Кварцевый резонатор и кварцевый генератор

14.02.2016 21:13

Да, знаю. Эту статью ждали многие. В интернете очень много вопросов по кварцу и очень мало на них ответов. Попробую в этой статье пролить лучик света на темное царство вопросов по кварцевому резонатору и генератору.

 

Как вы заметили в начале каждой статьи я всегда задаю вопрос: Что же такое хххххххххххх? Так давайте же начнем именно с этого вопроса! Что же такое кварц и что он из себя представляет?

 

На самом же 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 формула SiO2.

 

Выглядит он примерно вот так:

Кросавчег, не правда ли? ))

Но сокровище спрятано не в самом кварце, а в том, каким свойством он обладает. И этот эффект кварца сделал революцию в прецизионной (точной) электронике...

 

Как-то давненько, еще в 19 веке, два брата Кюри обнаружили интересное свойство некоторых твердых кристаллов генерировать ЭДС при сжатии или растяжении такого вещества:

 

Но самый прикол в том, что существует и обратный эффект, то есть при подаче напряжения мы можем или растянуть вещество, либо сжать. Слишком громко сказано)) На самом же деле, невооруженным глазом это практически не заметно. Такой эффект называется пьезоэффектом. А такие вещества называются пьезоэлектриками.

 

Ах да, ЭДС возникает только в процессе сжатия или растяжения. Или вы подумали, прижать такой кристалл и всю жизнь получать из него энергию? Обломитесь ;-) Кстати, пьезоизлучатель тоже относится к пьезоэлектрикам, и из него тоже 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.

 

Ну а теперь давайте разберемся с некоторыми терминами, которые радиолюбители частенько путают. Это кварцевый резонатор и кварцевый генератор. Начнем с резонатора...

 

 

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? А видим мы здесь прозрачный кристалл кварца, размещенного между двумя металлическими пластинами:

 

 

 

В маленьких кварцах типа этих

используются тонкие прямоугольные пластинки кварца. Здесь правило такое: чем больше толщина пластинки, тем ниже рабочая частота кварца. Поэтому самые большие 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. Можно выжать из кварца частоту и до 200 МегаГерц, но работать такой кварц будет на обертоне. 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 обертоновую. 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 на крайняк, в 90 МегаГерц (девятый обертон).

 

 

Чтобы хоть как-то прикинуть, 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 обертоновую, 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.

 

Кварц является диэлектриком. А что будет если тонкий диэлектрик разместить между двумя металлическими пластинами? Получится конденсатор! Кондер 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, заключенного между двумя пластинками конденсатора:

 

 

 

Очень много мифов ходит по интернету именно  о кварцевом резонаторе. Самый ходовый миф гласит так: если подать постоянное напряжение на кварцевый резонатор, он будет выдавать переменное напряжение с частотой, указанной на нем. Насчет "частоты указанный на нем", я, может быть, соглашусь, но насчет постоянного напряжения - увы. Кристалл кварца просто тупо сожмется или разожмется). Некоторые вообще до сих пор думают, что кварц сам по себе выдает переменный ток.

 

 

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

 

Так как мы с вами не изучали колебательные контура (а эта тема сложная и муторная), то хочу сказать, что каждый кварц имеет разные частоты последовательного и параллельного резонанса. Понятие слова "возбуждение" в данном случае говорит о том, что мы из кварца и некоторых радиодеталек делаем схемку, с помощью которой получаем частоту от кварца, которая на нем написана. То есть 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. 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 обертоновая гармоника. Например: РГ-05-18000кГц - резонатор для работы на основной частоте, а РГ-05-27,465МГц - для работы на 3-ем обертоне.

 

 

 

Кварцевый генератор

Что такое генератор? Генератор - это по сути устройство, которое что-то производит. В электронике очень часто можно услышать словосочетание  "генератор электрической энергии, генератор частоты, генератор функций"  и тд.

 

Кварцевый генератор представляет из себя генератор частоты и имеет в своем составе кварцевый резонатор. Теперь, думаю, не будете путать кварцевый резонатор с генератором ;-).  В основном  кварцевые генераторы бывают двух видов:

 

те, которые могут выдавать синусоидальный сигнал

 

 

и те, которые выдают прямоугольный сигнал

Чаще всего используется последний.

 

 

Принцип работы кварцевого генератора такой: кристалл кварцевого резонатора заставляют вибрировать, прикладывая к нему переменное напряжение. Амплитуда таких колебаний достигает максимума при совпадении частоты приложенного переменного напряжения с резонансной частотой кварцевого резонатора.

 

Плюсы кварцевых генераторов частоты - это высокая частотная стабильность. В основном это 10-5 - 10-6 от номинала или, как часто говорят,  ppm (от англ. parts per million) — частей на миллион, то есть одна миллионная или числом 10-6. Отклонение частоты  в ту или иную сторону в кварцевом генераторе в основном связано с изменением температуры окружающей среды, а также со старением кварца. При старении кварца, частота кварцевого генератора стает чуточку меньше с каждым годом примерно на 1,8х10-7 от номинала. Если, скажем, я взял кварц с частотой в 10 МегаГерц ( 10 000 000 Герц) и поставил его в схему, то за год его частота уйдет примерно на 2 Герца в минус ;-) Думаю, вполне терпимо.

 

 

В настоящее время кварцевые генераторы выпускают в виде законченных модулей. Некоторые фирмы, производящие такие генераторы,  достигают частотной стабильности  до 10-11 от номинала! Выглядят готовые модули примерно так:

 

 

или так

Такие модули кварцевых генераторов в основном имеют 4 вывода.  Вот распиновка квадратного кварцевого генератора:

 

 

Так, теперь еще раз, чтобы не осрамиться на форумах или в кругу себе подобных

 

 

Мда, утомил я вас теорией...

 

Ну а теперь сплошная практика в статье Кварцевый генератор. Схема Пирса