Site Loader

Содержание

Что такое кварцевый резонатор и как он работает – просто и доступно | Лампа Эксперт

Кварцевые резонаторы нашли самое широкое применение в электронике. Их можно найти в 90% бытовой техники. Но мало кто из нас знает, что это за прибор, для чего нужен и где конкретно применяется. В данной статье я постараюсь устранить этот пробел, не затрагивая высоких материй.

Устройство и принцип работы

Кварцевый резонатор, на сленге электронщиков именуемый «кварц», представляет собой пластинку того или иного размера, вырезанную из монокристалла кварца. На пластинку методом напыления нанесены два электрода. Сам кристалл крепится в специальных подвижных держателях, которые одновременно являются выводами.

Конструкция кварцевого резонатора

Конструкция кварцевого резонатора

На фото цифрами обозначены:

  • 1 – кварцевая пластина;
  • 2 – токопроводящее напыление;
  • 3 – держатель;
  • 4 – вывод.

При подаче на резонатор напряжения за счет обратного пьезоэлектрического эффекта пластина изгибается или растягивается — все зависит от того, в какой плоскости кристалла кварца она была вырезана.

Деформация кварцевой пластины при подаче на нее напряжения

Деформация кварцевой пластины при подаче на нее напряжения

На самом деле видов деформации больше – сдвиг по толщине, контуру, камертонный сдвиг и т.п. Все зависит от угла среза кристалла относительно его кристаллографических осей.

При совпадении частоты подаваемого на выводы резонатора напряжения с резонансной частотой кристалла, амплитуда деформации последнего становится максимальной. При этом благодаря пьезоэлектрическому эффекту сам кристалл на электродах наводит дополнительную ЭДС. В  таком режиме кристалл становится аналогом колебательного LC контура. Причем добротность этого контура очень высока – намного выше любой LC цепочки.

Стоит частоте немного «уйти», как кварц выйдет из резонанса и энергозатраты на поддержание его колебаний существенно увеличатся. Но пока уход частоты невелик, кварц находится в резонансе и заставляет генератор поддерживать эту частоту, требуя для поддержания колебаний минимум энергии.

Факт. Таким образом, кварцевый резонатор благодаря исключительно высокой добротности является высокоточным стабилизатором колебаний генератора, заставляя его работать на строго заданной частоте.

Какова резонансная частота кварцевого резонатора? Все будет зависеть от угла среза кристалла, геометрических размеров пластины, ее веса и применения тех или иных технологических приемов, которых множество. То есть этот параметр закладывается при производстве кварца и не может быть произвольно изменен. Сегодня промышленность выпускает кварцы на самые различные частоты – от десятков килогерц до десятков мегагерц.

Резонатор на 32.768 кГц (слева), 16 МГц и их геометрические размеры

Резонатор на 32.768 кГц (слева), 16 МГц и их геометрические размеры

Как видно из рисунка выше, современные кварцевые резонаторы независимо от частоты имеют достаточно скромные размеры. Но еще полсотни лет назад габариты приборов были весьма внушительными.
Кварцевый резонатор шестидесятых годов в карболитовом корпусе (слева) и в стеклянной завакуумированной колбе

Кварцевый резонатор шестидесятых годов в карболитовом корпусе (слева) и в стеклянной завакуумированной колбе

Где применяется

При современном уровне развития электроники проще сказать, где он не применяется. Стабильная частота сегодня нужна практически везде. Мы можем найти кварцевый резонатор в компьютере, телевизоре, включая пульт ДУ, стиральной машинке-автомате, маршрутирезаторе, раздающем нам Wi-Fi. Стоит «кварц» в наших смартфонах, планшетах и даже в электронных и электронно-механических наручных часах. Радисты используют кварц для стабилизации частоты генераторов своих передатчиков и приемников.

Кварцевый резонатор на материнской плате, в маршрутизаторе, модуле передатчика и наручных часах

Кварцевый резонатор на материнской плате, в маршрутизаторе, модуле передатчика и наручных часах

Как проверить

 Кварц является диэлектриком, поэтому проверить резонатор при помощи обычного тестера невозможно. Исправен ли он, неисправен, раскололся кристалл, не раскололся – прибор всегда покажет обрыв. Чтобы проверить резонатор, придется собрать небольшую схему. Если в нашем распоряжении есть осциллограф, то один из вариантов тестера будет выглядеть так:

Схема для проверки кварцевых резонаторов при помощи осциллографа

Схема для проверки кварцевых резонаторов при помощи осциллографа

Схема представляет собой простейший генератор, частотозадающим элементом которого является проверяемый кварцевый резонатор Zx. К выходу генератора подключаем осциллограф, устанавливаем кварц, подаем питание. Транзистор КТ3107 имеет  граничную частоту 250 МГц. Этого будет достаточно для проверки практически всех кварцев, используемых в бытовой технике и самоделках.

Если осциллографа нет, то для проверки резонаторов придется собрать более сложную схему со световой индикацией.

Схема прибора для проверки резонаторов со световой индикацией

Схема прибора для проверки резонаторов со световой индикацией

На транзисторе Т1 собран генератор, частотозадающим элементом которого является проверяемый кварцевый резонатор. Далее сигнал с генератора детектируется диодом D1 и поступает на транзистор Т1, который управляет светодиодом LED1.

Подключаем кварц. Если генератор запустился, то переменное напряжение пройдет через конденсатор и зажжет светодиод. Если генерации нет, транзистор Т1 останется закрытым и светодиод не загорится. Эта схема позволяет проверять кварцы с резонансной частотой до 32 МГц, что более, чем достаточно для электронщика-любителя.

Отечественный аналог высокочастотного диода 1N4148 — КД522Б. На месте Т1 и Т2 могут работать BC546, BC547, BC549, BC550, КТ373А, КТ3102. Светодиод любой индикаторный.

Ну вот мы и разобрались, что такое кварцевый резонатор. Заодно узнали, как работает этот прибор, для чего нужен и как его проверить.

Кварцевый резонатор [База знаний]

Принцип работы и свойства кварцевого резонатора

Теория

КОМПОНЕНТЫ
ARDUINO
RASPBERRY
ИНТЕРФЕЙСЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Кварцевый резонатор — электронный компонент, в котором пьезоэлектрический эффект и явление механического резонанса используются для построения высокодобротного резонансного элемента электронной схемы.

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.

Добротность — параметр колебательной системы, определяющий ширину резонанса и характеризующий, во сколько раз запасы энергии в системе больше, чем потери энергии за время изменения фазы на 1 радиан. Обозначается символом

Q (в отечественной литературе Д).
 
Добротность обратно пропорциональна скорости затухания собственных колебаний в системе. То есть, чем выше добротность колебательной системы, тем меньше потери энергии за каждый период и тем медленнее затухают колебания.

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. 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

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.
 
Химически кварц очень устойчив и не растворяется ни в одной из кислот, за исключением плавиковой. Также кварц очень твёрдый.

По шкале твёрдости он занимает 7-е место из 10.

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 ниже.

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 +573 °C, 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.

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.

 


Кварцевые резонаторы — Справочник химика 21


    Принцип работы кварцевого резонатора показан на рис. 7.7-13. Кварцевый резонатор, освобожденный от его оболочки, покрыт органическим слоем, поглощающим газ. Кварцевый кристалл установлен в цепи генератора в качестве элемента, задающего частоту. При осаждении газа на плоскую поверхность кристалла изменяется масса. В результате изменяется также резонансная частота. Устройство функционирует в режиме сдвига толщины. 
[c.514]

    Закон анизотропии, справедливый для всех без исключения кристаллов, гласит векторные свойства кристаллического вещества в любой точке объема в параллельных и симметричных направлениях одинаковы, в других направлениях различны. Законом анизотропии руководствуются а производстве оптических квантовых генераторов, в различных технологических процессах обработки монокристаллов полупроводников, например при резании их по определенным плоскостям, при травлении, при приготовлении так называемых р—л-переходов (см. гл. IX) и т. п. Для кварцевых резонаторов и ультразвуковых генераторов надо вырезать пластины кварца по определенным направлениям в зависимости от конкретных задач.

[c.116]

    Пьезоэлектрический кварцевый резонатор генерирует объемные акустические волны в отличие от поверхностных акустических волн, наблюдаемых в устройстве ПАВ. [c.515]

    Для повышения стабильности частоты основной генератор должен иметь кварцевый резонатор и должен быть термостатирован вместе с измерительным генератором, чтобы колебания температуры не превышали 0,5 град. Конденсатор переменной емкости измерительного генератора для повышения точности измерений должен обладать малым температурным коэффициентом (не более 10-10 1/град) и высокой стабильностью. 

[c.212]

    X Ю на 1° С. Температурный коэффициент частоты (Т. К. Ч.) кварцевого резонатора зависит от температуры, поэтому при работе с генератором, стабилизированным кварцевым резонатором, необходимо подбирать такой температурный режим, при котором Т. К. Ч. минимален, этот режим подбирается индивидуальным для каждого генератора. Таким образом, для получения стабильности частоты с точностью 10  [c. 119]

    Линии задержки, представляющие собой алюминиевые пластинки, можно использовать с керамическими резонаторами, возбуждающими колебания с частотой либо 2, либо 5 МГц. Эти устройства удобны тем, что они могут работать также и при частотах, отличных от резонансной. Поэтому на установках для измерений вязкоупругих свойств можно выполнять измерения в области частот от несколько меньших 1 МГц до превышающих 7 МГц. Линии задержки с керамическими резонаторами трудно использовать на высших гармониках, однако недавно предложены аналогичные устройства, в которых применены кварцевые резонаторы, с помощью которых проводят измерения на нечетных высших гармониках [13]. 

[c.212]


    H и к о Л a e в В. Т. Микровесы с кварцевым резонатором в технологии микроэлектроники. Обзоры по электронной технике. Вып. 1(74), 4973. [c.61]

    Для того чтобы обеспечивались автоколебания, анодный контур 1—Сх настроен на частоту несколько выще резонансной частоты кварцевого резонатора. Обратная связь между цепями сетки и анода осуществляется через междуэлектродную емкость анод — управляющая сетка триода и емкость монтажа. На пониженных частотах [c.143]

    Типовые срезы кварцевых резонаторов [12] [c.337]

    Задающий генератор высокой частоты. Наиболее стабильным генератором является генератор, стабилизированный кварцевым резонатором. Такие генераторы обычно применяются для приборов Я. М. Р. Стабильность частоты кварцевых резонаторов, выпускаемых нашей промышленностью, порядка [c.119]

    В нашей работе был применен генератор, стабилизированный кварцевым резонатором (рис. 3), с частотой колебания 10 Мгц анодный контур Ьг настроен на третий обертон [c.119]

    Для исследования давления пара органических веществ разработаны также такие методы, как хроматографический и метод кварцевого резонатора [67]. [c.62]

    ГО.299.000 Термостаты подогреваемые для кварцевых резонаторов. Типы. [c.26]

    Одним из перспективных методов изучения кинетики развития атмосферной коррозии под адсорбционными пленками электролитов является предлагаемый радиочастотный метод, или метод кварцевого резонатора, применяемый, в частности, для контроля толщины пленок, осаждаемых в вакууме [7—11]. Этот метод прост в конструктивном оформлении и обладает высокой чувствительностью к определению малых изменений массы корродирующего металла. Чувствительность определения массы этим методом может быть доведена до величины порядка одного моноатомного слоя и меньше 112]. [c.157]

    Рассмотренные выше результаты исследований свидетельствуют, таким образом, о перспективности использования метода кварцевого резонатора для изучения кинетики развития коррозионных процессов на металлах под адсорбционными пленками электролитов. Радиочастотный метод помимо исследования коррозионных явлений под адсорбционными пленками также может найти широкое применение в областях, связанных с изучением вопросов адсорбции коррозионно-активных веществ на металлах, газового окисления при средних температурах, механизма действия ингибиторов коррозии и пр.[c.165]

    УСТРОЙСТВО для ТЕРМОМЕТРИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТЕЙ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИИ НА ОСНОВЕ ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ [c.96]

    Одним из наиболее перспективных для использования в термометрии является пьезокварцевый термометр [5]. Так как эквивалентное сопротивление кварцевого резонатора (КР) велико, то рассеивание на нем мощности не превышает 10 вт [6]. [c.96]

    Пьезоэлектрический кварцевый резонатор называют также кварцевыыи микровесами. [c.514]

    Пьезокварцевое микровзвешивание основано на зависимости собственной частоты колебаний, распространяемых в пластине пьезокварца, от массы вещества, нанесенного на повер.ч-ность боковых граней пластины [1]. Этот метод используется при изучении многих физических и химических процессов, сопровождающихся изменением массы вещества на поверхности датчика микровесов — пластины кварцевого резонатора [2]. [c.46]

    Пьезосорбциониые влагомеры и гигрометры. Действие их основано на зависимости собственной частоты колебаний кварцевого резонатора от его массы. Кристалл кварца покрывают слоем в-ва, избирательно сорбирующего водяные пары. Изменение частоты резонатора зависит от массы поглощенной влаги и, следовательно, от концентрации влаги в атмосфере, окружающей кристалл Д/ = — кР Лт, где F-собств. частота колебаний резонатора (обычно 5-15 МГц), /с-коэф., зависящий от типа и геометрии кристалла, Дт-изменение массы кристалла (в кг). Как правило, ДF достигает неск. кГц. Для измерения относит, влажности (отношение парциального давления водяного пара к давлению насыщ. пара при одних и тех же давлении и т-ре) в пределах 0-100% в кач-ве сорбентов используют гидрофильные полимеры, в частности поликапроамид. Толщина пленки полимера, наносимой на кристалл резонатора, не превышает неск. мкм, постоянная времени при применении поликапроамида 15 с, диапазон т-р от 5 до 60 °С, погрешность неск. %. Определению мешает присутствие паров спиртов, ЫН, и др. полярных соед. , сорбируемых полимером. При измерениях микроконцентраций влаги используют высокоэффективные адсорбенты, напр, силикагель. При этом ниж. предел определения концентрации влаги порядка 10 %. [c.389]


    Изменение массы и последующее изменение резонансной частоты в присутствии определяемого газа используют в механоакустических сенсорах. Наиболее важными из них являются пьезоэлектрические кварцевые резонаторы и сенсоры поверхностных акустических волн (ПАВ). [c.514]

    Применение. Чистый кварцевый песок используется для изготовления прозрачного кварцевого стекла и непрозрачного плавленого кварца. Песок разной степени чистоты идет на производство обычного стекла, растворимого стекла, фарфора, строитеАных растворов, применяется как формовочная земля в металлургии, для получения кремния. Горный хрусталь — драгоценный камень в ювелирном деле и материал для изготовления оптических инструментов. Кизельгур служит предохранительным и упаковочным материалом, обладающим хорошей поглотительной способностью. Кристаллы кварца используются в кварцевых часах, в кварцевых резонаторах для получения ультразвука. [c.324]

    Особо следует отметить схему, применяемую Арнольдом [17], которая является аналогичной схеме Мехамы [18]. В этой схеме кварцевый резонатор включается в диагональ моста, который включен на сетку лампы. Стабильность этой схемы порядка 10 . Попытка применить схему с кварцевым мостом и использовать вместо ламн полупроводниковые триоды [42, 43] тина П-403 не дала требуемых результатов из-за большого температурного ухода параметров триодов- [c.120]

    Метод Лэнгмюра основан на испарении веществасо свободной поверхности в вакуум, а в методе Кнудсена изучают скорость эффузии (истечения) струи пара из ячейки. В зависимости от способа измерения скорости испарения или скорости эффузии существуют модификации, выделяемые как отдельные методы (масс-спектрометрический, оптический, изотопного обмена, радиометрический, торсионный, кварцевой спирали, кварцевого резонатора и др. ).  [c.67]

    Кварцевый резонатор. Одним из наиболее чувствительных методов определения количества испарившегося вещества является измерение массы конденсата на поверхности кварцевого кристалла. Если тонкая пленка какого-либо вещества оседает на чувствительной поверхности кристаллического кварцевого резонатора, то сдвиг основной резонансной частоты пропорционален массе осадка [145]. Это свойство кварцевого резонатора Бахман и Шин [146] использовали для измерения коэффициента конденсации золота и серебра. Янсон и Теплицкий [67] [c.100]

    Метод кварцевого резонатора применим только для слаболетучих веществ Ркомнатной температуре). Высокая степень чистоты исследуемых продуктов, необходимая для надежного и точного определения теплоты парообразования, при использовании метода кварцевого резонатора является лимитирующим условием, поскольку общее количество испаряемого или эффундирующего из камеры вещества в этом случае очень мало. [c.102]

    Методами кварцевого резонатора и массч пектрометрии определены температурные зависимости давления насыщенного пара азотистых оснований нуклеиновых кислот и их производных [192, 218, 230], для некоторых пар этих веществ определена энтальпия диссоциации в газовой фазе. Полученные авторами указанных работ величины энтальпии сублимации хорошо (с отклонениями в пределах 1-2 ккал/моль) согласуются с результатами наших определений весовыми методами Кнудсена и Лэнгмюра, а также с данными микрокалориметрических измерений. Эти исследования позволяют подойти к решению вопросов механизма межмоле-кулярного взаимодействия азотистых оснований в молекулах нуклеиновых кислот. [c.171]

    В последние годы в результате развития высокочувствительного метода микровзвешиваний на основе кварцевого резонатора [22, 23] удалось исследовать адсорбцию влаги и других компонентов воздуха на свежеобразованной и окисленной поверхности металлов [24]. Так, изотермы физической адсорбции влаги на свежеобразованной и окисленной поверхности цинка, алюминия и никеля свидетельствуют о возникновении полимолекулярных пленок воды в области относительных влажностей, превышающих 30—40%. Однако даже вблизи границы насыщения на поверхности фиксируется не более 10—12 монослоев воды (рис. 2)  [c.156]

    Методике определения малых коррозионных потерь применительно к атмосферной коррозии посвящена статья П. В. Стрекалова и Ю. Н. Михайловского, в которой описывается радиочастотный метод (метод кварцевого резонатора), позволяющий регистрировать изменение массы порядка Ю»» —10 г см , что особенно важно при регистрации начальных стадий коррозионного процесса. Приводится схема установки для исследования коррозии под адсорбционными пленками влаги. [c.6]

    Генератор на б—10 Мгц для возбуждения колебаний в кварцевой пластинке собран на трех транзисторах типа П414 и П416А по осцилляторной схеме Монтаж схемы генератора возбуждения выполнен печатным способом. Печатная плата заключена в закрытый экран из дуралюминия. На верхней торцовой стенке экрана расположены тумблер для подключения питающего напряжения и два высокочастотных разъема, один из которых служит для присоединения в схему кварцевой пластинки, находящейся в рабочей камере, а другой — для подачи выходного сигнала от кварцевого резонатора на вход измерителя частоты. В качестве последнего использован кварцевый частотомер-калибратор марки 41-5 с погрешностью измерения частоты при использовании основного кварцевого генератора, равной +5 -10 3//С за 15 суток, но не лучше +1 -10 fx dz (- — коэффициент кра гности сравниваемых частот по фигурам Лиссажу). Для повышения стабильности работы возбуждающего генератора последний был помещен в камеру водяного термостата, вода из которого одновременно используется и для температурной стабилизации кварцевой пластинки в рабочей камере с точностью Г. [c.161]

    Частота колебаний возбуждающего генератора в ЯМР-спектрометрах стабилизируется обычно с помощью кварцевых резонаторов, что, с одной стороны, обеспечивает упомянутые выше требования, но зато почти полностью исключает возможность изменения этой частоты для подбора резопапс-пых условий или для развертки спектров. Поэтому ЯМР-спектрометры снабжаются источниками одной или нескольких стабилизованных кварцами частот, а резонансные условия и развертка спектров осуществляются изменениями величины поляризующего поля.[c.110]

    Как следует из формулы (2), массовая чувствительность Ат/ Д[ тем выше, чем выше собственная частота колебаний используемой пластины и чем меньше площадь электрода. Выражение (2) хорошо подтверждается экспериментально. Например, в работе [3] проведена непосредственная гравиметрическая калибровка микровесов с кварцевым резонатором. С помощью электронных весов получено, что отношение Ат1т к изменению частоты Aflf составляет 0,991 с ошибкой 0,6%. [c.46]

    Определение сухого остатка методом пьезокварцевого взвешивания проводили следующим образом. Анализируемую жидкость микропипеткой наносили на поверхность кварцевого резонатора. Растворитель упаривали под вакуумом, при этом сухой остаток локализовался на поверхности резонатора-в виде пятна определенного размера. По изменению частоты колебаний резонатора до и после упаривания судили о массе су.хого остатка. [c.47]


4 Скрытые тайны кварцевых генераторов

 

Разработка кварцевых генераторов буквально изменила мир. Технически это может (и есть) сказать о многих вещах. Но подумайте об этом! Без кварцевых генераторов мы, возможно, никогда не увидели бы точную синхронизацию в часах, широкие и четкие радиопередачи или важные методы связи в военных и космических программах.

Представьте, каким другим мог бы быть наш мир без этих уже привычных технологий.

Вы когда-нибудь задумывались об истории этих маленьких, но важных электронных устройств? Как они появились? Кто изобрел кварцевый генератор? И другие скрытые тайны?

В этом посте вы получите совершенно новый взгляд на осцилляторы, более глубоко рассмотрев 4 скрытые тайны кварцевых осцилляторов, о которых многие люди не знают.

4 Скрытые тайны кварцевых генераторов

1. Вдохновители, стоящие за всем этим

Все началось с пьезоэлектричества (электрического заряда, который накапливается в определенных твердых материалах (таких как кристаллы, определенная керамика и биологические вещества, такие как кости, ДНК и различные белки) в ответ на приложенное механическое напряжение. )

Этот феномен был открыт братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. Как видите… они определенно братья, и их чувство стиля намного опережает свое время. Так держать, братья Кюри!

Изображение: howknowledgeworks.com

Используя концепцию пьезоэлектричества, Александр М. Николсон в Bell Telephone Laboratories в 1917 году разработал первый в мире кварцевый осциллятор (с использованием кристалла сегнетовой соли).

Первый кварцевый осциллятор был изобретен более десяти лет спустя, в 1921 году, Уолтером Гайтоном Кэди.Для вашего удовольствия он также изображен ниже. (Боковая мысль: интересно, о чем он думал во время этой фотографии почти 100 лет назад.)


Изображение: extremenxt.com

2. На шаг ближе к HD Radio

В то время как кварцевые резонаторы использовались для сонара во время Первой мировой войны, одним из первых основных применений кварцевых генераторов было улучшение радиопередач.

Генераторы на кварцевом кристалле

были разработаны для высокостабильных опорных частот в 1920-х и 1930-х годах.До использования кристаллов радиостанции регулировали свою частоту с помощью настроенных цепей, которые могли легко отклоняться от частоты на 3–4 кГц. Радиовещательным станциям были назначены частоты с разницей всего в 10 кГц, поэтому было обычным явлением некоторое перекрытие между станциями из-за частотного дрейфа.

Разочарование, которое это вызвало, вероятно, похоже на то, что вы чувствуете, когда у вас медленный Wi-Fi… 

К 1926 году кристаллы кварца использовались для управления частотой многих радиовещательных станций и были популярны среди радиолюбителей.

Благодаря способности кварцевого генератора поддерживать сильную стабилизацию частоты это решило проблему частотного дрейфа между станциями и позволило улучшить качество прослушивания.

Связанный: Ищете новейшую сверхстабильную технологию OCXO? Откройте для себя сверхстабильные осцилляторы Bliley.

3. Самые точные хронометристы в мире

В 1928 году Уоррен Маррисон из Bell Telephone Laboratories разработал первые кварцевые часы.Кварцевые часы заменили точные маятниковые часы и стали самыми точными хронометрами в мире. То есть… до тех пор, пока в 1950-х годах не были разработаны атомные часы. Кварцевые часы с точностью до 1 секунды за 30 лет (30 мс/год)

4. Нехватка кристаллов (и появление синтетических кристаллов)

Во время Второй мировой войны кристаллы и генераторы использовались со всеми природными кристаллами кварца. Однако Вторая мировая война вызвала значительный рост спроса на кварцевые кристаллы из-за необходимости управления частотой в военных устройствах, таких как радиоприемники и радары.Этот высокий спрос вызвал послевоенные исследования по разработке синтетических кристаллов кварца, чтобы не отставать от более высоких требований.

К 1950 году в Bell Laboratories был разработан гидротермальный процесс выращивания кристаллов кварца в промышленных масштабах. К 1970-м почти все кристаллы, используемые в электронике, были синтетическими.

Хотите узнать, что представляет собой самая инновационная на сегодняшний день технология управления частотой? Ознакомьтесь с обширным списком продуктов Bliley Technologies, в который входят одни из лучших генераторов на рынке сегодня, включая осцилляторы GPS Disciples.


Bliley Technologies является мировым лидером в разработке и производстве продукции с низким уровнем шума для управления частотой. Наши преданные сотрудники, находящиеся в частной собственности и работающие с 1930 года, используют производственное предприятие площадью 64 000 квадратных футов, расположенное в Эри, штат Пенсильвания, и уже более восьмидесяти лет являются стабильным источником качественных продуктов для управления частотой для наших клиентов. Bliley остается одной из очень немногих компаний в США, производящих кварцевые кристаллы и генераторы на одном предприятии.Вертикальная интеграция Bliley обеспечивает идеальную среду для наших инженеров по кристаллам, генераторам и механикам, чтобы они могли тесно сотрудничать с нашими производственными сотрудниками для разработки и производства одних из самых надежных конструкций, предлагаемых в нашей отрасли.

Понимание кристаллов кварца и генераторов

Кварц

, уникальный по своим химическим, электрическим, механическим и термическим свойствам, используется в качестве элемента управления частотой в приложениях, где стабильность частоты является абсолютной необходимостью.Без передачи, управляемой кристаллом, радио и телевидение в их нынешнем виде были бы невозможны. Кристаллы кварца позволяют располагать отдельные каналы в системах связи ближе друг к другу, чтобы лучше использовать один из самых ценных ресурсов — беспроводную полосу пропускания. В этой книге описываются особенности искусства проектирования кварцевых генераторов, в том числе способы определения и выбора кварцевых генераторов. Помимо представления различных разновидностей кварцевых генераторов, этот ресурс также предоставляет полезные модели MathCad и Genesys.

Кристаллы кварца — Введение. Мать-природа впервые использовала кварц. Братья Кюри. Пьезоэлектричество. Кварц. Левосторонний и правосторонний кварц. Кварц анизотропен. Хронология кварцевых кристаллов и осцилляторов. Важные определения. Стабильность частоты в перспективе. Растущий кварц. Развернутый кварц. Кристалл родился. Внутри Кристаллического Блока. Герметизация кристаллического блока. Тестирование на влажность. Механическая эквивалентная модель кристаллического резонатора. Электрическая эквивалентная схема кристаллического резонатора.Вывод уравнений эквивалентной цепи. Последовательно-резонансные и параллельно-резонансные генераторы. Емкость нагрузки. Кристаллы фундаментального режима. Кристаллы обертонового режима. Ложные режимы. Расширенная модель эквивалентной схемы кварцевого резонатора. Идеальный фазовый угол кварцевого резонатора. Вытягивание частоты кристалла за счет изменения емкости нагрузки. Расстояние от нуля до полюса. Чувствительность обрезки. Важные безразмерные величины. Сопротивление кристалла над резонансом серии (ESR).; Характеристики кварцевого кристалла — Введение.Определение кривой зависимости частоты от температуры. Огранка кристаллов кварца. Температурные характеристики AT Cut, BT Cut и SC Cut. Толщина и частота кварца. Вафли (Заготовки). Частотно-температурные кривые Бехмана. AT Cut против SC Cut. SC-Cut B-режим. Температурная характеристика. Вибрационные смещения АТ по сравнению с СК разрезами. Уровень привода. Уровень привода. Зависимость (DLD) или уровень привода. Чувствительность (ДЛС). Старение. Как уровень драйва влияет на старение. Провалы активности. Феномен сонных кристаллов. Указание кристаллов.Меры предосторожности при обращении с блоком кристаллов. Шаблон спецификации кристалла.; Расширенные темы кварцевого резонатора — введение. Мерцающий шум. Введение в флуктуацию. Уравнения. Модель мерцающего шума кварцевого резонатора. Чувствительность уровня возбуждения кварцевого резонатора. Q резонатора и 1/f шум по сравнению с уровнем возбуждения. Влияние ускорения на кварцевые резонаторы. Тестирование зависимостей уровня диска.; Резонаторы и генераторы MEMS — Введение. Немного терминологии МЭМС. МЭМС-резонаторы. Генераторы MEMS против кварцевых генераторов.; Выбор правильного кристалла для приложения — Введение. Выбор правильного кристалла для недорогих ЧАСОВ. Выбор правильного кристалла для VCXO. Выбор правильного кристалла для TCXO. Указание кристалла для приложения OCXO.; Теория осцилляторов — Введение. Модель осциллятора с обратной связью. Модель отрицательного сопротивления. Метод фазы усиления Боде. Метод корневого локуса. Схема танка LC. Нагруженные резонаторы Q. LC. LC-осцилляторы. Топологии кварцевого генератора. Выбор топологии. Нагрузочно-реактивная стабильность.Как кристаллы колеблются и контролируют частоту: качественное обсуждение. ; Фазовый шум и джиттер — введение. Понятие плотности шума. Уровень шума. Фазовый шум генератора. Степенные шумовые процессы. Детерминированные сигналы. Измерение фазового шума на анализаторе спектра. Модель шума генератора Лисона. Джиттер осциллятора. Единицы джиттера. Измерение джиттера. Преобразование фазового шума в фазовый джиттер. ; Определение кварцевых генераторов — введение. Типы кварцевых осцилляторов. Доступные формы выходных сигналов генератора.Выходные структуры PECL, LVDS, CML, CMOS и Clipped-Sinewave. Указание формы выходного сигнала. ЧАСЫ с расширенным спектром. Определение генераторов CLOCK. Указание VCXO. Указание TCXO. Указание OCXO. Основные сведения, необходимые для определения кристалла. ЧАСЫ Осциллятор. Основные сведения, необходимые для определения VCXO. Основные сведения, необходимые для определения TCXO. Основные сведения, необходимые для определения OCXO.; Осциллятор Пирса-Гейта — Введение. Базовый осциллятор Пирса-Гейта. Анализ фазы усиления Пирса-Гейта без обратной связи.Определение достаточного запаса усиления генератора Пирса-Гейта. Отрицательное сопротивление против кристаллического шунта. Емкость. Пронзите врата для кристаллов третьего режима обертона. Пусковые характеристики Pierce-Gate. Оптимизация шлюза Pierce для конфигурации VCXO с высокой нагрузкой Q. Pierce-Gate. Измерение уровня Crystal Drive. Пример конструкции ЧАСОВ Pierce-Gate; Осциллятор Колпитца — Введение. Вывод уравнения усиления. Процедура быстрого проектирования Colpitts CC с использованием параллельного резонансного кристалла основной моды.Процедура быстрого проектирования Colpitts CC с использованием кристалла с параллельным или последовательным резонансом третьего обертона. Переходный анализ Colpitts CC. Colpitts VCXO Design.; Дизайн кварцевого осциллятора Батлера — Введение. Работа осциллятора эмиттерного повторителя Батлера. Процедура проектирования эмиттерного повторителя Батлера. Пример конструкции эмиттерного повторителя Батлера VCXO. Осциллятор Батлера Гейт; Характеристика высокопроизводительных кварцевых генераторов — Введение. Почему Аллан Варианс? Определение дисперсии Аллана. Модифицированная дисперсия Аллана.Перекрывается Allan Variance. Определение временной дисперсии. Ошибка временного интервала. Методы сбора частотных и фазовых данных. Оценка дисперсии Аллана по измерениям в частотной области.; Методы умножения частоты — Введение. Влияние на сигнал путем умножения. Умножение ПЛЛ. Умножение ступенчатого диода восстановления (SRD). Нелинейное умножение линий передачи. Прямое умножение. Смесительное умножение. Малошумящий множитель нечетного порядка на диоде Шоттки. Пример проектирования умножителя частоты, умноженного на три раза.Требования к кварцевому генератору в телекоммуникациях — Введение. Некоторые определения телекоммуникаций. Критерии проектирования PLL в телекоммуникационных сетях. ; Тестирование кварцевых генераторов — Введение. Военные стандарты. Организации, разрабатывающие стандарты, кроме военных. Тестирование кварцевых генераторов. Счетчики частоты. Тестовые приспособления.; Глоссарий. Об авторе. Показатель ;

  • Рамон М. Серда Рамон М. Серда имеет более чем 20-летний опыт разработки кварцевых генераторов.Он получил степень MSEE в Политехническом институте Нью-Йоркского университета.

Анализ кварцевых резонаторов с двойным вращением, использующих, по существу, толщинные моды с поперечным изменением: Журнал Акустического общества Америки: Том 79, № 6

вблизи нечетных чистых толщин частоты выводятся из уравнений линейного пьезоэлектричества и связанных с ними граничных условий на основных поверхностях. Делаются обычные предположения о малой пьезоэлектрической связи и малых волновых числах вдоль пластины, и предполагается, что частоты чистой толщины достаточно различны, так что в каждый момент времени доминирует одна волна чистой толщины. При обработке механическое перемещение разлагается по триаде собственных векторов решения чистой толщины для облегчения асимптотического анализа. Тот факт, что волновые числа вдоль пластины ограничены малыми значениями, значительно снижает сложность уравнений без пренебрежения какими-либо преобразованными упругими константами.Полученное асимптотическое дисперсионное уравнение позволяет построить скалярное дифференциальное уравнение, описывающее поперечное поведение существенно толщинных мод колебаний в дважды повернутых кварцевых пластинах. Скалярное уравнение применяется при анализе как резонаторов с улавливаемой энергией с прямоугольными электродами, так и контурных кристаллических резонаторов с использованием установленных процедур. В частности, показано, что расчеты, выполненные для контурного разреза СК и ряда других ориентаций с двойным поворотом, прекрасно согласуются с экспериментом. Поскольку дифференциальное уравнение для каждого семейства гармоник зависит от порядка гармоники и в общем случае двойного вращения содержит смешанные производные в плоскости пластины, для каждого семейства гармоник требуется различное преобразование, чтобы получить систему координат, в которой смешанная производные не появляются и, следовательно, уравнение сепарабельно. Интересным следствием этого преобразования является то, что, поскольку узловые плоскости ангармоник каждого семейства гармоник контурного кварцевого резонатора SC-среза ориентированы вдоль преобразованной системы координат для этого семейства гармоник, они ориентированы по-разному для каждого семейства гармоник.

Кристаллы кварца | Электронные компоненты. Дистрибьютор, интернет-магазин – Transfer Multisort Elektronik

Кристаллы кварца

Что такое резонаторы, резисторы и кварцевые генераторы?

Кварцевый резонатор — это электронное устройство, которое используется для отслеживания времени с высокой точностью. Эта точность обусловлена ​​электрическими импульсами, генерируемыми через равные промежутки времени. Это явление называется фиксированной тактовой частотой.Резонаторы используются, среди прочего, в макетных платах микроконтроллеров, компьютерах, пультах дистанционного управления телевизором, игрушках, часах и многих других широко используемых электронных устройствах. Кварцевые резонаторы также широко известны как кварцевые кристаллы , но также можно встретить такие термины, как кварцевый резистор или кварцевый генератор .

Типы резонаторов

Существует несколько типов резонаторов. Наиболее популярными из них являются кварцевые резонаторы, но есть также керамические резонаторы и набирающие популярность кремниевые резонаторы . Кварцевые резонаторы, используемые в часах , представляют собой особую разновидность резонаторов (генераторов).

Кварцевые резонаторы. изготовлены из точно вырезанного кристалла кварца, т. е. двуокиси кремния (SiO2), имеют два вывода. Они прикреплены к металлическим электродам. Разная собственная частота резонатора достигается разной формой и размером используемого кварца. Керамические резонаторы имеют аналогичную конструкцию, но их основным элементом является пьезоэлектрический материал, отличный от кварца.

В кварцевых резонаторах

используется пьезоэлектрический эффект, который представляет собой способность определенных материалов генерировать электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение (концы кристалла становятся электрически заряженными). Пьезоэлектрический материал также проявляет обратный пьезоэлектрический эффект. При подаче на его концы разности напряжений он деформируется. Кварцевый резонатор, соединенный с электронной схемой, заставляет ее вибрировать; подавая энергию в цепь, он создает механический резонанс с частотой, равной собственной частоте используемого кварцевого кристалла. Наиболее распространенным типом электронного генератора является генератор Пирса. Иногда можно встретить готовые модули в виде генераторов импульсов. Они имеют бортовую электронику и обычно 4 вывода, которые отвечают за массу и питание, импульсный выход и управляющий вход.

Свойства кварцевого резонатора — точность и частота

Точность кварцевых резонаторов определяется единицей, называемой PPM (частей на миллион). Например, точность 1% равна 10 000 PPM. Особенно важно, среди прочего, в качественных часах, чтобы они не теряли и не выигрывали несколько секунд в день.Кварцевые резонаторы имеют самую высокую точность со средним значением в несколько десятков частей на миллион, что на практике означает диапазон примерно от 3 до 100 частей на миллион. Производимые в настоящее время керамические резонаторы имеют очень похожую стабильность, начиная примерно с 10 частей на миллион, в то время как кварцевые резонаторы, используемые в часах, не превышают 20 частей на миллион.

Обратите внимание, что точность и стабильность импульсов, генерируемых кварцевым резонатором , сильно зависят от температуры. Таким образом, доступны кварцевые генераторы с постоянной температурой; это возможно благодаря дополнительной электронной схеме.Интересно отметить, что на частоту импульсов, генерируемых резонатором, может влиять даже его пространственная ориентация относительно вектора силы тяжести, так как сила земного притяжения может в некоторой степени изменять частоту собственных колебаний кристалла.

Конечно, кроме точности, в кварцевых резонаторах не менее важна частота. Это значение может варьироваться от десятков килогерц [кГц] до десятков мегагерц [МГц]. Наиболее интересными здесь могут быть кварцевые резонаторы, используемые в часах, так как практически в каждом случае они будут иметь частоту 32 768 кГц.Это связано с тем, что когда вы делите это значение на два в степени пятнадцати, вы получаете импульс один раз в секунду, временную базу аналоговых часов.

Параметры кварцевого резонатора

Частота резонатора обычно выбита на упаковке. К сожалению, как и большинство устройств, кварцевые резонаторы могут изменять свои частотные характеристики с течением времени из-за старения.

Выбор кварцевых резонаторов

Кварцевые генераторы

, как и практически любой другой электронный компонент, доступны в корпусах THT или SMD.

При выборе кварцевого резонатора следует учитывать шаг резонатора, влияющий на механическую совместимость. Этот термин используется для описания расстояния между выводами электронных компонентов, например, интегральных схем или клеммных колодок. Стандартные шаги кварцевых резонаторов составляют 0,7 мм, 1,1 мм, 2,54 мм, 4,88 мм и 5,1 мм.

Наиболее распространенными типами корпусов для кварцевых генераторов являются цилиндрические корпуса (HC-49, HC-49-S, HC-49/U, TC26 и TC38), которые представляют собой корпуса THT (монтаж через отверстие), и HC-49SM. и HC-49SMD (SMD, поверхностный монтаж).

Следует также обратить внимание на ряд других параметров, таких как рабочая температура, которая может варьироваться от -55°C до 150°C, мощность, выраженная в милливаттах [мВт] или даже в нановаттах [нВт], а также емкость, которая может варьироваться от примерно 6 пФ (пФ) до 30 Ф.

Кварцевые кристаллы — Kingtronics

Kingtronics предлагает пассивный освинцованный кварцевый кристалл HC49U, HC49S, кварцевый кристалл SMD HC49SMD и кристаллы 1612SMD, 2016SMD, 2520SMD, 3225SMD, 5032SMD.Мы также производим активные генераторы SMD 2520, 3225, 5032, 5070 и камертонные кристаллы 2060, 3080DIP. Пассивный кварцевый кристалл идеально подходит для беспроводных коммуникационных устройств Bluetooth, жестких дисков, DSN, КПК, GPS, цифрового тюнера, беспроводной локальной сети и мобильных телефонов. Активные генераторы SMD идеально подходят для дисководов, NB, сетей, GPS/навигации, BlusTooth, Ethernet, ADSL, VDSL, оптоволоконных каналов и портативной электроники. Быстрое реагирование Kingtronics и глубокая техническая поддержка являются исключительными.Вы найдете наших высококвалифицированных, опытных торговых представителей удовлетворительными.

Kingtronics (Kt) Кварцевые кристаллы и генераторы Список продуктов

Kingtronics (Kt) Кварцевые кристаллы и осциллятор Фотографии

О кварцевых кристаллах и осцилляторах

Кварцевый кристалл электронного класса представляет собой монокристаллический кварц, обладающий свойствами, которые делают его исключительно полезным для точных регуляторов частоты, таймеров и фильтров в электронных схемах. Эти устройства используются для широкого спектра электронных приложений в коммуникационном оборудовании, компьютерах, аэрокосмическом оборудовании, инструментах для коммерческого использования.

Кварцевый генератор представляет собой схему электронного генератора, использующую механический резонанс вибрирующего кристалла из пьезоэлектрического материала для создания электрического сигнала с очень точной частотой. Эта частота обычно используется для отслеживания времени (как в кварцевых наручных часах), для обеспечения стабильного тактового сигнала для цифровых интегральных схем и для стабилизации частот для радиопередатчиков и приемников.Наиболее распространенным типом используемого пьезоэлектрического резонатора является кристалл кварца, поэтому схемы генератора, разработанные на его основе, стали известны как «кристаллические генераторы».

Кристаллы кварца изготавливаются для частот от нескольких десятков килогерц до десятков мегагерц. Ежегодно производится более двух миллиардов (2×109) кристаллов.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.