Тестер кварцевых резонаторов на микроконтроллере

Что это такое, и зачем он нужен

Прибор является источником, обеспечивающим гармонические колебания высокой точности. Имеет, при сравнении с аналогами, большую эффективность работы, стабильные параметры.

Первые образцы современных устройств появились на радиостанциях в 1920-1930 гг. как элементы, имеющие стабильную работу, способные задавать несущую частоту. Они:

• пришли на смену кристальным резонаторам, работавшим на сегнетовой соли, появившимся в 1917 в результате изобретения Александра М. Николсона и отличавшимся нестабильностью;
• заменили использовавшуюся ранее схему с катушкой и конденсатором, которая не отличалась большой добротностью (до 300) и зависела от температурных изменений.

Чуть позже кварцевые резонаторы стали составной частью таймеров, часов. Электронные компоненты с собственной резонансной частотой 32768 Гц, которая в двоичном 15-разрядном счетчике задает временной промежуток равный 1 секунде.

Приборы используются сегодня в:

• кварцевых часах, обеспечивая им точность работы независимо от температуры окружающей среды;
• измерительных приборах, гарантируя им высокую точность показателей;
• морских эхолотах, которые применяются при исследованиях и создании карт дна, фиксации рифов, отмелей, поиска объектов, находящихся в воде;
• схемах, соответствующих опорным генераторам, синтезирующим частоты;
• схемах, применяемых при волновом указании SSB или сигнала телеграфа;
• радиостанциях с DSB-сигналом с промежуточной частотой;
• полосовых фильтрах приемников супергетеродинного типа, которые более стабильны и добротны, чем LC-фильтры.

Устройства изготавливаются с разными корпусами. Делятся на выводные, применяемые в объемном монтаже, и SMD, используемые в поверхностном монтаже.

Читайте также:  Как найти разряженные батарейки, или обзор тестера BT168

Их работа зависит от надежности схемы включения, влияющей на:

• отклонение частоты от необходимого значения, стабильность параметра;
• темп старения прибора;
• нагрузочную емкость.

Свойства кварцевого резонатора

Превосходит ранее существовавшие аналоги, что делает прибор незаменимым во многих электронных схемах и объясняет сферу использования устройства. Это подтверждается тем, что за первое десятилетие с момента изобретения в США (не считая другие страны) выпущено больше 100 тыс. штук приборов.

Среди положительных свойств кварцевых резонаторов, объясняющих популярность, востребованность устройств:

• хорошая добротность, значения которой – 104-106 – превышают параметры ранее использовавшихся аналогов (имеют добротность 300);
• небольшие габариты, которые могут измеряться долями миллиметра;
• устойчивость к температуре, ее колебаниям;
• долгий срок службы;
• простота изготовления;
• возможность построения каскадных фильтров высокого качества без использования ручной настройки.

Кварцевые резонаторы имеют и недостатки:

• внешние элементы позволяют подстраивать частоту в узком диапазоне;
• обладают хрупкой конструкцией;
• не переносят чрезмерного нагрева.

Микропроцессорный генератор

Большинство микропроцессоров, микроконтроллеров и PIC имеют два вывода генератора, обозначенных OSC1 и OSC2, для подключения к внешней кварцевой кристаллической цепи, стандартной сети RC- генератора или даже керамическому резонатору. В микропроцессорных системах такого типа кварцевый генераторгенерирует последовательность непрерывных прямоугольных импульсов, основная частота которых контролируется самим кристаллом. Эта основная частота регулирует поток инструкций, управляющих процессором устройства. Например, мастер часов и системное время.

Разновидности

Генератор на транзисторе

Кварцевые радиокомпоненты бывают различных видов, в зависимости от предъявляемых к ним требований. КР разделяют по следующим признакам.

Тип корпуса

1. Объёмные радиокомпоненты.
2. Плоские поверхностные модели.

Материал корпуса

• Металл;
• Стекло;
• Полимер.

Форма прибора

• Диск;
• Цилиндр;
• Прямоугольный параллелограмм.

Количество резонансных систем

1. Одиночная.
2. Двойная.

Защита корпуса

• Герметичная;
• Проницаемая;
• Вакуумная.

Назначение

1. Фильтрация.
2. Генерация.

Обозначение кварцевого резонатора на электрической схеме

Прибор обозначается аналогично конденсатору. Отличие: между вертикальными отрезками помещен прямоугольник — символ пластинки, изготовленной из кварцевого кристалла. Боковые стороны прямоугольника и обкладки конденсатора разделяет зазор. Рядом на схеме может присутствовать буквенное обозначение прибора — QX.

Применение

С развитием радиоэлектроники КР нашли своё применение в таких приборах, как:

• кварцевые часы работают на основе эффекта кварцевого резонанса, что позволяет им функционировать с максимальной точностью;
• различные измерительные устройства, оснащённые кварцевыми резонаторами, являются высокоточными приборами;
• морские эхолоты, благодаря кварцевым резонаторам, определяют местонахождение различных объектов на большой глубине под водой (рельеф дна, отмели и разные крупные и мелкие предметы);
• опорные генераторы;
• радиостанции;
• полосовые фильтры радиоприёмников.

Преимущества

Кварцевые резонаторы обладают непревзойдённой точностью метрологических параметров. Высокая эффективность работы вызвала повсеместную замену аналоговых приборов на кварцевые устройства.

Дополнительная информация. Появление нового материала такого, как графен, может в будущем совершенно изменить конструкцию резонатора.

Недостатки

К недостаткам прибора можно отнести тонкость кварцевой пластины, что создаёт риск её повреждения.

Принцип работы кварцевого резонатора

Работает прибор на основе пьезоэффекта, проявляющегося на пластинке из кварца, причем низкотемпературного. Элемент вырезают из цельного кристалла кварца, соблюдая задаваемый угол. Последний определяет электрохимические параметры резонатора.

Пластинки с обеих сторон покрывают слоем серебра (подходит платина, никель, золото). Затем их прочно фиксируют в корпусе, который герметизируется. Устройство представляет колебательную систему, которая обладает собственной резонансной частотой.

Когда электроды подвергаются переменному напряжению, пластинка из кварца, обладающая пьезоэлектрическим свойством, изгибается, сжимается, сдвигается (зависит от типа обработки кристалла). Одновременно в ней появляется противо-ЭДС, как это происходит в катушке индуктивности, находящейся в колебательном контуре.

Когда подается напряжение с частотой, совпадающей с собственными колебаниями пластинки, то в устройстве наблюдается резонанс. Одновременно:

• у элемента из кварца увеличивается амплитуда колебаний;
• сильно уменьшается сопротивления резонатора.

Энергия, которая необходима для поддержания колебаний, в случае равенства частот низкая.

КМОП кристаллический генератор

Читайте также:  Принцип действия ТЗНП, защита нулевой последовательности

Кристалл колеблется на своей последовательной резонансной частоте. КМОП-инвертор изначально смещен в середину своей рабочей области резистором обратной связи R1. Это гарантирует, что точка Q инвертора находится в области высокого усиления. Здесь используется резистор со значением 1 МОм, но его значение не является критическим, если оно больше 1 МОм. Дополнительный инвертор используется для буферизации выходного сигнала генератора на подключенную нагрузку.

Инвертор обеспечивает 180 o фазового сдвига, а сеть кристаллических конденсаторов — дополнительные 180 o, необходимые для колебаний. Преимущество кварцевого генератора КМОП является то , что он всегда будет автоматически корректировать себя, чтобы поддерживать это 360 о фазовом сдвиге для колебаний.

В отличие от предыдущих кварцевых генераторов на транзисторной основе, которые генерировали синусоидальную форму выходного сигнала, поскольку генератор КМОП-инвертор использует цифровые логические элементы, выходной сигнал представляет собой прямоугольную волну, колеблющуюся между HIGH и LOW. Естественно, максимальная рабочая частота зависит от характеристик переключения используемого логического элемента.

Как проверить кварцевый резонатор

Проблемы с небольшими приборами возникают, если они получают сильный удар. Такое происходит при падении устройств, содержащих в конструкции резонаторы. Последние выходят со строя и требуют замены по тем же параметрам.

Проверка резонатора на работоспособность требует наличия тестера. Его собирают по схеме на основе транзистора КТ3102, 5 конденсаторов и 2 резисторов (устройство подобно кварцевому генератору, собранному на транзисторе).

Прибор необходимо в подключаемых соединениях, подключениях подключить к базе транзистора и отрицательному полюсу, защищая установкой защитного конденсатора. Питание схемы включения постоянное – 9В. Плюс подключают на вход транзистора, к его выходу – через конденсатор – частотомер, который фиксирует частотные параметры резонатора.

Схемой пользуются при настройке контура колебаний. Когда резонатор исправный, он при подключении выдает колебания, которые приводят к появлению переменного напряжения на эмиттере транзистора. Причем частота напряжения совпадает с аналогичной характеристикой резонатора.

Прибор неисправен, если частотомер не фиксирует возникновение частоты или определяет наличие частоты, но она – либо намного отличается от номинала, либо при нагреве корпуса паяльником сильно изменяется.

Кварцевый резонатор как проверить? Проверка кварцевых резонаторов

Колебаниям уделяется одна из важнейших ролей в современном мире. Так, даже существует так именуемая теория струн, которая утверждает, что всё вокруг нас — это просто волны. Но есть и другие варианты использования данных познаний, и одна из их — это кварцевый резонатор. Так бывает, что неважно какая техника временами выходит из строя, и они здесь не исключение. Как убедиться, что после негативного инцидента она всё ещё работает как следует?

Схема измерителя кварцев

За основу устройства взяты два генератора CD74HC4060 (74HC4060 не было в магазине, но судя по даташиту они ещё «круче»), один работает на низкой частоте, второй на высокой. Самыми низкочастотными какие у меня были, оказались часовые кварцы, а самым высокочастотным оказался негармониковый кварц на 30 МГц. Генераторы из-за их склонности к самовозбуждению было решено переключать просто коммутируя напряжение питания, о чём индицируют соответствующие светодиоды. После генераторов установил повторитель на логике. Возможно вместо резисторов R6 и R7 лучше установить конденсаторы (сам я не проверял).

Как оказалось, в устройстве запускаются не только кварцы, но и всякие фильтры о двух и более ногах, которые с успехом и были подключены в соответствующие разъёмы. Один «двуногий» похожий на керамический конденсатор запустился на 4 МГЦ, который после был с успехом применён вместо кварцевого резонатора.

На снимках видно, что применены два вида разъёмов для проверки радиодеталей. Первый сделан из частей панелек — для выводных деталей, а второй представляет фрагмент платы приклеенный и припаянный к дорожкам через соответствующие отверстия — для SMD кварцевых резонаторов. Для вывода информации применён упрощённый частотомер на микроконтроллере PIC16F628 или PIC16F628A, который автоматически переключает предел измерения, то есть на индикаторе частота будет или в кГц

или в
МГц
.

О кварцевом резонаторе замолвим слово

Кварцевым резонатором именуют аналог колебательного контура, базирующегося на индуктивности и ёмкости. Но меж ними есть разница в пользу первого. Как понятно, для свойства колебательного контура употребляют понятие добротности. В резонаторе на базе кварцев она добивается очень больших значений — в границах 10 5 -10 7 . К тому же он более эффективен для всей схемы при изменении температуры, что сказывается на большем сроке службы таких деталей, как конденсаторы. Обозначение кварцевых резонаторов на схеме осуществляется в виде вертикально размещенного прямоугольника, который с обеих сторон «зажат» пластинами. Снаружи на чертежах они напоминают гибрид конденсатора и резистора.

Читайте также:  Ремонт болгарки: как разобрать УШМ своими руками? Ее устройство. Как проверить статор мультиметром? Как перемотать его в домашних условиях?

Как работает кварцевый резонатор?

Из кристалла кварца вырезается пластинка, кольцо либо брусок. На него наносится как минимум два электрода, которые являются проводящими полосами. Пластинка закрепляется и имеет свою свою резонансную частоту механических колебаний. Когда на электроды подаётся напряжения, то из-за пьезоэлектрического эффекта происходит сжатие, сдвиг либо изгибание (зависимо от того, как вырезался кварц). Колеблющийся кристалл в таких случаях делает работу подобно катушке индуктивности. Если частота напряжения, что подаётся, равна либо очень близка к своим значениям, то требуется наименьшее количество энергии при значимых различиях для поддержания функционирования. Сейчас можно перебегать к свету главной препядствия, из-за чего, фактически, и пишется эта статья про кварцевый резонатор. Как проверить

его работоспособность? Было отобрано 3 метода, о которых и будет поведано.

Проверка сразу двух кварцевых резонаторов

Данная схема позволит определить, работоспособны ли два кварцевых резистора, которые функционируют в рамках от одного до десяти МГц. Также благодаря ей можно узнать сигналы толчков, которые идут между частотами. Поэтому вы сможете не только определить работоспособность, но и подобрать кварцевые резисторы, которые наиболее подходят друг другу по своим показателям. Схема реализована с двумя задающими генераторами. Первый из них работает с кварцевым резонатором ZQ1 и реализован на транзисторе КТ315Б. Чтобы проверить работоспособность, напряжение на выходе должно быть больше 1,2 В, и следует нажать на кнопку SB1. Указанный показатель соответствует сигналу высокого уровня и логической единице. Зависимо от кварцевого резонатора может быть увеличено необходимое значение для проверки (можно напряжение каждую проверку повышать на 0,1А-0,2В к рекомендованному в официальной инструкции по использованию механизма). При этом выход DD1.2 будет иметь 1, а DD1.3 — 0. Также, сообщая о работе кварцевого генератора, будет гореть светодиод HL1. Второй механизм работает аналогично, и о нём будет сообщать HL2. Если их запустить одновременно, то ещё будет гореть светодиод HL4.

Когда сравниваются частоты двух генераторов, то их выходные сигналы с DD1.2 и DD1.5 направляются на DD2.1 DD2.2. На выходах вторых инверторов схема получает сигнал с широтно-импульсной модуляцией, чтобы затем сравнить показатели. Увидеть визуально это можно с помощью мигания светодиода HL4. Для улучшения точности добавляют частотомер или осциллограф. Если реальные показатели отличаются на килогерцы, то для определения более высокочастотного кварца нажмите на кнопку SB2. Тогда первый резонатор уменьшит свои значения, и тон биений световых сигналов будет меньше. Тогда можно уверенно сказать, что ZQ1 более высокочастотный, нежели ZQ2.

При проверке всегда:

1. Прочитайте инструкцию, которую имеет кварцевый резонатор;
2. Придерживайтесь техники безопасности.

Кристаллический импеданс против частоты

Наклон импеданса кристаллов выше показывает, что по мере увеличения частоты на его клеммах, на определенной частоте взаимодействие между последовательным конденсатором Cs и индуктором Ls создается последовательный резонансный контур, снижающий импеданс кристаллов до минимума и равный Rs. Эта частотная точка называется резонансной частотой кристаллов серии, а ниже ƒs кристалл является емкостным.

При увеличении частоты выше этой последовательной резонансной точки кристалл ведет себя как индуктор, пока частота не достигнет своей параллельной резонансной частоты ƒp. В этой частотной точке взаимодействие между последовательным индуктором Ls и параллельным конденсатором Cp создает параллельно настроенную цепь LC-емкости, и, таким образом, полное сопротивление поперек кристалла достигает своего максимального значения.

Тогда мы можем видеть, что кристалл кварца представляет собой комбинацию последовательных и параллельно настроенных резонансных контуров, колеблющихся на двух разных частотах с очень малой разницей между ними в зависимости от огранки кристалла. Кроме того, поскольку кристалл может работать как на последовательных, так и на параллельных резонансных частотах, схему кварцевого генератора необходимо настроить на одну или другую частоту, поскольку вы не можете использовать обе вместе.

Таким образом, в зависимости от характеристик схемы кристалл кварца может действовать как конденсатор, индуктор, последовательный резонансный контур или как параллельный резонансный контур, и чтобы продемонстрировать это более четко, мы также можем построить зависимость реактивного сопротивления кристаллов от частоты, как показано ниже.

Способ № 2

Для роста точности можно к выходу генератора подключить частотомер либо осциллограф. Тогда можно будет высчитать разыскиваемый показатель, используя фигуры Лиссажу. Но имейте в виду, что в таких случаях кварц возбуждается, при этом как на гармониках, так и на основной частоте, что, в свою очередь, может дать существенное отклонение. Поглядите на приведённые схемы (эту и предшествующую). Видите ли, есть различные методы находить частоту, и здесь придётся экспериментировать. Главное — соблюдайте технику безопасности.

052-Как запустить неработающий часовой кварц (32768 Гц).

Казалось-бы, банальное дело, запустить часовой кварц. Какие могут быть проблемы? Есть микроконтроллер и две его ножки, которые специально предназначены для подключения кварца. Есть часовой кварц. Припаять кварц – дело двух секунд. Еще минута нужна для того, чтобы добавить пару строк инициализации таймера в программу. Вот вроде и все. НО, после того как я три дня запускал этот долбанный часовой кварц, я понял, что вопрос не так прост, как я думал. А предыстория была такой. Друг попросил меня сделать ему простые часики, без наворотов, на 7-сегментных индикаторах. Плевое дело. Микроконтроллер был взят ATmega48 (умеет работать с часовым кварцем), быстренько написана программа, вытравлена печатка. После сборки часов и отладки программы (динамическая индикация, кнопки и т.д.) дошла очередь до часового кварца. До этих часиков я уже пару раз применял часовой кварц в своих проектах и ничего не предвещало беды :), но случилось непредвиденное – часовой кварц наотрез отказался запускаться. Вообще! В попытках разобраться, что-же мешает заработать моему часовому кварцу я первым делом обратился к даташиту на микроконтроллер (ATmega48). Информации по асинхронному режиму и подключению таймера там оказалось очень мало. Дальше я начал искать решение проблемы на форумах. Вот тут было разнообразие решений и советов вплоть до ритуальных танцев с бубнами, что тоже не особо мне помогло. Пришлось путем проб и ошибок (не путать с «методом тыка»!) самому разбираться, что к чему. В результате героических потугов, наступания на какие только можно грабли и убитых трех дней, родился практический опыт подключения часового кварца, с которым я здесь и поделюсь.

Итак, какие грабли нас ожидают при запуске часового кварца?

1 Схемотехника.1.1 Конденсаторы. В даташите на микроконтроллер довольно пространно упоминается то, что к часовому кварцу должны быть подключены конденсаторы, а про их емкость вообще узнать трудно. Часовой кварц, скорей всего, заработает и без конденсаторов, но лучше их поставить это улучшит стабильность частоты и поможет кварцу быстрей запускаться. Емкость конденсаторов должна быть в пределах 12-22 пФ.

Читайте также:  Меркурий 230 Схема Подключения Через Трансформаторы

1.2 Разводка дорожек под кварц. Тут даташит и апноты дают нам четкие указания. Дорожки от ножек микроконтроллера до кварца должны быть минимальной длинны, земляная» дорожка для конденсаторов должна быть отдельной, то есть через нее не должны протекать посторонние токи (особенно это касается сильноточных и высокочастотных цепей).

1.3 Корпус часового кварца. Железный корпус часового кварца обязательно припаяете к земле (к той к которой припаяны конденсаторы). Незаземленный корпус будет работать как антенна, внося искажения в работу кварца, ухудшая точность хода Ваших часов.

1.4 Грязь на плате. Часовой кварц довольно нежная штука и сопротивления в пару мегаом между ножками вполне хватит для его остановки. Как показала практика, жидкий флюс, если его плохо смыть, дает достаточное сопротивление, для того чтобы кварц не работал. После пайки тщательно вымойте плату. Очень часто во флюсах содержится кислота, что и дает проводимость между ножками. Для нейтрализации кислоты промойте плату слабым раствором соды (пищевой) и тщательно отмойте чистой водой.

2 Программирование. 2.1 Инициализация асинхронного режима таймера. Для того чтобы таймер работал от часового кварца, его (таймер) необходимо перевести в асинхронный режим. Для перевода таймера (почти у всех микроконтроллеров это таймер 2) в этот режим нужно записать 1 в бит AS2. Но не все так просто, нужно соблюсти определенный алгоритм запуска. По даташиту процедура включения асинхронного режима для таймера 2 следующая: 1. Запретить прерывания от таймера/счетчика 2 — OCIE2x, TOIE2; 2. Переключить его в асинхронный режим 1 -> AS2; 3. Записать новые значения в регистры TCNT2, OCR2x и TCCR2x; 4. Дождаться сброса флагов TCN2UB, OCR2xUB и TCR2xUB; 5. Сбросить флаги прерываний таймера/счетчика 2; 6. Разрешить прерывания (если требуется).

Обязательно соблюдайте такую последовательность. Вот листинг правильной инициализации асинхронного режима таймера2.

/* запрещаем прерывания */ cli(); /* 1. Запрещаем прерывания Timer/Counter2 обнуляя OCIE2х и TOIE2. */ TIMSK2 &= ~((1<<><><><>

/* запрещаем прерывания */ cli(); /* 1. Запрещаем прерывания Timer/Counter2 обнуляя OCIE2х и TOIE2. */ TIMSK2 &= ~((1<<<<<<<<<<

2.2 Пределитель таймера 2.Для того, чтобы прерывания по переполнению таймера2 происходили раз в секунду, значение пределителя должно быть 128. (128пределитель*256переполнение=32768частота кварца).

2.3 Работа часов в режиме сна PowerSave. Очень заманчиво в паузах между секундными прерываниями переводить микроконтроллер в режим сна, в этом случае ток микроконтроллера упадет до 6-7мкА. Для такого случая есть режим пониженного потребления PowerSave, в нем таймер2 продолжает работать от часового кварца и пробуждает микроконтроллер прерыванием. Алгоритм такого режима работы простой, после выхода из режима сна по прерыванию от таймера в процедуре обработки прерывания «тикаем» часами, выходим из прерывания и опять даем команду заснуть (SLEEP). Вот тут есть очень важный нюанс. Опять смотрим даташит на микроконтроллер в разделе режимов пониженного потребления и работы асинхронного режима. Для того чтобы таймер после пробуждения начал нормально функционировать и был способен вывести микроконтроллер из сна при следующем прерывании нужно до команды засыпания выждать определенное время. Для того, чтобы убедится в том что генератор работает нормально нужно сделать запись в любой регистр таймера, из тех, которые не нарушат работу часов (например в OCR2x) и дождаться сброса флагов готовности данного регистра (OCR2xUB). После того как флаг сбросился можно смело переводить микроконтроллер в режим сна.

/* Точка выхода с прерывания по переполнению таймера2 */ /* Записываем любое значения в OCR2A. */ OCR2A = 0; /* Дожидаемся пока обнулится OCR2AUB. */ while(ASSR & (1<

/* Точка выхода с прерывания по переполнению таймера2 */ /* Записываем любое значения в OCR2A. */ OCR2A = 0; /* Дожидаемся пока обнулится OCR2AUB. */ while(ASSR & (1<
3 Разное.3.1 Не используйте дешевые китайские кварцы (в особенности выпаянные со старых сломанных копеечных часов). Даже если они и заработают, точность у них будет никакая.

3.2 Ну и напоследок, имейте под рукой несколько разных кварцев, возможно, Ваш кварц не запускается по причине того, что он спален. Попробуйте его заменить.

Вот, вроде, и все грабли, по которым я потоптался, пока запускал часовой кварц. Или еще что-то добавить?

(Visited 11 470 times, 3 visits today)

Кристаллическая реактивность против частоты

Наклон реактивного сопротивления от частоты выше показывает, что последовательное реактивное сопротивление на частоте ƒs обратно пропорционально Cs, потому что ниже ƒs и выше ƒp кристалл кажется емкостным. Между частотами ƒs и ƒp кристалл кажется индуктивным, так как две параллельные емкости компенсируются.

Тогда формула для резонансной частоты ряда кристаллов ƒs имеет вид:

Частота параллельного резонанса ƒp возникает, когда реактивное сопротивление последовательной ветви LC равно реактивному сопротивлению параллельного конденсатора Cp, и задается как:

Возможные причины выхода из строя

Существует достаточно много методов вывести собственный кварцевый резонатор

из строя. С некими самыми пользующимися популярностью стоит ознакомиться, чтоб в дальнейшем избежать каких-либо заморочек:

1. Падения с высоты. Самая пользующаяся популярностью причина. Помните: всегда нужно содержать рабочее место в полном порядке и смотреть за своими действиями.
2. Присутствие неизменного напряжения. В целом кварцевые резонаторы не страшатся его. Но прецеденты были. Для проверки работоспособности включите поочередно конденсатор на 1000 мФ — этот шаг вернет его в строй либо дозволит избежать негативных последствий.
3. Очень большая амплитуда сигнала. Решить данную делему можно различными методами:

• Увести частоту генерации мало в сторону, чтоб она отличалась от основного показателя механического резонанса кварца. Это более непростой вариант.
• Снизить количество Вольт, что питают сам генератор. Это более лёгкий вариант.
• Проверить, вышел ли кварцевый резонатор
  вправду из строя. Так, предпосылкой падения активности может быть флюс либо посторонние частички (нужно в таком случае его отменно очистить). Также может быть, что очень интенсивно эксплуатировалась изоляция, и она растеряла свои характеристики. Для контрольной проверки по этому пт можно на КТ315 спаять «трехточку» и проверить осцом (сразу можно сопоставить активность).

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 , ” и тд.

Кварцевый генератор представляет из себя генератор частоты и имеет в своем составе . В основном кварцевые генераторы бывают двух видов:

те, которые могут выдавать синусоидальный сигнал

и те, которые выдают прямоугольный сигнал

Чаще всего в электронике используется прямоугольный сигнал

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”.

Читайте также:  СП 31-110-2003: «Проектирование и монтаж электроустановок жилых и общественных зданий»

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:

Его правильное название: .

Распиновка слева-направо: Сток – Исток – Затвор

Небольшое лирическое отступление.

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

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).

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 Мегагерц:

Показания у меня прыгали. Заскринил, что успел:

Частоту тоже более-менее показал верно.

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

Вот осциллограмма кварца на 16 Мегагерц:

Осциллограф показал частоту ровнехонько 16 Мегагерц.

Здесь поставил кварц на 6 Мегагерц:

Ровно 6 Мегагерц

На 4 Мегагерца:

Все ОК.

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

Сверху написано 1000 Килогерц = 1МегаГерц;-)

Смотрим осциллограмму:

Рабочий!

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

400 Герц погрешность для старенького советского кварца не очень и много. Но лучше, конечно, воспользоваться нормальным профессиональным частотомером;-)

Часовой кварц

С часовым кварцем кварцевый генератор по схеме Пирса отказался работать.

“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: п осле 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 – .

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

(
R
eal
T
ime
C
lock) или в переводе с буржуйского Часы Реального Времени.

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

А вот и она:

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:

Читайте также:  Прокладка кабеля в земле под дорогой бестраншейным способом

Кстати, вам эта часть схемы ничего не напоминает?

Не эта ли часть схемы используется для тактирования микроконтроллеров AVR ?

Она самая! Просто недостающие элементы схемы уже есть в самом МК;-)

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.

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

или так

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

Давайте проверим один из них. На нем написано 1 МГц

Вот его вид сзади:

Вот его распиновка:

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 загляденье!

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. Схема Пирса будет пригодна для проверки резонаторов и для ваших различных самоделок.

Нет в наличии

Сообщить

о поступлении на склад

В избранное

Набор компонентов для сборки частотомера с функцией тестера кварцевых резонаторов.

Простой и недорогой, разработанный на базе PIC микроконтроллера с возможностью учитывать при измерениях частотный сдвиг супергетеродинных приемников с пятизначным светодиодным индикатором, удобный и интуитивно понятный.

Функции

• Разрешение дисплея автоматически переключается, чтобы обеспечить максимальную точность считывания значения при 5-тизначном индикаторе. Так же автоматически изменяется длительность измерения (gate time) в течение которого происходит подсчет импульсов на входе
• Если частотомер используется для измерений в коротковолновых приемниках или передатчиках вам может потребоваться добавить или вычесть значение частотного сдвига из измеряемой частоты. Частота смещения во многих случаях равна промежуточной частоте, поскольку частотомер обычно подключается к генератору переменной частоты приемника.
• Для измерения частоты генерации кварца просто подключите его к разъему с названием «Испытываемый кварц»

Дополнительная информация

Основные возможности:

Диапазон измерения частоты: 1 Гц — 50 МГц

Измерение кварцев общего применения в частотой генерации в диапазоне: 1МГц — 50 МГц

Автоматическое переключение диапазонов

Программируемые настройки прибавляемой и вычитаемой величины частотного сдвига при настройках и измерениях в УКВ приемниках и передатчиках.

Максимальное входное напряжение 5 Вольт

Режим энергосбережения при питании от автономного источника тока

Возможно использование 5В от USB интерфейса

Минимальное количество компонентов, простая сборка и настройка