Кварцевые резонаторы и генераторы GEYER ELECTRONIC
Немецкая компания Geyer Electronic (http://www.geyer-electronic.com/) была основана в 1964 году. Она производит кварцевые и керамические резонаторы, кварцевые генераторы с популярными рабочими частотами в широко распространенных выводных корпусах и корпусах для поверхностного монтажа. Изделия предназначены для аппаратуры связи, автомобильной электроники, мультимедиа, промышленной и бытовой электронной аппаратуры. Основной офис компании находится в Германии (Мюнхен), производство размещено в Юго-Восточной Азии — Японии, Корее и Китае. Фирма выпускает более 8 млн. штук изделий в месяц, которые пользуются устойчивым спросом во всем мире.
КВАРЦЕВЫЕ РЕЗОНАТОРЫ GEYER ELECTRONIC
Для правильного выбора кварцевого резонатора необходимо знать основные важные параметры его эквивалентной схемы, которая вместе с основными формулами показана на рисунке 1.
Рис. 1. Эквивалентная схема кварцевого резонатора и основные важные для практики формулы, иллюстрирующие взаимосвязь основных параметров
Как видно из схемы на рисунке 1, из-за наличия емкости С1 резонатор имеет частоту последовательного резонанса fS, а благодаря С0 емкости — частоту параллельного резонанса fP. Величины L1 и C1 зависят от механических свойств кварцевой пластины, а сопротивление R1 характеризует затухание механических колебаний. Значение емкости С0 определяется электродами резонатора и емкостью подводящих проводов. Из формул видно, что частота последовательного резонанса зависит только от строго определенных параметров резонатора L1 и С1, а частота параллельного резонанса изменяется от значительно менее определенной величины межэлектродной емкости С0. Важнейшим параметром кварцевого резонатора является добротность Q (ее называют именно «Q» от первой буквы «Quality factor» или фактор (параметр) качества). С точки зрения электрических параметров кварцевый резонатор ведет себя как колебательный контур с высокой добротностью. Стабильность частоты LC-генераторов в большинстве практических случаев недостаточна. С помощью кварцевых резонаторов практически достижимые значения нестабильности частоты Df/f находятся в пределах от 10…6 до 10…10.
Часто возникает необходимость подстраивать частоту кварцевого резонатора в небольших пределах для достижения требуемого значения частоты. Для этого последовательно с кварцевым резонатором включают регулировочную емкость CL, емкость которого велика по сравнению с С1 (см. рисунок 2).
Рис. 2. Иллюстрация влияния емкости CL на резонансные частоты
При последовательном включении емкости CL изменяется только частота последовательного резонанса. При параллельном подключении конденсатора CL меняет свое значение только частота параллельного резонанса (см. верхнюю часть рисунка 1). Кварцевый резонатор всегда является частью схемы генератора. Сам по себе без усилителя в автогенераторном включении кварц мало интересен. Это означает, что на генерируемую частоту влияют не только параметры резонатора, но и входная цепь усилителя. Зная эквивалентную емкость усилителя, которая, по сути дела, и есть емкость CL, можно точно рассчитать частоту на выходе кварцевого генератора. Именно поэтому при выборе кварцевого резонатора необходимо обращать внимание на величину емкости нагрузки CL, указываемую производителем в технической документации. Примеры графиков, показывающих величину влияния нагрузочной емкости CL на диапазон изменения резонансной частоты, приведены в нижней части рисунка 2. Хорошо видно, что чем больше величина CL, тем меньше диапазон изменения частоты вблизи этого значения емкости. Конечно, для более точного расчета необходимо учитывать и значение емкости C0.
Для формирования частот более 35…40 МГц часто используют колебания третьей, пятой, седьмой и более высоких гармоник кварцевых резонаторов. Эта информация обычно отмечается в документации производителя. Для частот, генерируемых на гармониках, отличающихся от основной, соотношение емкостей C0 и C1 зависит от квадрата номера гармоники (см. формулы в нижней части рисунка 1). Обычно генерация на первой гармонике более устойчива и стабильна, чем на неосновных гармониках (чаще всего используется третья гармоника).
В таблице 1 приведены параметры популярных серий кварцевых резонаторов компании Geyer Electronic для монтажа в отверстия, а в таблице 2 — наиболее популярные серии для поверхностного монтажа.
Таблица 1. Кварцевые резонаторы фирмы Geyer Electronic для монтажа в отверстия
| Серия | Диапазон доступных частот 1 , (MГц) | Диапа- зоны рабочих темпера- тур 2 , (°С) | Нестабиль- ность частоты при 25°С, (ppm) | CL, (пФ) | R1, (Ом) | C0, (пФ) | Размеры, (мм) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| KX-26 | 32,768 кГц | -20…70 -40…85 | ±30 | 12,5 | 30 кОм | 1,3 | 2,0×6,2 |
| 77,5 | |||||||
| KX-38 | 32,768 кГц | ±20 | 3,0×8,0 | ||||
| KX-39 | 3,579545…40,0 | ±30 | 16,0 (12…20) 3 | 50…150 | 7,0 | 3,0×10,0 | |
| 30,0…70,0 | ±50 | см. Datasheet | |||||
| 40,0…100,0 | 12,0 | 40 | 3,0 | ||||
| KX-49 | 1,84320…30,0 | -20…70 -40…85 -40…105 | ±30 (±5…50) 3 | 30,0 (10…30) 3 | 60…600 | 7,0 | 11,3/4,9/ 13,6 |
| 20,0…90,0 | см. Datasheet | 30…60 | |||||
| 50,0…150,0 | 40…70 | ||||||
| 110,0…200,0 | 80…120 | ||||||
| KX-3H | 3,20…70,0 | ±30 (±10…50) 3 | 16,0 (12…20) 3 | 50…150 | 11,35/5,0/ 3,5 |
1 Диапазон доступных частот включает сетку стандартных (наиболее распространенных) значений частот. Большинство кварцев на эти частоты всегда поддерживаются на складе, а в случае отсутствия оперативно поставляются со склада Geyer Electronics. Кварцевые резонаторы на уникальные частоты, не входящие в сетку стандартных, также доступны, но имеют больший срок поставки.
2 Кварцевые резонаторы Geyer Electronics выпускаются на диапазоны температур, соответствующие коммерческому, индустриальному или автомобильному (не все серии) применениям. При заказе кварцевого резонатора это учитывается добавлением соответствующих букв после названия серии. Например, для диапазона -20…70°С к названию серии ничего не добавляется, для диапазона -40…85°С добавляется «Т», а для -40…105 добавляется «Е». Пример: KX-49, KX-49T, KX-49E соответственно.
Кварцевые резонаторы Geyer Electronics выпускаются на диапазоны температур, соответствующие коммерческому, индустриальному или автомобильному (не все серии) применениям. При заказе кварцевого резонатора это учитывается добавлением соответствующих букв после названия серии. Например, для диапазона -20…70°С к названию серии ничего не добавляется, для диапазона -40…85°С добавляется «Т», а для -40…105 добавляется «Е». Пример: KX-49, KX-49T, KX-49E соответственно.
3 В таблице указаны стандартные величины нагрузочной емкости кварцевого резонатора. В скобках указаны значения емкости, доступные по запросу.
Таблица 2. Кварцевые резонаторы фирмы Geyer Electronic для поверхностного монтажа
| Серия | Диапазон доступных частот 1 , (MГц) | Диапа- зоны рабочих темпера- тур 2 , (°С) | Неста- биль- ность частоты при 25°С, (ppm) | CL, пФ | R1, (Ом) | C0, (пФ) | Размеры, (мм) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| KX-327S | 32,768 кГц | -20…70 (-40…85) | ±30 | 12,5 | 50 | 2,0 | 8,7/3,8/ 2,5 |
| KX-327L | ±20 | 12,5 | 65 | 0,8 | 7,0/1,5/ 1,4 | ||
| KX-327NT | -40…85 | ±30 (±20) | 12,5 (7…9) 3 | 50 | 2,0 | 3,2/1,2/ 0,95 | |
| KX-327XS | -20…70 (-40…85) | 12,5 (6…12,5) 3 | 65 | 2,0 | 4,95/1,82/ 0,96 | ||
| KX-K | 3,5…70,0 | -20…70 (-40…85) | ±30 | 16 (12…30) 3 | 50…150 | 7,0 | 12,3/4,5/ 5,0 |
| KX-KS | 12,3/4,5/ 3,2 | ||||||
| KX-MC | 3,5…60,0 | -20…70 -40…85 -40…105 | ±50 | 16 (12…20) 3 | 13,0/4,7/ 4,1 | ||
| KX-CPB | 3,5…70,0 | -20…70 (-40…85) | 50…120 | 13,0/4,73/ 4,3 | |||
| KX-CPBS | 13,0/4,73/ 3,8 | ||||||
| KX-20 | 3,579545… 25,0 | -20…70 -40…85 -40…105 | 50…150 | 11,6/5,5/ 1,6 | |||
| KX-13 | 6,0…160,0 | ±30 | 30…120 | 7,0/5,0/ 1,3 | |||
| KX-12A | 8,0…150 | ±50 | 16 (10…20) 3 | 40…100 | 5,0 | 6,0/3,5/ 1,1 | |
| KX-12B | 8,0…50,0 | ±30 | 40…80 | 7,0 | 6,5/3,5/ 1,2 | ||
| KX-9A | 8,0…300,0 | ±30 (±10…±50) 3 | 30…100 | 5,0 | 5,0/3,2/ 0,85 | ||
| KX-9B | 8,0…50,0 | ±30 | 10…20 | 40…100 | 5,0/3,2/ 1,0 | ||
| KX-8 | 12,0…60,0 | ±30 (±10…±50) 3 | 16 (10…20) 3 | 50…80 | 4,0/2,5/ 0,8 | ||
| KX-7 | 12,0…60,0 | 16 (7…20) 3 | 50…100 | 3,2/2,5/ 0,7 | |||
| KX-6 | 16,0…80,0 | 10 (8…16) 3 | 50…120 | 2,5/2,0/ 0,55 | |||
| KX-5 | 20,0…80,0 | -20…70 (-40…85) | 8 (8…16) 3 | 80…100 | 2,0/1,6/ 0,55 |
1, 2, 3 — см. сноски для таблицы 1.
КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ GEYER ELECTRONIC
Geyer Electronic выпускает кварцевые генераторы для тактирования цифровых схем. Кварцевый генератор — это кварцевый резонатор и схема автогенератора в одном корпусе. В последние годы все большую популярность приобретают кварцевые генераторы в миниатюрных корпусах для поверхностного монтажа. Их основные параметры сведены в таблицу 3.
Таблица 3. Кварцевые генераторы Geyer Electronic для поверхностного монтажа
| Серия | Диапазон доступ- ных частот, 1 (MГц) | Диапа- зоны рабочих темпера- тур 2 , (°С) | Неста- биль- ность частоты, (ppm) | Напря- жение питания (В) | Емкость нагр., макс. (пФ) | Пере- клю- чение выхода в третье состо- яние | Размеры корпуса, (мм) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| KXO-97 | 1,0…50,0 | -20…70 -40…85 | ±50 (±100) 4 | 5±10% | 50 | + | 7,0/5,08/ 1,8 |
| 50,1…80,0 | 15…25 | ||||||
| 80,1…100,0 | 30 | ||||||
| KXO-V97 | 1,0…50,0 | 3,3±10% 5 | 20 | ||||
| 50,1…80,0 | 15 | ||||||
| 80,1…160,0 | |||||||
| KXO-V99 | 1,0…181,0 | 3,3 | 15 | 5,0/3,2/ 1,0 | |||
| KXO-V96 | 1,0…80 | 2,5/3,0/ 3,3 | 3,2/2,5/ 1,2 | ||||
| KXO-V95 | 1,0…70,0 | 2,5/2,8/ 3,0/3,3 | 2,5/2,0/ 082 |
1, 2 — см. сноски для таблицы 1
4 ±50 (±100) в скобках указано значение нестабильности для диапазона температур от -40 до 85°С
5 доступны с напряжениями питания 1,8/2,5/3,0 B (с допуском ±10%)
Большинство современных микроконтроллеров и цифровых процессоров уже содержат встроенную схему автогенератора. Остается только подключить внешний кварцевый резонатор. Однако для многих приложений удобнее именно кварцевый генератор. В этом случае устройство получается компактнее и надежнее, а разработчику остается только правильно выбрать подходящий генератор. Расчет, изготовление и настройка собственной схемы кварцевого генератора для частот более 30…40 МГц требует определенных профессиональных знаний, опыта и специального оборудования. Даже на частотах до 30 МГц генератор, собранный на дискретных компонентах, часто запускается не на той частоте. Применение готового кварцевого генератора всегда гарантирует стабильный результат при меньшей занимаемой площади на печатной плате. Большинство серий кварцевых генераторов Geyer Electronic имеют вход для отключения выхода (перевода в третье состояние с большим выходным сопротивлением). Кварцевые генераторы широко применяют в портативных радиостанциях, в качестве опорных генераторов в GPS- или ГЛОНАСС-навигаторах, в системах точного измерения времени.
Компания также выпускает следующие типы кварцевых генераторов:
- кварцевые генераторы, управляемые напряжением (VCXO- Voltage Controlled Crystal Oscillator). Частоту такого генератора в определенных пределах можно изменить, подавая управляющее напряжение на соответствующий вход;
- термокомпенсированные кварцевые генераторы (TCXO- Temperature Compensated Crystal Oscillator). Эти генераторы имеют высокую температурную стабильность благодаря аналоговому или цифровому методу компенсации зависимости частоты от температуры. Термокомпенсированные кварцевые генераторы применяются в устройствах, где требуется быстрый выход на рабочий режим и повышенная стабильность частоты (радиолокационные станции, опорные генераторы мобильных и переносных радиопередающих устройств и т.п.);
- термокомпенсированные кварцевые генераторы, управляемые напряжением (VCTCXO- Voltage Controlled Temperature Compensated Crystal Oscillator). Возможность корректировки частоты внешним управляющим напряжением позволяет при необходимости еще больше повысить стабильность генерируемой частоты. Генераторы, управляемые напряжением применяются в системах фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ), частотной модуляции (ЧМ), импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).
Для многих разработчиков могут представлять интерес керамические резонаторы Geyer Electronic серий KX-ZTT, KX-ZTA, KX-XTB.
С помощью рисунка 3 можно легко сравнить габаритные размеры разных серий кварцевых резонаторов, генераторов и керамических резонаторов Geyer Electronic.
КАК ЗАКАЗАТЬ КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР С ТРЕБУЕМЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ?
Выбор со склада:
На складе компании КОМПЭЛ в широком ассортименте поддерживаются кварцевые резонаторы и генераторы различных серий на различные частоты со стандартными значениями нестабильности частоты и нагрузочной емкости (Сl).
Набрав в окне поиска на сайте www.compel.ru (правый верхний угол страницы) наименование интересующей Вас серии кварцевого резонатора, Вы увидите список всех ее компонентов, которые поддерживаются на складе в данный момент.
Пример: KX-KT 13.56 MHz
Поставка на заказ:
Если компонент требуемой серии с необходимыми значениями частоты и ее отклонения, нагрузочной емкости и диапазоном рабочих температур отсутствует на складе, составьте и отправьте Вашему менеджеру запрос, руководствуясь примерами ниже:
- Пример запроса кварцевого резонатора серии KX-9A на стандартную частоту 25 МГц со стандартным отклонением ±30 ppm, стандартной емкостью нагрузки 16пф и диапазон рабочих температур -20…70°С: KX-9A 25.0 MHz;
- Пример запроса кварцевого резонатора серии KX-9A на нестандартную частоту 26,3МГц с нестандартным отклонением ±10 ppm, с нестандартной емкостью нагрузки 12 пф и диапазоном рабочих температур -40…85°С: KX-9AT 26,3MHz 12pF 10 ppm.
Подробную информацию о продукции Geyer Electronic можно найти на сайте:
http://www.geyer-electronic.com/ в разделе Frequency Control Products.
Рис. 3. Внешний вид некоторых серий кварцевых резонаторов, кварцевых генераторов и керамических резонаторов для поверхностного монтажа Geyer Electronic
По вопросам получения технической информации, заказа образцов и поставки обращайтесь в компанию КОМПЭЛ. Е-mail: passiv.vesti@compel.ru.
Новая серия кварцевых резонаторов
Компания Geyer Electronic объявила о начале выпуска новой серии кварцевых резонаторов в CMD-корпусах КХ-8. Размеры изделий составляют 4,0х2,5 мм, а высота 0,8 мм. Частотный диапазон от 12 до 60 МГц с допуском от ±10 ppm до ±50 ppm при температуре от -20 до 70С°. Допустимая емкость нагрузки от 10 до 16 пФ. Резонаторы поставляются также для расширенного температурного диапазона и специфицированы для пайки методом плавления припоя. Резонаторы найдут применение в сфере телекоммуникаций и беспроводной связи.
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.
Еще в 19 веке два брата Кюри обнаружили интересное свойство некоторых твердых кристаллов генерировать ЭДС , деформируя эти кристаллы. Деформация — это изменение формы какого-либо тела с помощью кручения, удара, растяжения и так далее. Так вот, ударяя по таким кристаллам, они обнаружили, что те могут выдавать какое-либо кратковременное напряжение.
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.
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.
В маленьких кварцах типа этих
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:
С — это собственно емкость между обкладками конденсатора. То есть если убрать кристалл кварца, то останутся две пластины и их выводы. Именно они и обладают этой емкостью.
С1 — это эквивалетная емкость самого кристалла. Ее значение несколько фемтоФарад. Фемто — это 10 -15 !
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
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
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
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.
«Что еще за часовой кварц?» — спросите вы. Часовой кварц — это кварц с частотой в 32 768 Герц. Почему на нем такая странная частота? Дело все в том, что 32 768 это и есть 2 15 . Такой кварц работает в паре с 15-разрядной микросхемой-счетчиком. Это наша микросхема К176ИЕ5.
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:
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
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.
Транзистора у меня в загашнике не нашлось, и в местном радиомагазине его тоже не было. Поэтому, пришлось заказывать на Али. Кому интересно, брал здесь.
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.
Здесь поставил кварц на 6 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.
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
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.
Вот ее распиновка:
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 RE 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
В настоящее время кварцевые генераторы выпускают в виде законченных модулей. Некоторые фирмы, производящие такие генераторы, достигают частотной стабильности до 10 -11 от номинала! Выглядят готовые модули примерно так:
Такие модули кварцевых генераторов в основном имеют 4 вывода. Вот распиновка квадратного кварцевого генератора:
Давайте проверим один из них. На нем написано 1 МГц
Вот его вид сзади.
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.
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
Плюсы кварцевых генераторов частоты — это высокая частотная стабильность. В основном это 10 -5 — 10 -6 от номинала или, как часто говорят, ppm (от англ. parts per million) — частей на миллион, то есть одна миллионная или числом 10 -6 . Отклонение частоты в ту или иную сторону в кварцевом генераторе в основном связано с изменением температуры окружающей среды, а также со старением кварца. При старении кварца, частота кварцевого генератора стает чуточку меньше с каждым годом примерно на 1,8х10 -7 от номинала. Если, скажем, я взял кварц с частотой в 10 Мегагерц ( 10 000 000 Герц) и поставил его в схему, то за год его частота уйдет примерно на 2 Герца в минус 😉 Думаю, вполне терпимо.