Zaleca się przetestowanie rezonatorów kwarcowych, podobnie jak większości innych komponentów radiowych, pod kątem funkcjonalności przed użyciem ich w amatorskiej praktyce radiowej. Jeden z najprostszych obwodów takiej sondy został opublikowany w czeskim czasopiśmie amatorskim. Obwód sondy jest niezwykle prosty do powtórzenia, dlatego cieszy się zainteresowaniem szerokiego grona radioamatorów.

Obwód rezonatora kwarcowego

Rezonatory kwarcowe należą do najprostszych elementów radiowych, jednak radioamatorzy praktycznie nie mają sprzętu, na którym mogliby je przetestować przed użyciem. Czasami prowadzi to do nieporozumień. Zewnętrznie rezonator kwarcowy może nie mieć żadnych uszkodzeń, ale w obwodzie nie działa. Przyczyn tego może być wiele. W szczególności jednym z nich jest upadek rezonatora z powodu nieostrożnego obchodzenia się. Prosta konstrukcja opisana w pomoże przeprowadzić wstępną kontrolę rezonatorów kwarcowych przed ich użyciem.

Badany rezonator kwarcowy podłącza się do styków K2 (rys. 1). Generator szerokozakresowy jest wykonany na tranzystorze T1. Przeznaczony jest do badania kwarcu, którego częstotliwość pracy mieści się w zakresie 1...50 MHz. W szczególności po nieznacznej zmianie parametrów niektórych elementów radiowych obwodu. C2 i NW. Możesz sprawdzić także inne kwarce.

W przypadku, gdy rezonator kwarcowy działa. Na emiterze tranzystora T1 występuje napięcie przemienne o wysokiej częstotliwości. Jest prostowany przez diody D1, D2, wygładzany przez kondensator C5 i podawany do podstawy kluczowego tranzystora T2, odblokowując go. Jednocześnie zapala się dioda LED LD1.

Nowoczesna technologia cyfrowa wymaga dużej precyzji, nic więc dziwnego, że prawie każde urządzenie cyfrowe, które przyciąga dziś wzrok przeciętnego człowieka, zawiera w sobie rezonator kwarcowy.

Rezonatory kwarcowe pracujące na różnych częstotliwościach są potrzebne jako niezawodne i stabilne źródła oscylacji harmonicznych, aby mikrokontroler cyfrowy mógł bazować na częstotliwości odniesienia i z nią pracować w przyszłości, podczas pracy urządzenia cyfrowego. Zatem rezonator kwarcowy jest niezawodnym zamiennikiem oscylacyjnego obwodu LC.

Jeśli weźmiemy pod uwagę prosty obwód oscylacyjny składający się z i , szybko stanie się jasne, że współczynnik jakości takiego obwodu w obwodzie nie przekroczy 300, ponadto pojemność kondensatora będzie się zmieniać w zależności od temperatury otoczenia i to samo stanie się z indukcyjnością.

Nie bez powodu kondensatory i cewki mają takie parametry, jak TKE – temperaturowy współczynnik pojemności i TKI – temperaturowy współczynnik indukcyjności, pokazujące, jak zmieniają się główne parametry tych elementów wraz ze zmianami ich temperatury.

W przeciwieństwie do obwodów oscylacyjnych, rezonatory kwarcowe mają współczynnik jakości nieosiągalny dla obwodów oscylacyjnych, mierzony w wartościach od 10 000 do 10 000 000, i nie ma mowy o stabilności temperaturowej rezonatorów kwarcowych, ponieważ częstotliwość pozostaje stała przy dowolnej wartości temperatury , zwykle z zakresu od - 40°C do +70°C.

Zatem, ze względu na wysoką stabilność temperaturową i współczynnik jakości, rezonatory kwarcowe są stosowane w radiotechnice i elektronice cyfrowej.

Aby ustawić częstotliwość zegara, zawsze potrzebuje generatora zegara, na którym mógłby niezawodnie polegać, a generator ten zawsze potrzebuje generatora o wysokiej częstotliwości, a ponadto o wysokiej precyzji. Tutaj na ratunek przychodzi rezonator kwarcowy. Oczywiście w niektórych zastosowaniach można zastosować rezonatory piezoceramiczne o współczynniku jakości 1000 i takie rezonatory wystarczą do zabawek elektronicznych i domowych radioodbiorników, ale do bardziej precyzyjnych urządzeń potrzebny jest kwarc.

Działanie rezonatora kwarcowego opiera się na energii pojawiającej się na płytce kwarcowej. Kwarc jest polimorfem dwutlenku krzemu, SiO2, występującym w przyrodzie w postaci kryształów i kamyków. W skorupie ziemskiej w postaci wolnej znajduje się około 12% kwarcu, ponadto kwarc występuje także w postaci mieszanin z innymi minerałami i ogólnie w skorupie ziemskiej jest ponad 60% kwarcu (ułamek masowy).

Do tworzenia rezonatorów nadaje się kwarc niskotemperaturowy, który ma wyraźne właściwości piezoelektryczne. Chemicznie kwarc jest bardzo stabilny i można go rozpuścić jedynie w kwasie fluorowodorowym. Kwarc jest twardszy niż opal, ale nie tak twardy jak diament.

Podczas wykonywania płytki kwarcowej z kryształu kwarcu wycina się kawałek pod ściśle określonym kątem. W zależności od kąta cięcia otrzymana płyta kwarcowa będzie różnić się właściwościami elektromechanicznymi.

W efekcie powstaje układ oscylacyjny, który ma własną częstotliwość rezonansową, a otrzymany w ten sposób rezonator kwarcowy ma własną częstotliwość rezonansową, wyznaczoną parametrami elektromechanicznymi.

Teraz, jeśli przyłożysz napięcie przemienne o danej częstotliwości rezonansowej do metalowych elektrod z tworzywa sztucznego, pojawi się zjawisko rezonansu, a amplituda oscylacji harmonicznych płytki znacznie wzrośnie. W takim przypadku rezystancja rezonatora znacznie się zmniejszy, to znaczy proces będzie podobny do tego, który zachodzi w szeregowym obwodzie oscylacyjnym. Ze względu na wysoki współczynnik jakości takiego „obwodu oscylacyjnego” straty energii podczas jego wzbudzenia przy częstotliwości rezonansowej są znikome.

W obwodzie zastępczym: C2 – statyczna pojemność elektryczna płytek wraz z uchwytami, L – indukcyjność, C1 – pojemność, R – rezystancja, odzwierciedlająca właściwości elektromechaniczne zamontowanej płytki kwarcowej. Jeśli usuniesz elementy montażowe, pozostanie szeregowy obwód LC.

Podczas montażu na płytce drukowanej rezonatora kwarcowego nie można przegrzać, ponieważ jego konstrukcja jest dość delikatna, a przegrzanie może prowadzić do deformacji elektrod i uchwytu, co z pewnością wpłynie na pracę rezonatora w gotowym urządzeniu. Jeśli podgrzejesz kwarc do 5730°C, całkowicie straci on swoje właściwości piezoelektryczne, ale na szczęście nie da się nagrzać elementu lutownicą do takiej temperatury.

Oznaczenie rezonatora kwarcowego na schemacie jest podobne do oznaczenia kondensatora z prostokątem między płytkami (płyta kwarcowa) i napisem „ZQ” lub „Z”.

Często przyczyną uszkodzenia rezonatora kwarcowego jest upadek lub silne uderzenie urządzenia, w którym jest on zamontowany, a wówczas konieczna jest wymiana rezonatora na nowy o tej samej częstotliwości rezonansowej. Takie uszkodzenia są typowe dla małych urządzeń, które łatwo upuścić. Jednak według statystyk takie uszkodzenie rezonatorów kwarcowych jest niezwykle rzadkie, a częściej nieprawidłowe działanie urządzenia jest spowodowane inną przyczyną.

Aby sprawdzić rezonator kwarcowy pod kątem przydatności do użytku, możesz złożyć małą sondę, która pomoże nie tylko upewnić się, że rezonator działa, ale także sprawdzi jego częstotliwość rezonansową. Obwód sondy jest typowym obwodem oscylatora kwarcowego z pojedynczym tranzystorem.

Po włączeniu rezonatora między podstawą a minusem (można go użyć przez kondensator ochronny w przypadku zwarcia w rezonatorze), pozostaje tylko zmierzyć częstotliwość rezonansową za pomocą miernika częstotliwości. Obwód ten nadaje się również do wstępnego strojenia obwodów oscylacyjnych.

Po włączeniu obwodu działający rezonator przyczyni się do wytworzenia oscylacji, a na emiterze tranzystora można zaobserwować napięcie przemienne, którego częstotliwość będzie odpowiadać głównej częstotliwości rezonansowej testowanego rezonatora kwarcowego.

Podłączając miernik częstotliwości do wyjścia sondy, użytkownik może obserwować tę częstotliwość rezonansową. Jeśli częstotliwość jest stabilna, jeśli niewielkie nagrzanie rezonatora lutownicą nie doprowadzi do silnego dryftu częstotliwości, to rezonator działa. Jeśli nie ma generacji, częstotliwość waha się lub okazuje się zupełnie inna niż powinna być dla testowanego elementu, oznacza to, że rezonator jest uszkodzony i należy go wymienić.

Sonda ta jest również wygodna do wstępnego dostrajania obwodów oscylacyjnych; w tym przypadku wymagany jest kondensator C1, chociaż podczas sprawdzania rezonatorów można go wykluczyć z obwodu. Obwód jest po prostu podłączony w miejsce rezonatora i obwód zaczyna generować oscylacje w ten sam sposób.

Sonda zmontowana według powyższego obwodu działa wyjątkowo dobrze w zakresie częstotliwości od 15 do 20 MHz. W przypadku innych zakresów zawsze możesz poszukać schematów obwodów w Internecie, na szczęście jest ich wiele, zarówno na elementach dyskretnych, jak i na mikroukładzie.

Oscylacje odgrywają jedną z najważniejszych ról we współczesnym świecie. Istnieje nawet tak zwana teoria strun, która twierdzi, że wszystko wokół nas to tylko fale. Istnieją jednak inne możliwości wykorzystania tej wiedzy, a jedną z nich jest rezonator kwarcowy. Tak się składa, że każdy sprzęt okresowo ulega awarii i nie są one wyjątkiem. Jak możesz mieć pewność, że po negatywnym incydencie nadal będzie działać tak, jak powinno?

Powiedzmy kilka słów o rezonatorze kwarcowym

Rezonator kwarcowy jest analogiem obwodu oscylacyjnego opartego na indukcyjności i pojemności. Ale jest między nimi różnica na korzyść pierwszego. Jak wiadomo, pojęcie współczynnika jakości służy do charakteryzowania obwodu oscylacyjnego. W rezonatorze kwarcowym osiąga bardzo wysokie wartości - w przedziale 10 5 -10 7 . Ponadto jest bardziej wydajny dla całego obwodu przy zmianach temperatury, co przekłada się na dłuższą żywotność części takich jak kondensatory. Oznaczenie rezonatorów kwarcowych na schemacie ma postać pionowo umieszczonego prostokąta, który jest „przełożony” po obu stronach płytami. Zewnętrznie na rysunkach przypominają hybrydę kondensatora i rezystora.

Jak działa rezonator kwarcowy?

Płytka, pierścień lub sztabka są wycinane z kryształu kwarcu. Nałożone są na niego co najmniej dwie elektrody, które są paskami przewodzącymi. Płyta jest nieruchoma i posiada własną częstotliwość rezonansową drgań mechanicznych. Po przyłożeniu napięcia do elektrod następuje ściskanie, ścinanie lub zginanie w wyniku efektu piezoelektrycznego (w zależności od sposobu cięcia kwarcu). W takich przypadkach oscylujący kryształ działa jak cewka indukcyjna. Jeżeli częstotliwość dostarczanego napięcia jest równa lub bardzo zbliżona do wartości naturalnych, wówczas przy znacznych różnicach potrzeba mniej energii, aby podtrzymać działanie. Teraz możemy przejść do naświetlenia głównego problemu, dlatego powstaje ten artykuł o rezonatorze kwarcowym. Jak sprawdzić jego funkcjonalność? Wybrano 3 metody, które zostaną omówione.

Metoda nr 1

Tutaj tranzystor KT368 pełni rolę generatora. Jego częstotliwość jest określana przez rezonator kwarcowy. Po podłączeniu zasilania generator rozpoczyna pracę. Tworzy impulsy równe częstotliwości jego głównego rezonansu. Ich sekwencja przechodzi przez kondensator, który jest oznaczony jako C3 (100r). Filtruje składową stałą, a następnie sam impuls przekazuje do analogowego miernika częstotliwości, który zbudowany jest w oparciu o dwie diody D9B i następujące elementy pasywne: kondensator C4 (1n), rezystor R3 (100k) i mikroamperomierz. Wszystkie pozostałe elementy służą zapewnieniu stabilności obwodu i temu, aby nic się nie przepaliło. W zależności od ustawionej częstotliwości napięcie na kondensatorze C4 może się zmieniać. Jest to metoda dość przybliżona, a jej zaletą jest łatwość. I odpowiednio, im wyższe napięcie, tym wyższa częstotliwość rezonatora. Istnieją jednak pewne ograniczenia: należy wypróbować to na tym obwodzie tylko w przypadkach, gdy mieści się on w przybliżonym zakresie od trzech do dziesięciu MHz. Testowanie rezonatorów kwarcowych wykraczających poza te wartości zwykle nie wchodzi w zakres amatorskiej elektroniki radiowej, ale poniżej rozważymy rysunek, którego zakres wynosi 1-10 MHz.

Metoda numer 2

Aby zwiększyć dokładność, do wyjścia generatora można podłączyć miernik częstotliwości lub oscyloskop. Wtedy możliwe będzie obliczenie pożądanego wskaźnika za pomocą liczb Lissajous. Należy jednak pamiętać, że w takich przypadkach kwarc jest wzbudzany zarówno przy harmonicznych, jak i przy częstotliwości podstawowej, co z kolei może powodować znaczne odchylenie. Spójrz na poniższe diagramy (ten i poprzedni). Jak widać, istnieją różne sposoby wyszukiwania częstotliwości i tutaj będziesz musiał poeksperymentować. Najważniejsze jest przestrzeganie środków bezpieczeństwa.

Sprawdzanie dwóch rezonatorów kwarcowych jednocześnie

Obwód ten pozwoli Ci określić, czy działają dwa rezystory kwarcowe działające w zakresie od jednego do dziesięciu MHz. Dzięki niemu można także rozpoznać sygnały uderzeniowe przebiegające pomiędzy częstotliwościami. Dlatego można nie tylko określić wydajność, ale także wybrać rezystory kwarcowe, które są dla siebie najbardziej odpowiednie pod względem wydajności. Obwód jest realizowany za pomocą dwóch oscylatorów głównych. Pierwszy z nich współpracuje z rezonatorem kwarcowym ZQ1 i jest zaimplementowany na tranzystorze KT315B. Aby sprawdzić działanie, napięcie wyjściowe musi być większe niż 1,2 V i nacisnąć przycisk SB1. Wskazany wskaźnik odpowiada sygnałowi wysokiego poziomu i jednostce logicznej. W zależności od rezonatora kwarcowego wartość wymaganą do testu można zwiększyć (napięcie można zwiększyć przy każdym teście o 0,1 A-0,2 V do zalecanego w oficjalnej instrukcji obsługi mechanizmu). W tym przypadku wyjście DD1.2 będzie miało wartość 1, a DD1.3 będzie wynosić 0. Ponadto, wskazując działanie oscylatora kwarcowego, zaświeci się dioda HL1. Drugi mechanizm działa podobnie i zostanie zgłoszony przez HL2. Jeśli uruchomisz je jednocześnie, dioda HL4 również się zaświeci.

Po porównaniu częstotliwości dwóch generatorów ich sygnały wyjściowe z DD1.2 i DD1.5 są przesyłane do DD2.1 DD2.2. Na wyjściach drugich falowników obwód otrzymuje sygnał o modulowanej szerokości impulsu, aby następnie porównać wydajność. Można to zobaczyć wizualnie migając diodą HL4. Aby poprawić dokładność, dodano miernik częstotliwości lub oscyloskop. Jeśli rzeczywiste wskaźniki różnią się kilohercami, aby określić kwarc o wyższej częstotliwości, naciśnij przycisk SB2. Wtedy pierwszy rezonator zmniejszy swoje wartości, a ton sygnałów świetlnych będzie mniejszy. Wtedy możemy śmiało powiedzieć, że ZQ1 ma wyższą częstotliwość niż ZQ2.

Funkcje kontroli

Podczas sprawdzania zawsze:

Przeczytaj instrukcję dołączoną do rezonatora kwarcowego;
Postępuj zgodnie ze środkami ostrożności.

Możliwe przyczyny awarii

Istnieje kilka sposobów wyłączenia rezonatora kwarcowego. Warto zapoznać się z niektórymi z najpopularniejszych, aby uniknąć problemów w przyszłości:

Upadki z wysokości. Najpopularniejszy powód. Pamiętaj: zawsze musisz utrzymywać porządek w swoim miejscu pracy i monitorować swoje działania.
Obecność stałego napięcia. Ogólnie rezonatory kwarcowe się tego nie boją. Ale były precedensy. Aby sprawdzić jego działanie, podłącz szeregowo kondensator 1000 mF - ten krok przywróci go do działania lub pozwoli uniknąć negatywnych konsekwencji.
Amplituda sygnału jest zbyt duża. Problem ten można rozwiązać na różne sposoby:

Przesuń częstotliwość generacji nieco na bok, aby różniła się od głównego wskaźnika rezonansu mechanicznego kwarcu. Jest to bardziej złożona opcja.
Zmniejsz liczbę woltów zasilających sam generator. To jest łatwiejsza opcja.
Sprawdź, czy rezonator kwarcowy rzeczywiście jest zepsuty. Zatem przyczyną spadku aktywności może być topnik lub ciała obce (w tym przypadku konieczne jest dokładne oczyszczenie). Może też być tak, że izolacja była używana zbyt intensywnie i straciła swoje właściwości. Aby sprawdzić ten punkt, możesz przylutować „trzypunkt” do KT315 i sprawdzić go osią (jednocześnie możesz porównać działanie).

Wniosek

W artykule omówiono sposób sprawdzania parametrów pracy takich elementów obwodów elektrycznych, jak częstotliwość rezonatora kwarcowego, a także ich właściwości. Omówiono sposoby ustalania niezbędnych informacji, a także możliwe przyczyny ich niepowodzenia w trakcie eksploatacji. Aby jednak uniknąć negatywnych konsekwencji, zawsze pracuj z czystą głową - wtedy praca rezonatora kwarcowego będzie mniej niepokojąca.

Rezonator kwarcowy to krystaliczne urządzenie elektroniczne, które utrzymuje oscylacje rezonansowe przy danej częstotliwości. Rezonator kwarcowy charakteryzuje się wysoką stabilnością i precyzją. Aby sprawdzić działanie rezonatora kwarcowego, należy zmontować jeden z obwodów zaproponowanych poniżej do testów.

Tutaj tranzystor VT1 służy jako generator, a jego częstotliwość określa testowany rezonator kwarcowy. Po dostarczeniu zasilania do obwodu generator zaczyna generować impulsy o częstotliwości swojego głównego rezonansu. Sekwencja impulsów przechodzi przez kondensator C3, który odfiltrowuje składową stałą i trafia do analogowego miernika częstotliwości zbudowanego na diodach detektorowych VD1, VD2 oraz elementach pasywnych C4, R3 i mikroamperomierzu. W zależności od częstotliwości napięcie na kondensatorze C4 zmienia się wprost proporcjonalnie, to znaczy im wyższa częstotliwość rezonansu kwarcu, tym wyższe napięcie. Za pomocą tej sondy można nie tylko sprawdzić działanie rezonatora kwarcowego, ale także pośrednio określić jego częstotliwość rezonansową. Za pomocą tego obwodu można testować rezonatory kwarcowe o częstotliwości od 3 do 10 MHz.

Jeśli chcemy dokładniej określić częstotliwość rezonansową rezonatora kwarcowego, musimy podłączyć miernik częstotliwości lub oscyloskop do wyjścia generatora. Pozwala obliczyć częstotliwość za pomocą figur Lissajous. Nie powinniśmy jednak zapominać, że kwarc może być wzbudzany zarówno przy częstotliwości podstawowej, jak i harmonicznych.

Sprawdzanie dwóch rezonatorów kwarcowych jednocześnie

To radioamatorskie opracowanie pozwala na testowanie funkcjonalności dwóch kwarców pracujących na częstotliwości 1 - 10 MHz i jednocześnie umożliwia określenie sygnałów uderzeniowych pomiędzy częstotliwościami rezonansowymi. Ta cecha obwodu umożliwia wybór rezonatorów kwarcowych o częstotliwościach, które są dla siebie najbardziej odpowiednie.

Obwód jest wykonany na dwóch oscylatorach głównych. Pierwszy z nich, z rezonatorem kwarcowym ZQ1, wykonany jest na tranzystorze VT1. W przypadku wyłączenia rezonatora napięcie na jego wyjściu wynosi 0,8 - 1,1 V, co odpowiada sygnałowi o niskim poziomie - 0. Dlatego wyjście DD1.2 będzie wynosić 0, a wyjście DD1.3 będzie 1. Dioda HL1 nie świeci się. Drugi generator na VT2 działa podobnie.

Po naciśnięciu przycisku SB1 VT1 zamknie się i zaświeci się dioda LED HL1. Po naciśnięciu SB2 zaświeci się HL2. Jeśli naciśniesz jednocześnie SB1 i SB2, zaświecą się HL1, HL2, HL4.

Po podłączeniu rezonatora kwarcowego ZQ1 pojawiają się oscylacje o stałej częstotliwości, które są usuwane z kolektora VT1 a, a ich amplituda jest przełączana przez falownik w układzie DD1.1. Z wyjścia DD1.3 sygnał wysokiej częstotliwości dociera do diody HL1, dzięki czemu świeci ona równomiernie. Generator zamontowany na rezonatorze kwarcowym ZQ2 i VT2 działa w ten sam sposób.

Aby porównać częstotliwość dwóch generatorów, sygnały wyjściowe z falowników DD1.2, DD1.5 podawane są na DD2.1, DD2.2 i na ich wyjściach sygnał z modulacją szerokości impulsu i częstotliwością równą różnicy częstotliwości otrzymuje się dwa generatory. Możesz wyraźnie zobaczyć możliwe uderzenia, mrugając diodą HL4. Jeśli potrzebujesz większej dokładności, musisz użyć oscyloskopu lub miernika częstotliwości.

Jeśli częstotliwości rezonatorów kwarcowych różnią się o kiloherce, aby zrozumieć, który kwarc działa na wyższej częstotliwości, naciśnij przycisk SB3, a częstotliwość oscylacji ZQ1 spadnie, a jeśli ton dudnienia stanie się mniejszy, wówczas ZQ1 ma zatem wyższą częstotliwość w porównaniu do ZQ2.

I zmontowałem to na płytce stykowej. Po złożeniu urządzenie natychmiast zaczyna działać. Jako źródło zasilania można wykorzystać dowolny zestaw baterii.