кварцевый резонатор ppm что это

Параметры кварцевых резонаторов

Параметры частоты

Номинальная частота – частота F_н, указанная на маркировке или в документации на кварцевый резонатор (измеряется в МГц или кГц).

Базовая частота – реальная частота резонатора F_о, измеренная в заданных условиях эксплуатации. Как правило, определяются только климатические условия, а именно базовая температура окружающей среды Т_о, (равная 25± 2°С для резонаторов со срезом типа АТ).

Рабочая частота – реальная частота резонатора F, измеренная в реальных условиях эксплуатации (климатических, механических и электрических). Обычно определен только допустимый диапазон изменения рабочей температуры.

Точность настройки частоты – максимально допустимое относительное отклонение базовой частоты резонатора от номинальной частоты. Определяется по формуле (1).

Температурная нестабильность частоты

Относительное отклонение рабочей частоты резонатора от базовой частоты. Определяется по формуле (2).

Может быть представлено в виде зависимости от рабочей температуры T, в соответствии с формулой (3) для кварцевых пластин с типом среза АТ и формулой (4) для кварцевых пластин остальных типов.

Долговременная нестабильность частоты (старение) – систематическое изменение базовой частоты с течением времени из-за внутренних изменений в кварцевом резонаторе. Параметр старения задается как относительное изменение базовой частоты за заданный промежуток времени. Это значение выражается в частях миллиона за год (например, 3 ppm / year ). Уход частоты под влиянием старения в максимальной степени сказывается в течение первых 30 – 60 дней эксплуатации, после чего влияние этого фактора уменьшается.

Режим работы резонатора (номер гармоники)

Например, кристалл может работать на основной частоте 10 МГц, или в нечетных гармониках приблизительно 30 МГц (третий обертон), 50 МГц (пятый обертон) и 70 МГц (седьмой обертон).

Параметры температуры

Базовая температура – Температура окружающей среды То, для большинства резонаторов равная 25± 2°С, при которой выполняются измерения определенных параметров кварцевого резонатора (в частности, значения базовой частоты).

Диапазон рабочих температур – Диапазон температур, для которого производитель гарантирует, что максимальное отклонение рабочей частоты от номинального значений не выходит за пределы заданного допуска.

Диапазон предельных температур – Диапазон температур, в котором резонатор сохраняет работоспособность, но отклонение частоты от номинала может выходить за пределы, гарантируемые производителем.

Диапазон температур хранения – Диапазон температур, в котором кварцевый резонатор может находиться в режиме хранения (то есть, в состоянии отсутствия колебаний). После окончания хранения резонатора и обеспечения температуры в пределах рабочего диапазона (в течение некоторого отрезка времени), резонатор может использоваться в режиме колебаний, причем при этом будут гарантироваться все указанные производителем параметры.

Рис. 1. Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Электрические параметры

Эквивалентная схема кварцевого резонатора – представляет собой электрическое описание кварцевого резонатора, работающего на резонансной частоте. Эквивалентная схема кварцевого резонатора представлена на рисунке 1. С0 – шунтирующая емкость. R1, L1 и С1 – соответственно динамическое сопротивление, динамическая индуктивность и динамическая емкость. Динамические параметры представляют собой соответствующие эквиваленты резонатора как электромеханической системы и определяются, в основном, характеристиками среза кварцевого элемента.

Шунтирующая емкость C0 – Емкость между выводами кристалла. Измеряется в пикофарадах. Шунтирующая емкость складывается из паразитной емкости кварца, емкости области электродов кристалла и емкости, вносимой кристаллодержателем. Шунтирующая емкость имеет значение порядка единиц пФ.

Динамическое сопротивление R1 – Параметр, характеризующий энергетические потери в колебательном контуре. Динамическое сопротивление R1 кварцевых резонаторов изменяется в интервале от нескольких Ом до сотен кОм в зависимости от частоты резонанса, номера гармоники и ряда конструктивных факторов. Часто обозначается как эквивалентное последовательное сопротивление ESR.

Динамическая индуктивность L1 – Параметр, характеризующий эквивалент массы в колебательном контуре. Динамическая индуктивность L1 кварцевых резонаторов изменяется в интервале от тысяч Гн для резонаторов низких частот до нескольких мГн для высокочастотных резонаторов.

Частота резонанса F – частота, определяемая в соответствии с формулой (5)

Емкость нагрузки СL

Рис. 2. Согласование емкости нагрузки

Измеренное или вычисленное значение емкости, включенной параллельно с кварцевым резонатором. Резонансная частота кварца, включенного в реальную электрическую цепь, будет изменяться в некоторых пределах при разных значениях емкости нагрузки. Для упрощения взаимодействия заказчиков и производителей резонаторов практикуется настройка резонаторов при определенном значении нагрузочной емкости. В этом случае измеренная частота должна соответствовать номинальной с учетом указанной точности настройки.

Например, для емкости нагрузки равной 16 пФ имеем

Уровень управления (drive level)

Обычно определяется как мощность, рассеиваемая кварцевым резонатором. Минимальное значение этого параметра определяется количеством энергии, необходимой для нормального запуска резонатора и обеспечения устойчивых колебаний. Однако повышенное значение этого параметра может вызвать ухудшение параметров старения и механические повреждения кристалла.

Источник

Сигналы точного времени: обзор кварцевых резонаторов Geyer Electronic

Компания Geyer Electronic в течение многих лет является одним из ведущих мировых производителей кварцевых резонаторов. Продукция компании предназначена для различных температурных диапазонов и сортируется по областям применения.

Немецкая компания Geyer Electronic, основанная в 1964 году. Компания производит изделия, предназначенные для аппаратуры связи, мультимедиа, автомобильной электроники, бытовой и промышленной аппаратуры:

Основной офис компании находится в Германии. Производство размещено в Японии, Китае и Корее.

Компания Geyer Electronic придает большое значение тесному сотрудничеству с клиентами в течение всего этапа производства – от разработки изделия до серийного производства. Это гарантирует соответствие готового продукта всем предъявленным требованиям. Кроме этого, глобальная сеть продаж гарантирует доступность продукции и кратчайшие сроки ее доставки. Этим самым компания зарекомендовала себя как надежный и ориентированный на успех партнер.

Для того чтобы сравнить характеристики резонаторов, выявить преимущества/недостатки, необходимо разобраться в их строении и принципах работы, в сути пьезоэлектрического эффекта.

При деформации пьезоэлектрического образца возникает электрическое напряжение между его гранями, а при приложении к его граням электрического напряжения он деформируется. Это явление и называют пьезоэлектрическим эффектом.

Пьезоэлектрический эффект наблюдается в кварце, титаните бария, турмалине, сегнетовой соли и других веществах. На нем основана работа акустических излучателей, систем сверхточного позиционирования, адаптивной оптики, пьезоэлектрических двигателей, пьезогенераторов электроэнергии, он используется для подачи чернил в струйных принтерах, в пьезотрансформаторах и в кварцевых резонаторах.

Для изготовления кварцевого резонатора используется кристалл пьезоэлектрика, из которого вырезается кольцо, брусок либо пластина. После на вырезанную пластину (кольцо, брусок) наносятся электроды. При подаче напряжения на электроды происходит сжатие, изгибание или сдвиг пластины (в зависимости от способа вырезки кристалла).

Колеблющаяся пластина создает во внешней цепи противо-ЭДС. Это явление эквивалентно работе катушки индуктивности в колебательном контуре (рисунок 1). Если частота подаваемого напряжения близка (в идеале равна) к частоте механических колебаний, затраты энергии оказываются существенно ниже, чем при значительном отличии этих частот.

Рис. 1. Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Согласно рисунку 1, параметры эквивалентной схемы следующие:

С0 – межэлектродная емкость, образуемая обкладками и/или кристаллодержателем, емкостью проводящих проводов;

С1, L1 – эквивалентные емкость и индуктивность механической колебательной системы, которые зависят только от механических свойств;

R1 – эквивалентное сопротивление потерь механической колебательной системы, характеризующее затухание механических колебаний.

Кварцевые резонаторы выпускаются для различных частот, но наиболее популярным видом являются резонаторы на 32.768 кГц, используемые в часовых схемах. Их резонансная частота, поделенная на пятнадцатиразрядном двоичном счетчике, даст интервал времени в одну секунду. Также резонаторы применяются в генераторах с высокой стабильностью фиксированной частоты (опорные генераторы синтезаторов частот, трансиверных радиостанций и др.), в кварцевых полосовых фильтрах промежуточной частоты супергетеродинных приемников.

Качество схем с кварцевыми резонаторами определяют следующими параметрами:

Обзор кварцевых резонаторов Geyer Electronic

Основные характеристики этих кварцевых резонаторов указаны в таблицах 1, 2. Все рассмотренные резонаторы соответствуют директиве RoHS 2011/65/EU. Под словом «доступно» в таблицах подразумевается возможность спецзаказа резонаторов с данными параметрами.

Таблица 1. Основные характеристики часовых кварцевых резонаторов в частотном диапазоне 32.768 кГц

Таблица 2. Основные характеристики кварцевых резонаторов МГц-диапазона

Держатели кристалла кварца должны быть жестко зафиксированы и не должны менять своего изначального положения с момента производства. В противном случае при сжатии и изгибании кристалла кварца могут возникнуть микротрещины. Чтобы этого не допустить, при монтаже в сквозные отверстия не изгибайте выводы резонатора более чем на 3 мм относительно изначального положения. Также не стоит припаивать корпус для фиксации, чтобы не допустить нагрева кристалла. Для этого необходимо использовать специальные приспособления.

Никаких особых замечаний по самой пайке кварцевого резонатора нет. Полярность любая, заземлять не нужно. Версии резонаторов поверхностного монтажа паяют оплавлением согласно предложенным производителем условиям пайки (рисунок 2).

Рис. 2. Условия пайки оплавлением для SMD-резонаторов

Рис. 3. Установка кварцевого резонатора для микроконтроллера

После пайки частота кварцевого резонатора может измениться на несколько ppm. Частота восстановится после нескольких часов или дней без каких либо последствий для кристалла кварца. Очистка проводится стандартными методами. При размещении кварцевого резонатора на плате также желательно придерживаться следующих условий:

Общий диапазон температуры хранения обозначен для каждой серии при заказе.

Все вопросы касательно резонаторов, их выбора и установки можно задавать как производителю, так и дистрибьютору. Общие же принципы выбора нагрузочных емкостей и внешнего резистора рассмотрим на примере кварцевого резонатора KX-K для микроконтроллера с необходимой частотой 24…25 МГц (рисунок 3).

Общие данные резонатора KX-K, согласно таблице 1:

Если нагрузочная емкость не будет согласована с нагрузочной емкостью кварцевого резонатора, то будет иметь место сдвиг резонансной частоты. Начальные значения емкости конденсаторов C1 и C2 для оптимизации должны быть 22 пФ и 27 пФ, соответственно, т.к. кристаллу необходима нагрузочная емкость 16 пФ. Предполагается, что у микроконтроллера есть внутренние емкости 2 пФ в OSC1 и OSC2. Паразитная емкость электрической схемы составляет 3 пФ. Таким образом, заключительная нагрузочная емкость равна (все значения емкостей в приведенной ниже формуле приведены в пФ):

Для простого запуска колебаний кварцевого резонатора емкость на входном OSC1 микроконтроллера взята меньше, чем на его выводе OSC2.

Чтобы проверить безопасность условий запуска, необходимо протестировать схему. Для тестирования необходимо вручную спаять резисторы последовательно с кварцевым резонатором. Колебания, даже несмотря на сопротивление в пределах, должны быть:

Рис. 4. Установка внешнего резистора

Внешний резистор рекомендуется использовать при рабочих частотах ниже 4 МГц. При более высоких частотах внутреннего сопротивления микроконтроллера обычно достаточно. Конденсатор C₂ с внешним резистором R_V (рисунок 4), образуют RC-цепочку, т.е. фильтр низких частот. Исходя из этого, Rv выбирается таким образом, чтобы критическая частота f была вдвое больше номинальной частоты резонатора.

Пример для C₂ = 22 пФ:

Компания Geyer Electronic выпускает качественные кварцевые резонаторы различных размеров SMD- и THT-монтажа популярных частотных диапазонов для новых приложений. Хорошо налаженная обратная связь между сотрудниками компании и клиентами позволит подобрать подходящий кварцевый резонатор для любой задачи в зависимости от условий эксплуатации, необходимых характеристик, цены и использования его в конкретном приложении.

Источник

Кварцевый резонатор ppm что это

При калибровке FLC метра столкнулся с тем, что большинство кварцевых резонаторов оказавшихся у меня врут примерно на 3-5 Khz.

10,000 Mhz (SMD) = 9,995 Mhz
10,245 Mhz (HC) = 10,250 Mhz
4,000 Mhz (HC) = 3,998 Mhz

Хотел спросить, это в пределах допуска для стандартных резонаторов?

Спасибо, статья интересная. Хочется понять вот что, нормально ли для кварцевого резонатора отклонение в 0.05% (5 Khz для кварца 10 Mhz) при правильном согласовании нагрузки.

Я проверяю кварцы, подключив их например к PIC по даташиту, там же все согласовано? Тоесть все стандартно, по рекомендациям производителя.

Из поста неясно: речь о собственной частоте резонатора или о частоте генерации в конкретной схеме.

В конкретной схеме. К примеру есть MC3372, к ней подключен кварц на 10.245, в первом гетеродине, он работает на 10,250. Тоесть я подразумеваю, что либо:

1) Кварц неточный
2) Частотомер неточный

С ПИК-ом ладно, там понятно, может и не требуется точность, но с гетеродином вроде как кварц должен генерить на нужном резонансе (последовательном к примеру).

Если можно, подскажите работающую схему генератора на 10-20 Mhz не требующую настройки. Если такая есть, чтобы гарантированно возбуждала кварц на первой гармонике. Потому что не могу отсроить частотомер:)

Есть TXCO у меня, я его подключил по даташиту, проверить не могу. Пока настроил по нему, но всё остальное (кварцы на 10 Mhz, 10.245 Mhz, 7.2 Mhz) врёт 🙁 Генераторы использовались от PIC, MC3372, LC72131.

Но это не все. Как уже писали выше, кварцевые резонаторы настраиваются в определенной схеме включения, чаще последовательный резонанс (по ссылке и это написано!). Но и это еще не все! Предполагается вполне определенная СХЕМА включения, при которой резонатор шунтируется вполне конкретной емкостью.
Поэтому, при включении кварца в ПРОИЗВОЛЬНУЮ схему, как правило, частота отличается. Грамотные схемы предполагают для этого подстроечные элементы, обычно емкости, включенные либо параллельно, либо последовательно с кварцем, что позволяет в небольших пределах «подстраивать» частоту. Следует заметить, что
желательно, чтобы кварц работал на частоте, указанной на корпусе, хотя он вполне может работать и на немного отличной частоте.

Понял. Включение кварца в цепь (скажем гетеродина в составе микросхемы) не гарантирует работу контура на частоте написанной на кварце. Нужно скорректировать его нагрузку для вывода его на рабочую частоту.

Я этого не знал. Спасибо большое за ответы!

PPM я думал это «peak per minute», тоесть количество отсчетов в минуту. Подскажите, наверно я путаю, ведь 50 отсчетов в минуту, это меньше одного герца.

Источник

Кварцевый резонатор

Кварцевый резонатор — это радиоэлемент, который используется в радиотехнических цепях для генерации электрических колебаний. В этой статье мы подробно рассмотрим и развенчаем некоторые мифы, связанные с кварцевым резонатором, а также рассмотрим схемы на его основе.

Пьезоэлектрики

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

Выглядит минерал кварц примерно вот так.

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

пьезоэффект

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

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

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

Кварцевый резонатор

Что представляет из себя кварцевый резонатор

В настоящее время выявлены множество видов кристаллических веществ, но в электронике больше всего используют именно минералы кварца, так как он помимо того, что является пьезоэлетриком, так еще и обладает хорошей механической прочностью.

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 примерно так.

виды кварцевых резонаторов

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.

Разобрав кварцевый резонатор, мы можем увидеть воочию сам кристалл кварца. Давайте вскроем кварц советского производства вот в таком корпусе.

Здесь мы видим прозрачный кристалл кварца, размещенный между двумя металлическими пластинками, к которым подпаяны выводы.

что внутри кварцевого резонатора

В маленьких кварцах типа этих

кварцевый резонатор

используются тонкие прямоугольные пластинки кварца. Физический размер и толщина кварцевой пластинки внутри кварцевого резонатора строго должна соблюдаться, так как именно ее габаритные размеры влияют на основную частоту колебаний. Здесь правило такое: чем больше толщина пластинки, тем ниже рабочая частота кварца. Поэтому, самые высокие частоты, на которые делают кварцы, составляет не более 50 МГц, 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 МГц, но работать такой кварц будет на обертоне.

Обертоны кварцевого резонатора

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 проблематично.

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. 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.

Последовательный и параллельный резонанс 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, прям вечный двигатель).

Для того, чтобы понять принцип работы кварцевого резонатора, надо рассмотреть его эквивалентную схему:

эквивалентная схема кварцевого резонатора

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.

L1 — это эквивалентная индуктивность кристалла.

R1 — динамическое сопротивление, при работе кварца может достигать от нескольких Ом и до нескольких КОм

Можно заметить, что С1, L1 и R1 образуют последовательный колебательный контур, который обладает своей резонансной частотой.

Резонансная частота такого контура вычисляется по формуле

формула последовательного резонанса кварцевого резонатора

Но все бы хорошо, но как видите, есть еще в эквивалентной схеме кварцевого резонатора один увесистый конденсатор С, который портит всю малину.

Вся эта схема превращается в сложный параллельный колебательный контур. Резонансная частота такого контура уже будет определяться формулой

формула параллельного резонанса кварцевого резонатора

Поэтому, запомните: каждый кварцевый резонатор может возбуждаться на двух резонансных частотах. На частоте последовательного резонанса и на частоте параллельного резонанса. Если мы видим на кварце вот такую надпись

частота кварцевого резонатора

это говорит нам о том, что частота последовательного резонанса для этого кварцевого генератора составляет 8 МГц. Кварцевые резонаторы в электронике работают именно на частоте последовательного резонанса. На своей практике не припомню, чтобы кто-то возбуждал кварц для работы на частоте параллельного резонанса.

Часовой кварцевый резонатор

Чаще всего часовой кварц выглядит вот так.

Принцип работы этой микросхемы такой: после того, как она сосчитает 32 768 импульсов, на одной из ножек она выдает импульс. Этот импульс на ножке с кварцевым резонатором на 32 768 Герц появляется ровно один раз в секунду. А как вы помните, колебание один раз в секунду — это и есть 1 Герц. То есть на этой ножке импульс будет выдаваться с частотой в 1 Герц. А раз это так, то почему бы не использовать это в часах? Отсюда и пошло название — часовой кварц.

В настоящее время в наручных часах и других мобильных гаджетах этот счетчик и кварцевый резонатор встроены в одну микросхему и обеспечивают не только счет секунд, но и целый ряд других функций, типа будильника, календаря и тд. Такие микросхемы называется RTC (Real Time Clock) или в переводе с буржуйского Часы Реального Времени.

Кварцевый генератор

Что такое генератор? Генератор — это по сути устройство, которое преобразует один вид энергии в другой. 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. В основном кварцевые генераторы бывают двух видов:

те, которые могут выдавать синусоидальный сигнал

и те, которые выдают прямоугольный сигнал, который чаще всего используется в цифровой электронике.

Схема Пирса

Для того, чтобы возбудить кварц на частоте резонанса, нам надо собрать схему. Самая простая схема для возбуждения кварца — это классический генератор Пирса, который состоит всего лишь из одного полевого транзистора и небольшой обвязки из четырех радиоэлементов:

схема пирса для кварцевого резонатора

Пару слов о том как работает схема. В схеме есть положительная обратная связь и в ней начинают возникать автоколебания. Но что такое положительная обратная связь?

В школе всем вам ставили прививки на реакцию Манту, чтобы определить, если у вас тубик или нет. Через некоторое время приходили медсестры и линейкой замеряли вашу реакцию кожи на эту прививку

Когда ставили эту прививку, нельзя было чесать место укола. Но мне, тогда еще салаге, было по барабану. Как только я начинал тихонько чесать место укола, мне хотелось чесать еще больше)) И вот скорость руки, которая чесала прививку, у меня замерла на каком-то пике, потому что совершать колебания рукой у меня максимум получалось с частотой Герц в 15. Прививка набухала на пол руки)) И даже один раз меня водили сдавать кровь в подозрении на туберкулез, но как оказалось, не нашли. Оно и неудивительно ;-).

Так что это я вам тут рассказываю хохмы из жизни? Дело в том, что эта чесотка прививки самая что ни на есть положительная обратная связь. То есть пока я ее не трогал, чесать не хотелось. Но как только тихонько почесал, стало чесаться больше и я стал чесать больше, и чесаться стало еще больше и тд. Если бы на мою руку не было физический ограничений, то наверняка, место прививки уже бы стерлось до мяса. Но я мог махать рукой только с какой-то максимальной частотой. Так вот, такой же принцип и у кварцевого генератора ;-). Чуть подал импульс, и он начинает разгоняться и уже останавливается только на частоте параллельного резонанса ;-). Скажем так, «физическое ограничение».

Первым делом нам надо подобрать катушку индуктивности. Я взял тороидальный сердечник и намотал из провода МГТФ несколько витков

тороидальная катушка индуктивности

Весь процесс контролировал с помощью LC-метра, добиваясь номинала, как на схеме — 2,5 мГн. Если не доставало, прибавлял витки, если перебарщивал номинал, то убавлял. В результате добился вот такой индуктивности.

измерение индуктивности

Транзистора у меня в загашнике не нашлось, и в местном радиомагазине его тоже не было. Поэтому, пришлось заказывать на Али. Кому интересно, брал здесь.

транзистор 2n5485 Распиновка слева-направо: Сток — Исток — Затвор

Ну а дальше дело за малым. Собираем схемку:

Небольшое лирическое отступление.

Как вы видите, я пытался максимально сократить связи между радиоэлементами. Дело все в том, что все радиоэлементы имеют свои паразитные параметры. Чем длиннее их выводы, а также провода, соединяющие эти радиоэлементы в схеме, тем хуже будет работать схема, а то и вовсе «не зафурычит». Да и вообще, схемы с кварцевым резонатором на печатных платах трассируют не просто так от балды. Здесь есть свои тонкие нюансы. Мельчайшие паразитные параметры могут испоганить весь сигнал на выходе такого генератора.

Итак, кварцевый генератор мы собрали, напряжение подали, осталось только снять сигнал с выхода нашего самопального генератора. За дело берется цифровой осциллограф OWON SDS6062

Первым делом я взял кварц на самую большую частоту, которая у меня есть: 32 768 Мегагерц. Не путайте его с часовым кварцем (о нем пойдет речь ниже).

Не, ну а что вы хотели? Хотели увидеть идеальную синусоиду? Не тут-то было. Сказались паразитные параметры плохо собранной схемы и монтажа.

Внизу в левом углу осциллограф нам показывает частоту:

Как вы видите 32,77 Мегагерц. Главное, что наш кварц живой и схемка работает!

Давайте возьмем кварц с частотой 27 МГц.

Частоту тоже более-менее показал верно.

Ну и аналогично проверяем все остальные кварцы, которые у меня есть.

Вот осциллограмма кварца на 16 МГц.

Осциллограф показал частоту ровно 16 МГц.

Ну и возьмем еще советский на 1 Мегагерц. Вот так он выглядит.

Сверху написано 1000 КГц = 1МГц.

При большом желании можно даже замерять частоту китайским генератором-частотомером.

измерение частоты частотомером

400 Герц погрешность для старенького советского кварца не очень и много, хотя дело может быть даже не кварце, а в самом частотомере.

Схема Пирса для прямоугольного сигнала

Итак, вернемся к схеме Пирса. Предыдущая схема Пирса генерирует синусоидальный сигнал

Но также есть видоизмененная схема Пирса для прямоугольного сигнала

схема Пирса для меандра

Номиналы некоторых радиоэлементов можно менять в достаточно широком диапазоне. Например, конденсаторы С1 и С2 могут быть в диапазоне от 10 и до 100 пФ. Тут правило такое: чем меньше частота кварца, тем меньше должна быть емкость конденсатора. Для часовых кварцев конденсаторы можно поставить номиналом в 15-18 пФ. Если кварц с частотой от 1 до 10 Мегагерц, то можно поставить 22-56 пФ. Если не хотите заморачиваться, то просто поставьте конденсаторы емкостью в 22 пФ. Точно не прогадаете.

Также небольшая фишка на заметку: меняя значение конденсатора С1 можно настраивать частоту резонанса в очень тонких пределах.

Резистор R1 можно менять от 1 и до 20 МОм, а R2 от нуля и до 100 кОм. Тут тоже есть правило: чем меньше частота кварца, тем больше значение этих резисторов и наоборот.

Максимальная частота кварца, которую можно вставить в схему, зависит от быстродействия инвертора КМОП. Я взял микросхему 74HC04. Она не слишком быстродействующая. Состоит из шести инверторов, но использовать мы будем только один инвертор.

Подключив к этой схеме часовой кварц, осциллограф выдал вот такую осциллограмму:

Ну как всегда всю картинку испортили паразитные параметры монтажа. Но, обратите внимание на частоту. Осциллограф почти верно ее показал с небольшой погрешностью. Ну оно и понятно, так как главная функция осциллографа отображать сигнал, а не считать частоту)

Кстати, вам эта часть схемы ничего не напоминает?

Не эта ли часть схемы используется для тактирования микроконтроллеров?

Она самая! Просто недостающие элементы схемы уже есть в самом МК 😉

Схема Колпитца

Это также довольно распространенная и знаменитая схема.

За основу взять схема усилителя с общим коллектором (эмиттерный повторитель). Здесь все как обычно. Резисторы R1 и R2 устанавливают рабочую точку для транзистора. Резистор R_E устанавливает уровень выходного напряжения. Транзистор NPN 2N4265 может работать на частотах до 100 МГц, поэтому его и взяли. Эта схема будет работать с кварцами в диапазоне от 1 и до 5 МГц.

Готовые модули кварцевых генераторов

виды кварцевых генераторов

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

распиновка кварцевого генератора

Давайте проверим один из них. На нем написано 1 МГц

кварцевый генератор на 1 МГц

Подавая постоянное напряжение от 3,3 и до 5 Вольт плюсом на 8, а минусом на 4, с выхода 5 я получил чистый ровный красивый меандр с частотой, написанной на кварцевом генераторе, то бишь 1 Мегагерц, с очень небольшими выбросами.

сигнал с кварцевого генератора

Ну прям можно залюбоваться).

Да и китайский генератор-частотомер показал точную частоту.

Отсюда делаем вывод: лучше купить готовый кварцевый генератор, чем самому убивать кучу времени и нервов на наладку схемы Пирса или Колпитца. Схема Пирса будет пригодна для проверки резонаторов и для ваших различных самоделок, хотя на Алиэкспрессе встречал готовый проверяльщик кварцевых резонаторов, способный замерять частоту кварцев от 1 и до 50 МГц. Посмотреть можете по этой ссылке.

Плюсы кварцевых генераторов

Смотрите подробное видео про кварцевый резонатор:

Источник