контактных площадок электронных компонентов, применяемых для разработки, сборки и монтажа печатных плат, находится в разделе Печатные платы.
www.smd.ru
Кварцевый резонатор — Википедия
Кварцевый резонатор в кристаллодержателе по ГОСТ 2.736-68[1]Ква́рцевый резона́тор (жарг. «кварц») — электронный прибор, в котором пьезоэлектрический эффект и явление механического резонанса используются для построения высокодобротного резонансного элемента электронной схемы.
Следует отличать кварцевый резонатор от устройств, использующих другие пьезоэлектрические материалы — например, специальную керамику (см. керамический резонатор[en]).
На пластинку, тонкий цилиндр, кольцо или брусок, вырезанные из кристалла кварца с определённой ориентацией относительно кристаллографических осей монокристалла нанесены 2 или более электродов — проводящие металлические полоски, выполненные напылением в вакууме или вжиганием плёнки металла на заданные поверхности кристалла.
Резонатор механически крепится в узлах рабочей моды колебаний, чтобы снизить потери колебательной энергии через крепление кристалла. Для иных мод колебаний узлы собственных колебаний расположены в иных местах кристалла и поэтому иные моды колебаний подавлены. Для рабочей моды колебаний кристалл имеет некоторую собственную резонансную частоту механических колебаний, причем на этой частоте добротность механического резонатора очень высока.
При подаче напряжения на электроды благодаря обратному пьезоэлектрическому эффекту происходит изгиб, сжатие или сдвиг в зависимости от того, каким образом вырезан кристалл относительно кристаллографических осей, конфигурации возбуждающих электродов и расположения точек крепления.
Собственные колебания кристалла в результате пьезоэлектрического эффекта наводят на электродах дополнительную ЭДС и поэтому кварцевый резонатор электрически ведёт себя подобно резонансной цепи, — колебательному контуру, составленному из конденсаторов, индуктивности и резистора, причем добротность этой эквивалентной электрической цепи очень велика и близка к добротности собственных механических колебаний кристалла.
Если частота подаваемого напряжения равна или близка к частоте собственных механических колебаний пластинки, затраты энергии на поддержание колебаний пластинки оказываются намного ниже, нежели при большом отличии частоты. Это тоже соответствует поведению электрического колебательного контура.
Условное обозначение кварцевого резонатора (сверху) и его эквивалентная схема (снизу)По поведению в электрических цепях кварцевый резонатор можно в первом приближении представить в виде эквивалентной электрической схемы, изображённой на рисунке где:
- C0{\displaystyle C_{0}} — собственная ёмкость кристалла, образуемая электродами на кристалле — обкладками конденсатора, где диэлектриком является сам кристалл и параллельно соединённой с этой ёмкостью паразитной ёмкостью кристаллодержателя и электрических выводов;
- C1{\displaystyle C_{1}}, L1{\displaystyle L_{1}} — эквивалентные ёмкость и индуктивность механической колебательной системы резонатора;
- R1{\displaystyle R_{1}} — эквивалентное сопротивление потерь механической колебательной системы.
Математически электрический импеданс в виде преобразования Лапласа можно по правилам параллельного и последовательного соединения двухполюсников записать:
- Z(s)=(1s⋅C1+s⋅L1+R1)‖(1s⋅C0),{\displaystyle Z(s)=\left({{\frac {1}{s\cdot C_{1}}}+s\cdot L_{1}+R_{1}}\right)\left\|\left({\frac {1}{s\cdot C_{0}}}\right)\right.,}
- где s=jω{\displaystyle s=j\omega } — комплексная частота преобразования Лапласа, двумя вертикальными чертами обозначено параллельное соединение конденсатора C0{\displaystyle C_{0}} и цепи, состоящей из последовательно соединённых C1{\displaystyle C_{1}}, L1{\displaystyle L_{1}}, R1{\displaystyle R_{1}},
или:
- Z(s)=s2+sR1L1+ωs2s⋅C0⋅(s2+sR1L1+ωp2).{\displaystyle Z(s)={\frac {s^{2}+s{\frac {R_{1}}{L_{1}}}+{\omega _{\mathrm {s} }}^{2}}{s\cdot C_{0}\cdot (s^{2}+s{\frac {R_{1}}{L_{1}}}+{\omega _{\mathrm {p} }}^{2})}}.}
В такой эквивалентной схеме наблюдается два вида резонанса — последовательный, который наступает при равенстве реактивных сопротивлений XC1{\displaystyle X_{C_{1}}} и XL1{\displaystyle X_{L_{1}}}, при этом резонансе полное электрическое сопротивление (модуль импеданса) мало и практически равно R1{\displaystyle R_{1}} и параллельный резонанс, при котором равны полные сопротивления XL1{\displaystyle X_{L_{1}}} и полное сопротивление цепи, состоящей их последовательно соединённых пары конденсаторов XC1,C2{\displaystyle X_{C_{1},C_{2}}}, при этом полное сопротивление цепи велико, так как ток при резонансе протекает во внутреннем контуре, состоящем из всех двухполюсников эквивалентной схемы.
Резонансная частота последовательного резонанса ωs{\displaystyle \omega _{\mathrm {s} }}:
- ωs=1L1⋅C1.{\displaystyle \omega _{\mathrm {s} }={\frac {1}{\sqrt {L_{1}\cdot C_{1}}}}.}
Резонансная частота параллельного резонанса ωp{\displaystyle \omega _{\mathrm {p} }}:
- ωp=C1+C0L1⋅C1⋅C0=ωs1+C1C0.{\displaystyle \omega _{\mathrm {p} }={\sqrt {\frac {C_{1}+C_{0}}{L_{1}\cdot C_{1}\cdot C_{0}}}}=\omega _{s}{\sqrt {1+{\frac {C_{1}}{C_{0}}}}}.}
Измерением импеданса кварцевого резонатора на четырёх различных частотах после решения системы 4 уравнений можно определить параметры всех двухполюсников, входящих в эквивалентную схему. Практически, типичная ёмкость конденсатора C1{\displaystyle C_{1}} составляет десятые и даже сотые доли пФ, индуктивность L1{\displaystyle L_{1}} единицы-десятки Гн, сопротивление R1{\displaystyle R_{1}} — десятки-сотни Ом, паразитная ёмкость C0{\displaystyle C_{0}} — десятки пФ.
Так как волновое сопротивление Rw=L1C1{\displaystyle R_{w}={\sqrt {\frac {L_{1}}{C_{1}}}}} при последовательном и параллельном резонансах очень велико относительно последовательного сопротивления R1{\displaystyle R_{1}}, это обеспечивает очень высокую добротность резонансной цепи, достигающей нескольких миллионов.
Так как практически C0≫C1{\displaystyle C_{0}\gg C_{1}} формулу для частоты параллельного резонанса можно упростить:
- ωp=C1+C0L1⋅C1⋅C0=ωs1+C1C0≈ωs(1+C12C0).{\displaystyle \omega _{\mathrm {p} }={\sqrt {\frac {C_{1}+C_{0}}{L_{1}\cdot C_{1}\cdot C_{0}}}}=\omega _{s}{\sqrt {1+{\frac {C_{1}}{C_{0}}}}}\approx \omega _{s}\left(1+{\frac {C_{1}}{2C_{0}}}\right).}
Опять же, так как C0≫C1{\displaystyle C_{0}\gg C_{1}} из формул следует, что частоты последовательного и параллельного резонансов очень близки, например, для типичных C1=0,1{\displaystyle C_{1}=0,1} пФ и C0=10{\displaystyle C_{0}=10} пФ для кварцевого резонатора в несколько МГц частоты резонансов различаются на 0,5 %.
Резонансную частоту последовательного резонанса ωs{\displaystyle \omega _{\mathrm {s} }} невозможно изменить подключением к кварцевому резонатору внешней цепи, так как индуктивность и ёмкость C1{\displaystyle C_{1}}, L1{\displaystyle L_{1}} эквивалентной схемы определяются собственным механическим резонансом кристалла.
Резонансную частоту параллельного резонанса можно снижать в небольших пределах, практически на доли процента, так как C0≫C1{\displaystyle C_{0}\gg C_{1}} и ёмкость C0{\displaystyle C_{0}} входит в формулу для частоты подключением к кварцевому резонатору внешнего конденсатора. Также возможно в малых пределах увеличить резонансную частоту подключением внешней катушки индуктивности, этот способ применяется редко.
Изготовители кварцевых резонаторов при их изготовлении механически юстируют резонансную частоту при некотором подключённом внешнем конденсаторе. Ёмкость конденсатора, обеспечивающего заявленную изготовителем частоту параллельного резонанса обычно указывают в спецификации на конкретный резонатор, без подключения этого внешнего конденсатора резонансная частота будет немного выше.
Кварцевый резонатор в герметичном стеклянном корпусе пальчикового бесцокольного исполнения
Резонатор на 4 МГц в миниатюрном металлическом герметизированном корпусе HC-49/US
Металлические корпуса разнообразных размеровПьезоэлектрический эффект был впервые открыт братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. Поль Ланжевен впервые практически использовал этот эффект в ультразвуковом излучателе и приемнике ультразвука в гидролокатора перед первой мировой войной.
Первый электромеханический резонатор, на основе сегнетовой соли, был изготовлен в 1917 году и запатентован в 1918 году Александром М. Николсоном (Alexander M. Nicholson) из компании Bell Telephone Laboratories, хотя его приоритет оспаривался Уолтером Гайтоном Кэди (Walter Guyton Cady), который изготовил кварцевый резонатор в 1921 году.
Некоторые улучшения в конструкцию кварцевых резонаторов предложены позже Льюисом Эссеном и Джорджем Вашингтоном Пирсом (George Washington Pierce).
Первые стабильные по частоте кварцевые резонаторы были разработаны в 1920—1930-х годах. Начиная с 1926 года, кварцевые резонаторы на радиостанциях стали использоваться в качестве элементов, задающих несущую частоту. В это же время резко возросло количество компаний, начавших выпускать кварцевые резонаторы, например, только до 1939 года в США было выпущено более чем 100 тыс. штук.
Одним из самых популярных видов резонаторов являются резонаторы, применяемые в часовых схемах и таймерах. Резонансная частота часовых резонаторов составляет 32 768 Гц; будучи поделённой на 15-разрядном двоичном счётчике, она даёт интервал времени в 1 секунду.
Применяются в генераторах с фиксированной частотой, где необходима высокая стабильность частоты. В частности, в опорных генераторах синтезаторов частот и в трансиверных радиостанциях для формирования DSB-сигнала на промежуточной частоте и детектирования SSB или телеграфного сигнала.
Также применяются в кварцевых полосовых фильтрах промежуточной частоты супергетеродинных приёмников. Такие фильтры могут выполняться по лестничной или дифференциальной схеме и отличаются очень высокой добротностью и стабильностью по сравнению с LC-фильтрами.
По типу корпуса кварцевые резонаторы могут быть выводные для объёмного монтажа (стандартные и цилиндрические) и для поверхностного монтажа (SMD).
Качество схемы, в которую входят кварцевые резонаторы, определяют такие параметры, как допуск по частоте (отклонение частоты), стабильность частоты, нагрузочная ёмкость, старение.
Преимущества[править | править код]
- Достижение намного бо́льших значений добротности (104—106) эквивалентного колебательного контура, нежели любым другим способом.
- Малые размеры устройства (вплоть до долей миллиметра).
- Высокая температурная стабильность.
- Большая долговечность.
- Лучшая технологичность.
- Построение качественных каскадных фильтров без необходимости их ручной настройки.
Недостатки[править | править код]
- Чрезвычайно узкий диапазон подстройки частоты внешними элементами. На практике для многодиапазонных систем эта проблема решается построением синтезаторов частот различной степени сложности.
- Смагин А. Г., Ярославский М. И. Пьезоэлектричество кварца и кварцевые резонаторы. — М.: «Энергия», 1970. — 488 с. — 6000 экз.
- Альтшуллер Г. Б. Кварцевая стабилизация частоты. — М.: «Связь», 1974. — 272 с. — 5600 экз.
- Андросова В. Г., Банков В. Н., Дикиджи А. Н. и др. Справочник по кварцевым резонаторам / Под ред. П. Г. Позднякова. — Связь, 1978. — 288 с. — 15 000 экз.
- Глюкман Л. И. Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1981. — 232 с. — 10 000 экз.
- Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объёмных и поверхностных акустических волнах: Материалы, технология, конструкция, применение: Пер. с чешск. — М.: Мир, 1990. — 584 с. — 4050 экз. — ISBN 5-03-001086-6.
- Ладик А. И., Сташкевич А. И. Изделия электронной техники. Пьезоэлектрические и электромеханические приборы: Справочник. — М.: Радио и связь, 1993. — 104 с. — 3000 экз. — ISBN 5-256-01145-6, ISBN 5-256-00588-X.
ru.wikipedia.org
Кое-что о кварцевых резонаторах | Valentinych.ru
Кварцевые резонаторы… Элементы, которые позволяют приемникам и передатчикам «разговаривать на одном языке», точнее, «на одной волне». С этими хрупкими и нежными радиодеталями рано или поздно приходится сталкиваться каждому моделисту RC-шнику. И каждый моделист должен знать, как подобрать оптимальный комплект кварцев для своей аппаратуры.
Кристалл кварца обладает очень интересным свойством, которое в физике называется «пьезоэлектрическим эффектом». Он способен деформироваться под воздействием электрического напряжения, приложенного к граням его кристаллической решетки. И наоборот, при деформации кристалла под воздействием внешней механической силы, на гранях его кристаллической решетки возникает разность потенциалов. Наряду с этим, химически чистый кристалл кварца, распиленный вдоль осей кристаллической решетки на тонкие пластины или брусочки, имеет ярко выраженные резонансные свойства. Эти две особенности кварцевых пластин и лежат в основе радиоэлектронного прибора, который называется кварцевым резонатором. При совпадении частоты приложенного к кварцу переменного высокочастотного напряжения с одной из его собственных механических резонансных частот, возникает явление электромеханического резонанса, приводящее к резкому увеличению электрической проводимости, а точнее, к изменению динамического сопротивления кристалла.
Кварцевые резонаторы могут быть разной конструкции, иметь различную «упаковку» (разные типы корпусов — пластмассовые, стеклянные, металлические, самых разных форм и размеров), но все они предназначены для стабилизации частоты в радиоэлектронных устройствах. Нас в первую очередь интересуют те разновидности кварцевых резонаторов, которые применяются в RC-аппаратуре. Так какие же конкретно параметры характеризуют кварцевый резонатор, или, как говорят обычно, «кварц»?
Прежде всего, это резонансная частота. Промышленностью выпускаются кварцы на резонансные частоты от сотен герц до сотен мегагерц. Кварцы, предназначенные для работы в низкочастотном диапазоне, обычно резонируют на основной, «фундаментальной» гармонике. Исходный кристалл (как правило, искусственный) при изготовлении таких резонаторов распиливается параллельно одной из осей кристаллической решетки. Для более высокочастотных резонаторов кристалл пилится по другим осям, а вот «гармониковые» кварцы, т.е. те, которые предназначены для работы на самых высоких частотах, вплоть до 150 — 300 МГц, изготавливают особенно тщательно, по сложной технологии, основанной на данных кристаллографии. После распиловки и контурной обработки заготовки на ее определенные грани методом вакуумного напыления наносятся тонкие слои серебра. Затем кварц устанавливают в кристаллодержатель (попросту — припаивают в строго определенные точки напыленного слоя серебра тонкие пружинные проволочки из серебряного или золотого сплава) и всю эту конструкцию помещают в герметичный корпус, из которого выкачивают воздух и заполняют его инертным газом. Все эти сложности необходимы для того, чтобы обеспечить долговременную стабильность электромеханических параметров резонатора. Очевидно, что такая сложная и «изящная» конструкция не может быть очень прочной. Именно поэтому с кварцами необходимо обращаться предельно аккуратно, оберегая их от случайных ударов и сильных вибраций.
Вернемся к резонансной частоте. Как уже было сказано, в основном она зависит от геометрии пластины. Особо прецизионные (сверхточные) кварцы в процессе производства «настраивают» на нужную частоту путем «припиловки» пластины, дополнительного напыления или травления уже напыленного токопроводящего слоя. Этот процесс может продолжаться несколько дней, а то и недель… Можно только предполагать выходную стоимость такого сверхточного прибора. В массовом производстве резонаторы, естественно, не настраивают. При подготовке к выпуску партии на определенную частоту, по кристаллографическим картам определяют базовые размеры заготовок, рассчитывают толщину напыляемого слоя, а по окончании всего технологического цикла всю партию отправляют на сортировку.
Допустим, изготовлена партия кварцев в количестве 5.000 штук на расчетную частоту 10.000.000 Гц. По допускам, кварц на «реперную», т.е. расчетную частоту может иметь отклонение (разброс) не более 0.00001%. На нашей частоте 10 МГц — это +/- 1 Гц. Таких кварцев в партии наберется всего штук 50, а то и меньше. Они, в итоге, будут самыми дорогими. Штук 100 — 200 «поместятся» в диапазон +/- 10 Гц относительно «нулевой» частоты. Эти кварцы тоже будут недешевы. 2.000 — 3.000 кварцев окажутся с допуском +/- 100 Гц, это так называемая стандартная «массовка». Каждый из этих резонаторов будет раз в 50 дешевле, чем «нулевые». Еще 1.000 кварцев будет иметь разброс +/-500 Гц, почти брак… А остальные при первой сортировке — просто брак. Я не оговорился — при первой сортировке. В последствии отбракованные кварцы будут еще неоднократно перебираться. Ведь кому-то наверняка может потребоваться кварц на частоту 9.998.731 Гц или 10.003.194 Гц… Но никто не станет специально делать такие «кривые» резонаторы, вот их и выбирают из «отбракованных». Конечно, на самом деле сортировка проводится несколько иначе.
У кварцев есть еще несколько важных параметров, о которых нельзя не сказать. Мы просто перечислим некоторые из них, не вдаваясь в подробности.
Термостабильность — зависимость частоты кварца от температуры. Понятно, что чем меньше частота изменяется от температуры, тем лучше. Долговременная нестабильность — старение кварца (хотя, честно говоря, «старый» кварц, как и конь, «борозды не испортит», ведь у него уже все «перебурлило»).
Добротность — отношение резонансной частоты к полосе пропускания. Обладая самой высокой добротностью Q ~ 100.000 — 10.000.000 (сравните: добротность колебательного LC-контура не превышает 100, пьезокерамики -1.000), кварцевые резонаторы имеют также высокую температурную стабильность и низкую долговременную нестабильность частоты (0.000001 — 0.00000001 за 10 — 25 лет).
Ну и конечно, способность резонировать на высших гармониках. Этот параметр иногда называют «модой» генерации. И хотя кварцы выпускаются на все нечетные гармоники (моды) с 1 по 9 (и даже 11 — 13), нас интересуют только те, которые устойчиво работают на 3-й гармонике.
Итак, в RC-аппаратуре используются миниатюрные кварцевые резонаторы в плоском металлическом корпусе размером примерно 5 х 12 х 14 мм с жесткими выводами диаметром 1.0 мм и длиной 6 мм. Все RC-кварцы работают на 3-й гармонике. И если на корпусе кварца указана частота 40.685 МГц — это частота именно 3-й гармоники. Кроме того, все фирменные кварцы имеют маркировку с номером частотного канала. К примеру, кварцы на 81 канал для FM передатчиков маркируются как 81 FM Tx (или Т -Transmitter, передатчик) 40.815, а кварцы для приемников — 81 FM Rx (или Receiver, приемник) 40.815. Иногда вместо FM указывают SSM — эта маркировка встречается на немецкой аппаратуре Graupner. Кроме того, на кварцах для приемников указывают, какой «системы» приемник: с одним или двумя преобразованиями частоты. Кварцы для РРМ и РСМ аппаратуры ничем не отличаются друг от друга и обычно взаимозаменяемы. Кварцы для АМ аппаратуры вместо FM или SSM маркируются как АМ. Принципиального отличия между кварцами для АМ и FM аппаратуры тоже нет. Правда АМ-ные кварцы, по нашим оценкам, имеют больший разброс по частоте, дальше мы расскажем об этом подробнее.
Внимание! Необходимо иметь в виду, что цифры в маркировке RC-кварцев указывают частоту, на которой происходит передача сигнала (т.е. «канальную» частоту). Следовательно, частота, указанная на маркировке, истинна только у кварцев для передатчиков! Фактическая частота гармонического резонанса приемного кварца обычно на 455 кГц ниже (меньше), чем указано на его корпусе. Это касается приемников с одним преобразованием частоты. Частота кварца для приемника с двойным преобразованием ниже рабочей частоты передатчика (и частоты, указанной в маркировке) на 10.7 МГц! Кроме того, следует иметь в виду, что некоторые типы аппаратуры строятся по принципу промежуточного умножения частоты. Это значит, что задающий генератор передатчика генерирует сигнал с частотой в два или в три раза ниже канальной частоты (частоты, указанной на корпусе RC-кварца) , а в последующих каскадах происходит умножение частоты в нужное количество раз. Так что — не верь глазам своим…
Выше мы рассмотрели пример сортировки кварцев на частоту 10.000.000 Гц. Точно также происходит сортировка и отбор кварцев на любую другую частоту с «целыми» килогерцами, допустим, на частоту 13.560 кГц или 13.565 кГц. А вот кварцы на частоту 13561666,667 Гц (это частота первой гармоники кварца для передатчика на 52 канал) наверняка специально не выпускают, а выбирают из числа отбракованных. Именно поэтому практически не встречаются RC-кварцы генерирующие точно на частоте, указанной в сетке частот. Всегда есть небольшой «разбег» в ту или иную сторону. На практике этот разбег может достигать +/- 1 — 2 кГц, а иногда даже +/- 5 кГц! Насколько это страшно? Если частота гетеродина приемника «сдвинута» в ту же сторону и на такую же величину, что и у кварца передатчика, — это абсолютно не страшно. Самое главное, чтобы этот «выбег» не достиг частоты соседнего канала, на котором может работать аппаратура вашего товарища.
При рассмотрении блок-схемы приемника в статье «Радиоприемные и декодирующие RC-устройства» мы выяснили, что разница между частотой передатчика и частотой гетеродина приемника со стандартной ПЧ, должна быть 455 кГц. Это идеальный вариант. В реальных условиях этого достичь сложно. А нужно ли? Посмотрим АЧХ реального пьезофильтра на частоту 455 кГц с полосой пропускания +/-3 кГц (это очень хороший фильтр).
Рис. Спектрограмма сигналов на входе фильтра ПЧ
На спектрограмме черным цветом изображена АЧХ пьезофильтра типа CFWМ455Н. Красным цветом показан «спектр» сигнала передатчика, несущая частота которого отличается от частоты гетеродина ровно на 455 кГц. Разумеется, у этого сигнала самые благоприятные условия для прохождения «полосы препятствий» — фильтра ПЧ. Синим цветом изображен сигнал передатчика, частота которого отличается от частоты гетеродина на 456.5 кГц, т.е на 1.5 кГц больше оптимальной. Без всякого сомнения этот сигнал также пройдет через ФПЧ, будет демодулирован и расшифрован декодером. Одновременная работа «красного» и «синего» передатчиков недопустима, т.к. приведет к взаимным помехам. А вот «зеленый» сигнал (на 5 кГц ниже оптимального) скорее всего не достигнет декодера, но очень сильно помешает как «красному», так и «синему». И только «желтый» сигнал, отстоящий от центральной частоты ФПЧ на 10 кГц, несмотря на более высокий уровень и более широкий спектр, окажется «за бортом» и нисколько не помешает работе любого другого сигнала.
Реальные эксперименты с несколькими комплектами аппаратуры Futaba FC-18V3+, Attak-4, Graupner MC-314 и Hitec Focus в диапазоне 40 МГц показали работоспособность всех испытанных комплектов при относительной «расстройке» кварцев приемника и передатчика до 2.5 кГц. Самым «непривередливым» оказался приемник из комплекта Hitec Focus — он продолжал уверенно работать при «расстройке» кварцев до 4.5 кГц. Маркировка на пьезофильтре у этого конкретного приемника была стерта, и мы не знаем фактическую полосу пропускания ФПЧ. Скорее всего, там был установлен фильтр М455 с последней буквой F или I. Только не стоит обольщаться подобной «непривередливостью». Широкая полоса пропускания ФПЧ, позволяющая использовать кварцы с большим отклонением частоты, резко ухудшает помехозащищенность приемника. Рано или поздно это приведет к тому, что приемник «поймает» сигнал помехи, а за этим последует отказ аппаратуры и потеря модели…
В ходе экспериментов было выявлено 2 кварца, частота которых «плыла» при прогреве весьма значительно (выбег частоты после 20 минутного прогрева в рабочем режиме у одного кварца составил 13 кГц, у второго — почти 23 кГц!). Как говорится, на таком кварце можно взлететь, но приземлиться после нескольких минут полета уже не удастся. Еще несколько кварцев имели не такой значительный, но также заметный выбег от прогрева, что называется «на грани фола» — в пределах 3-5 кГц. Справедливости ради отметим, что только «фирменные» кварцы от Futaba FC-18, не вызвали серьезных нареканий — относительная и абсолютная «расстройка» не более 800 Гц. Это подтверждает наши предположения, что «серьезные» модели аппаратуры «упаковываются» «серьезными» комплектующими.
Частоты кварцев в наших экспериментах измерялись частотомером Ч3-34 бесконтактным способом, т.е. внешние возмущения были сведены к минимуму. В качестве «приемной антенны» использовался отрезок обычного провода длиной около полутора метров, подсоединенный ко входу «В» частотомера. Расстояние между антеннами передатчика и частотомера было 15 — 20 см. Всего было опробовано более 30 кварцев разных производителей, от разных типов аппаратуры и на разные каналы. Все кварцы проверялись во всех комплектах аппаратуры по принципу «каждый с каждым».
Подводя итог, можно сделать следующие выводы:
Максимальная относительная расстройка кварцев передатчика и приемника не должна превышать 455 +/- 2.5 кГц.
Синхронная расстройка кварцев передатчика и приемника относительно «реперной» частоты канала не имеет большого значения и может достигать 5 кГц. При большей расстройке это уже будет другой (соседний) канал. Единственным недостатком этого вида «расстройки» следует считать повышенную вероятность взаимных помех при одновременной работе двух комплектов аппаратуры на соседних каналах (или «через» канал).
Большинство кварцев любых производителей подходит к любому типу аппаратуры и является взаимозаменяемыми.
Тем не менее, руководствуясь здравой логикой советуем приобретать только «подобранные» пары кварцев или, при наличии радиоизмерительной аппаратуры, подобный подбор производить самостоятельно с учетом приведенных выше рекомендаций.
valentinych.ru
Кварцевый резонатор.
Принцип работы и свойства кварцевого резонатора
В современной электронике, особенно в цифровой сложно не найти электронный компонент под названием кварцевый резонатор. По своей сути, кварцевый резонатор является аналогом колебательного контура на основе ёмкости и индуктивности. Правда, кварцевый резонатор превосходит LC-контур по очень важным параметрам.
Как известно, колебательный контур характеризуется добротностью. Резонаторы на основе кварца обладают очень высокой добротностью, которая недостижима при использовании обычного колебательного LC-контура. Если добротность обычных контуров лежит в пределах 100 – 300, то для кварцевых резонаторов величина добротности достигает 105 – 107.
Ёмкость конденсатора довольно сильно зависит от температуры окружающей среды. У конденсаторов даже есть параметр, который называется ТКЕ (температурный коэффициент ёмкости). Он показывает насколько измениться ёмкость конденсатора при изменении температуры.
Естественно, при применении конденсатора в составе LC-контура, частота его колебаний будет очень сильно зависеть от внешней температуры среды. То же касается и индуктивности, у которой также есть своя температурная характеристика — ТКИ.
Понятно, что для использования в цифровой технике (в том числе и в технике связи) требуется более стабильный и надёжный источник гармонических колебаний.
Резонаторы на основе кварца обладают очень высокой температурной стабильностью. Именно благодаря высокой добротности и температурной стабильности кварцевые резонаторы применяются в радиотехнике очень активно.
Любой процессор или микроконтроллер работает на определённой тактовой частоте. Понятно, что для задания тактовой частоты необходим генератор. Такой генератор в качестве источника высокоточных гармонических колебаний, как правило, использует кварцевый резонатор. В тех схемах, где высокая добротность не требуется, могут применяться резонаторы на основе керамики – керамические резонаторы. Добротность резонаторов на основе пьезокерамики составляет не более 103. Их можно встретить в пультах дистанционного управления, электронных игрушках, бытовых радиоприёмниках.
Принцип работы кварцевого резонатора.
Принцип работы кварцевого резонатора целиком и полностью опирается на пьезоэлектрический эффект. Основой любого кварцевого резонатора является пластинка из кварца. Кварц – это одна из разновидностей кремнезема SiO2. Для изготовления резонаторов пригоден только лишь низкотемпературный кварц, который обладает пьезоэлектрическими свойствами. В природе такой кварц встречается в виде кристаллов и бесформенной гальки.
Кристалл кварца
Химически кварц очень устойчив и не растворяется ни в одной из кислот, за исключением плавиковой. Также кварц очень твёрдый. На шкале твёрдости он занимает седьмое место из десяти.
Чтобы изготовить кварцевую пластинку берётся кристалл кварца и из него под определённым углом вырезается пластинка. От угла, под которым происходит срез, зависят электромеханические свойства кварцевой пластины. Тип среза существенно влияет на температурную стабильность, количество паразитных резонансов, резонансную частоту.
Далее на две стороны кварцевой пластины наносят металлизированный слой (из серебра, никеля, золота или платины) и посредством жёстких проволочных контактов закрепляют в кварцедержателе. Всю эту конструкцию помещают в герметичный корпус.
Кварцевый резонатор является электромеханической колебательной системой. Как известно, любая колебательная система обладает своей резонансной частотой. У кварцевого резонатора также есть своя номинальная резонансная частота. Если приложить к кварцевой пластине переменное напряжение, которое совпадает с резонансной частотой самой кварцевой пластины, то происходит резонанс частот и амплитуда колебаний резко возрастает.
При резонансе электрическое сопротивление резонатора уменьшается. В результате получается эквивалент последовательной колебательной системы. Поскольку потери энергии в кварцевом резонаторе очень малы, то он фактически представляет собой электрический колебательный контур с очень большой добротностью.
Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора изображена на рисунке.
Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора
Здесь С0 – это постоянная (статическая) ёмкость образующаяся за счёт металлических пластин-электродов и держателя. Последовательно соединённые индуктивность L1,конденсатор С1 и активное сопротивление Rакт. отражают электромеханические свойства кварцевой пластинки. Как видим, если отбросить ёмкость монтажа и кварцедержателя С0, то получиться последовательный колебательный контур.
При монтаже кварцевого резонатора на печатную плату стоит позаботиться о том, чтобы не перегреть его. Эта рекомендация наверняка связана с тем, что конструкция кварцевого резонатора довольно тонкая. Температурный перегрев может вызвать деформацию кварцедержателя и пластинок-электродов. Естественно, всё это может отразиться на качестве работы резонатора в схеме.
Также известно, что если кварц нагреть свыше 5730 С, то он превращается в высокотемпературный кварц и лишается своих пьезоэлектрических свойств. Конечно, довести температуру кварца до такой температуры оборудованием для пайки нереально.
Обозначение кварцевого резонатора.
На принципиальных схемах и в технической документации кварцевый резонатор обозначается наподобие конденсатора, только между пластинами добавлен прямоугольник, который символизирует пластинку кварца. Рядом с графическим изображением указывается буква Z или ZQ.
Условное обозначение кварцевого резонатора на схемах
Как проверить кварцевый резонатор?
Многие начинающие радиолюбители задаются вопросом: “Как проверить кварцевый резонатор?”
К сожалению, достоверно проверить кварцевый резонатор можно только заменой. Причиной неисправности кварцевого резонатора может быть сильный удар либо падение электронного прибора, в котором он был установлен. Поэтому если есть подозрение в исправности кварцевого резонатора, то его стоит заменить новым. К счастью в практике ремонта неисправность кварцевого резонатора встречается редко, конечно, есть и исключения, но они относятся к портативной электронике, которую частенько роняют.
Более подробную информацию о кварцевых резонаторах вы узнаете из книги, которую найдёте здесь.
Главная » Радиоэлектроника для начинающих » Текущая страница
Также Вам будет интересно узнать:
go-radio.ru
Кварцевый резонатор | Описание, принцип работы
Что такое кварц
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 также состоит из кремния но в связке с кислородом. Его формула SiO2.
Выглядит он примерно вот так:
Ну прямо сокровище какое-то!
Но сокровище спрятано не в самом кварце, а в том, каким свойством он обладает. И этот эффект кварца сделал революцию в прецизионной (точной) электронике…
Еще в 19 веке два брата Кюри обнаружили интересное свойство некоторых твердых кристаллов генерировать ЭДС , деформируя эти кристаллы.
Существует также и обратный эффект, то есть при подаче напряжения мы можем деформировать эти кристаллы. Невооруженным глазом это практически не заметно. Такой эффект называется пьезоэффектом, а вещества – пьезоэлектриками.
ЭДС возникает только в процессе сжатия или растяжения. Может быть вы подумали, прижать такой кристалл и всю жизнь получать из него энергию? Побрейтесь). Кстати, пьезоизлучатель тоже относится к пьезоэлектрикам и из него можно получить ЭДС. Ниже на видео светодиод, подпаянный к пьезоизлучателю. Когда мы давим на пьезоизлучатель, вырабатывается ЭДС, которая и зажигает маленький светодиод:
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.
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.
Кварцевые резонаторы выглядят в основном вот так:
Разобрав кварцевый резонатор, можно увидеть воочию сам кристалл кварца. Давайте вскроем кварц советского производства вот в таком корпусе:
Итак, что мы тут видим? Прозрачный кристалл кварца, размещенный между двумя металлическими пластинками, к которым подпаяны выводы самого кварца.
В маленьких кварцах типа этих
используются тонкие прямоугольные пластинки кварца. Здесь правило такое: чем больше толщина пластинки, тем ниже рабочая частота кварца. Поэтому, самые высокие частоты, на которые делают кварцы, составляет не более 50 Мегагерц, так как пластинка получается очень тонкая, что создает трудности при ее изготовлении. Да и держать ее как-то надо в корпусе, не поломав. По идее, можно выжать из кварца частоту и до 200 Мегагерц, но работать такой кварц будет на обертоне.
Что такое обертоны
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 обертон. 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 Мегагерц. Тогда мы можем возбудить его на обертонах в 30 Мегагерц (третий обертон), в 50 Мегагерц (пятый обертон), в 70 Мегагерц (седьмой обертон) и максимум в 90 Мегагерц (девятый обертон).
Чтобы хоть как-то понять, что такое обертоны, для примера послушайте основную частоту 110 Герц и ее обертоны.
Схема, которая возбуждает кварц на обертонах, сложная и не очень надежная, так как во-первых, надо “давить” главную частоту кварца и выделять обертон, 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.
Обозначение кварца на схеме
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. Зато не стали мудрить со схемотехническим обозначением кварца, и на схемах его показывают как прямоугольный кусочек кристалла, заключенный между двумя пластинками конденсатора:
Принцип работы кварца
Очень много мифов ходит по интернету именно о кварцевом резонаторе. Самый популярный миф гласит так: если подать постоянное напряжение на кварцевый резонатор, он будет выдавать переменное напряжение с частотой, которая на нем указана. Насчет “частоты, указанной на нем”, я, может быть, соглашусь, но насчет постоянного напряжения – увы. Кристалл кварца просто сожмется или разожмется). Некоторые вообще до сих пор думают, что кварц сам по себе выдает переменный ток ) Ага).
Для того, чтобы понять принцип работы кварцевого резонатора, надо рассмотреть его эквивалентную схему:
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
Можно заметить, что С1, L1 и R1 образуют последовательный колебательный контур, который обладает своей резонансной частотой.
Принцип работы кварцевого резонатора такой: если к обкладкам кварцевого резонатора подвести переменное напряжение, то его пластинка начнет колебаться с частотой подведенного напряжения. Если подведенная частота будет совпадать с собственной резонансной частотой колебания кварца, то наступит резонанс. Напряжение на обкладка кварца резко возрастает. В этом случае кварцевый резонатор ведет себя, как настроенный на определенную частоту колебательный контур с очень высокой добротностью.
Каждый кварц имеет разные частоты последовательного и параллельного резонанса. Если мы видим на кварце вот такую надпись
это говорит нам о том, что на частоте последовательного резонанса мы можем возбудить этот кварц на частоте 8 Мегагерц. В основном кварц работает на частоте последовательного резонанса. 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 обертонная гармоника. Например: РГ-05-18000кГц – резонатор для работы на основной частоте, а РГ-05-27,465МГц – для работы на 3-ем обертоне.
И запомните раз и навсегда:
Также рекомендую к прочтению продолжение статьи, которая называется кварцевый генератор.
www.ruselectronic.com
