Кварцевый генератор принцип работы

Принцип действия кварцевых резонаторов и генераторов

Принцип работы кварцевых резонаторов основан на использовании пьезоэффекта.

Некоторые вещества и кристаллы имеют асимметричную структуру (ацентрические кристаллы). Действующие на такие кристаллы механические силы вызывают в них не только механические напряжения, но и электрическую поляризацию. В результате на поверхности кристалла образуются заряды. Этот эффект называется прямым пьезоэлектрическим эффектом, а кристаллы, соответственно, пьезоэлектрические. Самый распространенный пьезоэлектрический материал — кристаллы кварца.

Также существует обратный пьезоэлектрический эффект: при воздействии электрического поля на пьезоэлектрик возникают механические деформации в его структуре.

Кварцевый резонатор представляет собой специально вырезанный, обработанный и ориентированный кристалл кварца с внешними электродами, расположенными на противоположных сторонах. В процессе работы такой резонатор использует как прямой, так и обратный пьезоэлектрический эффект, в нем происходит постоянное преобразование электрического поля в механические деформации и наоборот. Однако с точки зрения электрической цепи эти механические колебания исключены, хотя они играют решающую роль, так как в значительной степени определяют резонансную частоту.

Внешне резонатор по конструкции напоминает конденсатор, но наличие пьезоэлектрического эффекта определяет некоторые характеристики его поведения. Характер изменения проводимости в диапазоне частот, близком к резонансному, оказывается таким же, как и в колебательном контуре, что позволяет использовать эквивалентную схему замещения. Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора содержит четыре элемента (рис. 1). Элементы L1, C1, R1 называются динамической или эквивалентной индуктивностью, емкостью и сопротивлением соответственно. Емкость C0 называется параллельной емкостью. Эта схема хорошо объясняет наличие резонансной частоты.

Рис. 1. Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Кварцевый генератор — это сложный компонент, который содержит генератор, кварцевый резонатор и схему управления. Простейшая схема включения кварцевого генератора требует только подачи питающего напряжения (рис. 2).

Рис. 2. Схема включения эталонного кварцевого генератора

У генераторов есть ряд важных параметров, которые определяют их применимость в определенных случаях.

Электрические параметры

Схема эквивалентного кварцевого резонатора — это электрическое описание кварцевого резонатора, работающего на своей резонансной частоте. Эквивалентная схема кварцевого резонатора показана на рисунке 1. C0 — шунтирующая емкость. R1, L1 и C1 — динамическое сопротивление, динамическая индуктивность и динамическая емкость соответственно. Динамические параметры являются соответствующими эквивалентами резонатора как электромеханической системы и в основном определяются характеристиками сдвига кварцевого элемента.

Шунтирующая емкость C0 — Емкость между проводниками кристалла. Измеряется в пикофарадах. Емкость шунта состоит из паразитной емкости кварца, емкости области кристаллического электрода и емкости, вносимой опорой кристалла. Шунтирующая емкость имеет величину порядка единиц пФ. Динамическое сопротивление R1 — параметр, характеризующий потери энергии в колебательном контуре. Динамическое сопротивление R1 кварцевых резонаторов варьируется в диапазоне от нескольких Ом до сотен кОм в зависимости от резонансной частоты, количества гармоник и ряда конструктивных факторов.

Серия кварцевых резонаторов.

Низкое энергопотребление в КГ

Мобильная электроника и Интернет вещей (IoT) создают большой спрос на низкочастотные кварцевые генераторы, необходимые для схем с очень низким энергопотреблением. Для этого подойдет микросхема ECS-327MVATX в SMD версии (корпуса с 2016 по 7050) с фиксированной частотой 32,768 кГц. Он потребляет всего 200 мкА и имеет выход CMOS. Он идеально подходит для использования с часами реального времени (RTC) и Интернетом вещей, обеспечивая стабильность частоты от ± 20ppm до ± 100ppm в диапазоне температур от -40 до + 85C.

Многие генераторы предназначены для отключения, чтобы минимизировать потребление энергии. Например, ECS-5032MV с выходом CMOS в керамическом корпусе 5032. Дополнительный блокирующий контакт позволяет снизить ток питания с 35 мА в активном состоянии до 10 мкА в режиме ожидания. Время запуска 5 мс.

В общем, решение выбрать правильный кварцевый генератор — это больше, чем очевидное рассмотрение частоты, источника питания, стабильности и фазового шума. Разработчик также должен убедиться, что драйвер KG совместим с нагрузкой. Вот несколько общих рекомендаций:

• Для выхода LVDS требуется только один согласующий резистор в приемнике сигнала, в то время как LVPECL требует одного резистора как в передатчике, так и в приемнике.
• LVDS, LVPECL и HCSL обеспечивают более крутые наклоны, чем CMOS, но потребляют больше энергии и лучше подходят для высокочастотных проектов.
• CMOS или LVDS — лучший выбор для минимального энергопотребления выше 150 МГц.
• LVPECL, LVDS, затем CMOS обеспечивают наименьшее дрожание на низких частотах.

Кварцевый резонатор

В современной электронике, особенно цифровой, сложно не найти электронный компонент, называемый кварцевым резонатором. По своей сути кварцевый резонатор представляет собой аналог колебательного контура, основанный на емкости и индуктивности. Правда, по очень важным параметрам кварцевый резонатор превосходит LC-схему.

Как известно, колебательный контур характеризуется добротностью. Кварцевые резонаторы имеют очень высокую добротность, что недостижимо при использовании обычного колебательного LC-контура. Если добротность обычных схем находится в пределах 100 — 300, то для кварцевых резонаторов добротность достигает 10 5 — 10 7 .

Емкость конденсатора сильно зависит от температуры окружающей среды. У конденсаторов также есть параметр, называемый ТКЕ (температурный коэффициент емкости). Он показывает, насколько емкость конденсатора изменяется с температурой.

Конечно, при использовании конденсатора в составе LC-контура частота его колебаний будет сильно зависеть от внешней температуры окружающей среды. То же касается и индуктивности, которая также имеет свою температурную характеристику — TCI.

понятно, что для использования в цифровой технике (в том числе в технологиях связи) требуется более стабильный и надежный источник гармонических колебаний.

Кварцевые резонаторы обладают очень высокой температурной стабильностью. Именно благодаря высокой добротности и температурной стабильности кварцевые резонаторы очень активно используются в радиотехнике.

Любой процессор или микроконтроллер работает с определенной тактовой частотой. Понятно, что для установки тактовой частоты нужен генератор. Как правило, в таком генераторе в качестве источника высокоточных гармонических колебаний используется кварцевый резонатор. В тех схемах, где не требуется высокая добротность, можно использовать резонаторы на керамической основе — керамические резонаторы. Добротность пьезоэлектрических резонаторов на керамической основе не превышает 10 3. Их можно встретить в пультах дистанционного управления, электронных игрушках и домашних радиоприемниках.

Принцип работы кварцевого резонатора.

Принцип работы кварцевого резонатора полностью основан на пьезоэлектрическом эффекте. Основа любого кварцевого резонатора — кварцевая пластина. Кварц — это разновидность кремнезема, называемого SiO2. Для изготовления резонаторов подходит только низкотемпературный кварц, обладающий пьезоэлектрическими свойствами. В природе такой кварц встречается в виде бесформенных кристаллов и гальки.

Кварцевый

В химическом отношении кварц очень стабилен и не растворяется ни в одной из кислот, кроме плавиковой. Кварц тоже очень твердый. По шкале твердости он занимает седьмое место из десяти.

Для изготовления кварцевой пластинки берут кристалл кварца и вырезают из него пластину под определенным углом. Электромеханические свойства кварцевой пластины зависят от угла, под которым происходит резка. Тип реза существенно влияет на температурную стабильность, количество паразитных резонансов и резонансную частоту.

Затем на две стороны кварцевой пластины наносится металлизированный слой (из серебра, никеля, золота или платины) и закрепляется в кварцевой опоре с помощью жестких проволочных контактов. Весь объект помещен в герметичный корпус.

Кварцевый резонатор — это электромеханическая колебательная система. Как известно, каждая колебательная система имеет свою резонансную частоту. Кристалл также имеет собственную номинальную резонансную частоту. Если к кварцевой пластине приложить переменное напряжение, совпадающее с резонансной частотой самой кварцевой пластины, возникает резонанс частот и резко возрастает амплитуда колебаний.

В резонансе электрическое сопротивление резонатора уменьшается. Результат — эквивалент последовательной колебательной системы. Поскольку потери энергии в кварцевом резонаторе очень малы, это фактически электрический колебательный контур с очень высокой добротностью .

Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора представлена ​​на рисунке.

Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Здесь C — постоянная (статическая) емкость, образованная металлическими пластинчатыми электродами и держателем. Последовательно соединенные индуктивность L1, конденсатор C1 и активное сопротивление Ract отражают электромеханические свойства кварцевой пластины. Как видите, если отбросить емкости держателя и кварцевого держателя C, мы получим последовательный колебательный контур.

При установке кварцевого резонатора на печатную плату не допускайте его перегрева. Эта рекомендация, вероятно, связана с тем, что конструкция кварцевого резонатора довольно тонкая. Температурный перегрев может вызвать деформацию кварцевой опоры и электродных пластин. Конечно, все это может сказаться на качестве резонатора в контуре.

также известно, что если кварц нагреть выше 573 ° C, он при высокой температуре превращается в кварц и теряет свои пьезоэлектрические свойства. Конечно, довести температуру кварца до такой температуры с помощью паяльного оборудования нереально.

Обозначение кварцевого резонатора.

На принципиальных схемах и в технической документации кварцевый резонатор обозначен как конденсатор, только между пластинами добавлен прямоугольник, символизирующий пластину кварца. Буква Z или ZQ указывается рядом с графиком.

Условное обозначение кварцевого резонатора на схемах

Как проверить кварцевый резонатор?

Многие начинающие радиолюбители задаются вопросом: «Как управлять кварцевым резонатором?”

К сожалению, надежно проверить кварцевый резонатор можно только заменой. Причиной неисправности кварцевого резонатора может быть сильный удар или падение электронного устройства, в которое он был установлен. Поэтому, если вы подозреваете, что кварцевый резонатор исправен, вам необходимо заменить его на новый. К счастью, в практике ремонта неисправность кварцевого резонатора бывает редко, конечно есть исключения, но они касаются портативной электроники, которая часто выпадает.

Способ № 1

Здесь транзистор КТ368 играет роль генератора. Его частота определяется кварцевым резонатором. При подаче питания генератор запускается. Он создает импульсы, равные частоте его основного резонанса. Их последовательность проходит через конденсатор, который обозначается как C3 (100p). Фильтрует постоянную составляющую, затем сам импульс передается на аналоговый частотомер, который построен на двух диодах D9B и таких пассивных элементах: конденсаторе C4 (1n), резисторе R3 (100k) и микроамперметре. Все остальные элементы служат для устойчивости схемы и чтобы ничего не сгорело. В зависимости от установленной частоты напряжение на конденсаторе C4 может меняться. Это довольно грубый метод, и его преимущество — легкий вес. И, соответственно, чем выше напряжение, тем выше частота резонатора. Но есть некоторые ограничения: вы должны пробовать его на этой схеме только в том случае, если она находится в приблизительном диапазоне от трех до десяти МГц. Управление кварцевыми резонаторами, превышающими эти значения, обычно не является частью любительской радиоэлектроники, но будет рассмотрено далее конструкция., где диапазон 1-10 МГц.

Кварцевый генератор

Кварцевый генератор — это автогенератор электромагнитных колебаний с колебательной системой, в состав которой входит кварцевый резонатор. Предназначен для получения колебаний фиксированной частоты с высокой температурной и временной стабильностью, низким фазовым шумом.

Частота

Частота собственных колебаний кварцевого генератора может находиться в диапазоне от нескольких кГц до сотен МГц. Она определяется физическим размером резонатора, упругостью и пьезоэлектрической постоянной кварца, а также тем, как резонатор вырезан из кристалл. Поскольку кварцевый резонатор является законченным электронным компонентом, его частота может быть изменена внешними элементами и схемой переключения в очень узком диапазоне путем выбора резонансной частоты (параллельной или последовательной) или уменьшена конденсатором, подключенным параллельно. Однако существуют кустарные методы настройки резонатора. Это целесообразно в тех случаях, когда желательно иметь несколько резонаторов с очень похожими параметрами. Для уменьшения частоты на кристалл на короткое время воздействуют парами йода (это увеличивает массу серебряных пластинок); для увеличения частоты пластины резонатора заземляются.

В 1997 году Epson Toyocom выпустила серию генераторов SG8002, в которую входят подстроечный конденсаторный блок и два делителя частоты. Это позволяет получить практически все частоты в диапазоне от 1 до 125 МГц, однако это преимущество неизбежно имеет недостаток: повышенный джиттер (фазовый шум). Цитата: генератор с внутренней фазовой автоподстройкой частоты должен использоваться с особой осторожностью в схемах, содержащих внешние системы ФАПЧ.

Стабильность частоты

Колебания кварцевого генератора характеризуются высокой стабильностью частоты (10 -5 ÷ 10 -12) за счет высокой добротности кварцевого резонатора (10 4 ÷ 10 5).

Уровень фазовых шумов

Лучшие генераторы имеют спектральную плотность мощности фазового шума менее -100 дБн / Гц при отстройке 1 Гц и менее -150 дБн / Гц при отстройке 1 кГц при выходной частоте 10 МГц.

Тип выходного сигнала

Осцилляторы могут изготавливаться как в модификации с выходным синусоидальным сигналом, так и с прямоугольным сигналом, совместимым по логическому уровню с одним из стандартов (TTL, CMOS, LVCMOS, LVDS и т.д.).

Наличие и тип термостабилизации

• с температурной компенсацией (TCXO)
• термостат (OCXO, DOCXO)

Возможность перестройки частоты

• фиксированная частота
• частота, управляемая напряжением (VCXO)
• частота, управляемая цифровым кодом (NCXO)

Внешнее напряжение на кварцевой пластине вызывает ее деформацию. А это, в свою очередь, приводит к появлению зарядов на поверхности кварца (пьезоэлектрический эффект). Следовательно, механические колебания кварцевой пластины сопровождаются синхронными с ними колебаниями электрического заряда на ее поверхности и наоборот.

Для обеспечения связи резонатора с остальными элементами схемы электроды прикладывают непосредственно к кварцу или между пластинами конденсатора помещают кварцевую пластину.

Для обеспечения высокого качества и стабильности резонатор помещается в вакуум, а его температура поддерживается постоянной.

Кварцевые генераторы используются для измерения времени (кварцевые часы) в качестве эталона частоты. Кварцевые генераторы широко используются в цифровой технике в качестве тактовых генераторов.

Обратный пьезоэффект

Электрическое напряжение между соответствующими поверхностями элемента, создаваемое с помощью внешнего источника напряжения, вызывает появление механических напряжений, которые могут изменить форму и размер элемента.

Кварцевые резонаторы изготавливаются из природного и искусственного монокристаллического кварца. Пластины вырезаются из куска, края которого ориентированы определенным образом относительно кристаллографических осей монокристалла. В рабочем режиме на пластинах пластины возникает переменное напряжение и возникают механические колебания пластины. Используются компрессионно-растяжные, изгибные, крутильные и другие колебания.

При анализе схемы с кварцевым резонатором (рис. 2.69, а) ее удобно заменить схемой замещения, показанной на рис. 2.69, б.

рис. 2,69

именно эта схема кварцевого резонатора используется в программном пакете PSpice для моделирования электронных схем. В эквивалентной схеме могут быть как параллельные, так и последовательные резонансы. На практике используются оба типа резонанса.

На последовательной резонансной частоте k = 1 / (Lk · Ck) 1/2 резонатор имеет минимальное сопротивление Rk. Параллельная резонансная частота ω0 ≈ 1 / Lk · Ck · C0 / (Ck + C0) 1/2.

В диапазоне частот от ωk до ω0 резонатор ведет себя как своего рода индуктивность.

Кварцевые резонаторы отличаются высокой стабильностью и добротностью (Qк = 104 — 105). Использование кварцевых резонаторов позволяет снизить относительное изменение частоты генератора до очень малых значений (10-6 — 10-9).

Приведем, например, упрощенную схему кварцевого генератора на базе операционного усилителя с последовательным резонансом (рис. 2.70).

рис. 2,70

На частоте последовательного резонанса в цепи имеется сильная положительная обратная связь, которая поддерживает автоколебание.

Кварцевые генераторы на биполярных и полевых транзисторах, а также

цифровые микросхемы cMOS и TTL. Колебательные схемы генераторов стабильной частоты, онлайн-калькулятор для расчета элементов.

Параметр стабильности LC-генератора при условии качественной работы данного блока, при наличии качественных катушек и конденсаторов с выбранным ТКЕ может достигать довольно высоких значений. Это позволяет радиолюбителю, не обращая внимания на цифровые аксессуары, вести комфортный прием / передачу однополосных сигналов в частотном диапазоне работы ГПА до 10-15 МГц. Можно, конечно, попробовать пойти больше вверху, но ненамного: начинают появляться тени. С одной стороны, чем больше лазил, тем больше интереса, с другой — удерживать частоту генератора в сфере его влияния становится все сложнее. А на частотах колебаний выше 30 МГц длительная относительная нестабильность генератора становится такой, что «голос любителя, радостно транслирующего SSB-сигнал о преимуществах Яги перед Двойным квадратом, начинает плавно переходить от убедительного баритона Левитана к легкомысленному тенору звезды оперы «. А уже здесь — жить без кварцевого резонатора становится сложно. Кроме того, кварцевый генератор можно использовать как в качестве готового гетеродина на фиксированную частоту, так и в качестве эталона для цифрового синтезатора частот.

Кварцевый (кварцевый) резонатор — это радиоэлемент, в котором явление механического резонанса используется для создания высококачественного резонансного элемента электронной схемы. Добротность кварцевых резонаторов во много раз превышает добротность резонаторов на LC-цепях и составляет 104… 106. Длительная относительная нестабильность частоты — не хуже 10-6… 10-8

Чтобы понять принцип работы кварцевого резонатора в схемах генератора, необходимо рассмотреть его эквивалентную схему:

Lk (мГн)	Ck (пФ)	Rk (Ом)	Co (пФ)
1	1910 г	13,3 × 10-3	200	5
10	28,6	8,86 × 10-3	12	4
12	24	7,368 × 10-3	12	4
ветры	11,94	5,3 × 10-3	10	3.5

Перейдем к рассмотрению некоторых распространенных схем генераторов с кварцевой стабилизацией частоты.

Рис.2 Рис.3

В трехточечном емкостном по схеме Пирса (рис. 2) биполярный транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Резисторы R1 и R2 задают режим работы транзистора Т1 по постоянному току и выбираются исходя из тока покоя транзистора 1-5 мА в зависимости от частоты генерируемого сигнала. Очевидно, что положительная обратная связь необходима для управления любым усилителем, который поворачивает фазу на 180˚.

Один только кварцевый резонатор не сможет обеспечить такое чередование фаз. Таким образом, конденсаторы С1 и С2 дополнительно вводятся в схему.
При возбуждении кварцевого резонатора на нечетных механических гармониках кварца вместо резистора R3 срабатывает катушка индуктивности L1 (рис. 3). Параметры схемы следует подбирать так, чтобы ее собственная частота составляла 0,7… 0,8 частоты генерации. В результате схема имеет емкостную проводимость на необходимой частоте гармоник, что исключает возможность генерации на самых низких гармониках и основной частоте.

Емкостные трехточечные схемы Пирса, выполненные на полевых транзисторах или КМОП микросхемах, в том числе цифровых, имеют значительно большой запас по фазе для возникновения условий генерации. Это объясняется высоким входным сопротивлением таких устройств, что в свою очередь создает более корректные условия для работы фазовращателей.

Рис.4 Рис.5 Рис.6

Схемы, выполненные на полевых транзисторах (рис. 4, 5), аналогичны схемам их биполярных аналогов. Резистор R3 определяет режим работы Т1 по постоянному току и выбирается исходя из необходимого тока покоя транзистора (1-5 мА). На рисунке 6 показана схема генератора Пирса,

построен на высокочастотном операционном усилителе или логическом преобразователе CMOS, используемом в качестве инвертирующего усилителя. По сравнению со схемами на биполярных транзисторах колебательные данные не так критичны для точности выбора номиналов конденсаторов фазового сдвига С1 и С2. При использовании цифровых КМОП инверторов даже при выборе типовых значений емкостей C1 = C2 = 15 пФ сохраняются условия стабильной генерации в достаточно широком диапазоне частот.
Генераторы Пирса по праву считаются генераторами с наилучшей кратковременной стабильностью частоты, но имеют ряд недостатков, таких как: относительная сложность, необходимость качественной стабилизации тока базы транзистора, а также отсутствие кабелей кварцевого резонатора подключается к корпусной шине.

Частично генератор Колпица лишен этих недостатков — схемное решение для другого трехточечного кварцевого генератора, в котором транзистор активного элемента переменного тока включен по схеме с общим коллектором. В этом случае кварцевый резонатор, имеющий характер индуктивного сопротивления, является частью параллельного резонансного контура, один из выходов которого может быть подключен к шине заземления, колеблющейся точно с частотой гармонической кварцевой гармоники, которая указана на его случай. Точно такая же история, но с полевым транзистором вместо биполярного, показана на рис.10.
На высоких частотах, до 300 МГц, целесообразно использовать одноступенчатые генераторные схемы с общей базой (рис. 11).

Схемы, представленные на рис.11 и рис.12, функционально абсолютно идентичны, хотя первая из них представляет собой индуктивную трехточечную с кварцевым резонатором, выполненную по схеме Хартли, а вторая, емкостная — по схеме Колпица. Для возникновения колебаний колебательный контур должен быть настроен на частоту кварцевого резонатора, то есть на частоту, кратную основной частоте гармоники. Дальнейшее улучшение условий самовозбуждения этих автогенераторов на высоких частотах может быть достигнуто путем подключения дополнительного индуктора L2 параллельно кварцу (рис. 13 и рис. 14). Схема, образованная параллельной емкостью кварца Co и катушки L2, настроена на частоту используемой гармоники. Как и в предыдущих случаях, биполярный транзистор можно заменить на полевой транзистор с подходящей схемой смещения легким движением руки.

ВАЖНЫЙ! 1. Любые ВЧ-генераторы, в том числе кварцево-кристаллические, должны быть подключены к источнику питания через интегральную RC-цепь, которая представляет собой резистор номиналом несколько сотен Ом (в зависимости от рабочего тока транзистора) и конденсатор с заземленный провод, емкостью 0,1МкФ. 2. Каскады, подключенные к выходу генератора, должны иметь достаточно высокий входной импеданс. В идеале, если речь идет о схемах, реализованных на полевых транзисторах. 3. Конденсаторы связи, изображенные на схемах последовательно с кварцевыми резонаторами, предназначены для отсечения постоянного напряжения от кварца. Кто-то их ставит, кто-то нет — во всяком случае, я не встречал какого-либо понятного теоретического обоснования по поводу ущерба здоровью резонаторов от постоянной. Так что считайте наличие этих элементов необязательным, хуже точно не будет, лучше — скорее всего.

4. Базовая схема кварцевого генератора на цифровой микросхеме (рис. 6) отлично работает в широком диапазоне частот и не требует доработки. Многочисленные вариации 2-3 гейта на заданную тему не имеют особого смысла, так как они имеют худшие частотные характеристики. Разве что можно обратить внимание на схему, показанную на рис. 15, которая за счет более высокого общего коэффициента усиления создает дополнительные условия для стабильной генерации и меньшей зависимости от значений емкости.

Ну по традиции: калькулятор в студию!

Предоставленный калькулятор не претендует на 100% надежность, так как не может учитывать реальные характеристики используемых резонаторов, однако в большинстве случаев он поможет радиолюбителю предотвратить явные ошибки и запустить устройство без шаманства и танцев с бубны.

А на следующей странице мы рассмотрим схемы кварцевого генератора с возможностью плавной настройки в не очень широком диапазоне частот.

Кварцевые резонаторы. Виды и применение. Устройство и работа

Современное цифровое оборудование требует высокой точности, поэтому цифровые устройства часто содержат кварцевый резонатор, который является стабильным и надежным генератором гармонических колебаний. Цифровые микроконтроллеры работают на этой постоянной частоте и используют ее для питания цифрового прибора. Кварцевые резонаторы — надежная замена колебательному контуру, собранному на конденсаторе и катушке индуктивности.

Добротность колебательного контура на основе катушки и конденсатора не превышает 300. Это характеристика колебательного контура, определяющая ширину резонансной полосы. Добротность показывает, во сколько раз энергия колебательной системы превышает потери энергии за период колебаний. Чем выше добротность, тем меньше энергии теряется за период и тем медленнее затухают колебания. Емкость конденсатора в обычной цепи изменяется в зависимости от температуры жидкости. Величина индуктивности катушки также зависит от многих факторов. Есть даже соответствующие коэффициенты, определяющие зависимость параметров этих элементов от температуры.

Кварцевые резонаторы, в отличие от описанных выше колебательных контуров, имеют очень высокую добротность, достигающую значения в несколько миллионов. При этом температура в диапазоне -40 +70 градусов никак не влияет на этот параметр. Высокая стабильность работы кварцевых резонаторов при любых температурах позволила широко использовать их в цифровой электронике и радиотехнике.

Обозначение кварцевого резонатора на электрической схеме

Устройство обозначается аналогично конденсатору. Отличие: между вертикальными линиями помещен прямоугольник — символ пластинки из кристалла кварца. Стороны прямоугольника и обкладки конденсатора разделены пробелом. Рядом со схемой может быть буквальное обозначение устройства — QX.

Кристаллический импеданс против частоты

Наклон импеданса кристалла выше показывает, что по мере увеличения частоты на его выводах на определенной частоте взаимодействие между последовательным конденсатором Cs и катушкой индуктивности Ls создает последовательный резонансный контур, минимизируя импеданс кристаллов и равный Rs. Эта частотная точка называется резонансной частотой последовательных кристаллов, а ниже нее кристалл является емкостным.

Когда частота поднимается выше этой точки последовательного резонанса, кристалл ведет себя как индуктор, пока частота не достигнет своей параллельной резонансной частоты p. В этой частотной точке взаимодействие между последовательной катушкой индуктивности Ls и параллельным конденсатором Cp создает емкостную цепь LC, настроенную параллельно, и, таким образом, импеданс скрещенного кристалла достигает своего максимального значения.

Итак, мы можем видеть, что кристалл кварца представляет собой комбинацию последовательно настроенных и параллельных резонансных контуров, которые колеблются на двух разных частотах с небольшой разницей между ними в зависимости от огранки кристалла. Кроме того, поскольку кристалл может работать как на последовательных, так и на параллельных резонансных частотах, контур кварцевого генератора должен быть настроен на ту или иную частоту, поскольку невозможно использовать оба вместе.

Следовательно, в зависимости от характеристик схемы, кристалл кварца может действовать как конденсатор, индуктор, последовательный резонансный контур или параллельный резонансный контур, и, чтобы продемонстрировать это более наглядно, мы также можем построить график реактивного сопротивления кристалла как функции частоты как показано ниже.

Триггер

На микросхеме есть три триггера, которые делят тактовую частоту. Кварцевый генератор использует переключаемые триггеры, которые переключаются между 0 и 1 каждый раз, когда принимается входной импульс. Поскольку два входящих импульса дают исходящий импульс (0 → 1 → 0), триггер делит частоту пополам.
Триггер состоит из передаточных вентилей, инверторов и логического элемента И-НЕ — см. Схему ниже. Когда входной тактовый сигнал равен 1, выходной сигнал проходит через инвертор и первый порт передачи в точке A. Когда входной сигнал изменяется на 0, первый порт передачи открывается, и предыдущее значение остается в точке A. Между тем, второе передаточный вентиль закрывается, затем сигнал проходит через второй инвертор и передаточный вентиль в точке B. Логический элемент И-НЕ инвертирует его снова, заставляя выход реверсировать. Второй цикл входящих часов повторяет этот процесс, возвращая выход к его исходному значению. Следовательно, два цикла входных сигналов дают один цикл выхода, поэтому триггер делит частоту на 2.

Каждый триггер имеет вход разрешения. Если для выбранного выхода триггер не требуется, он отключается. Например, если выбран режим деления на 2, используется только первый триггер, а два других отключены. Думаю, это сделано для снижения энергопотребления. Это не зависит от отключающего контакта на модуле, который полностью блокирует выходной сигнал. Это свойство, которое нужно отключить, не является обязательным; в этом модуле нет такой функции, и контакт отключения не подключен к IC.

На схеме выше инверторы и передаточные клапаны показаны как отдельные конструкции. Однако в триггере используется интересная структура затвора, которая объединяет инвертор и передаточный затвор (слева) в один затвор (справа). Пара транзисторов, подключенных к данным, действует как инвертор. Однако, если тактовый сигнал равен нулю, питание и земля блокируются, и вентиль не влияет на выход, поддерживая предыдущее напряжение. Так работает передаточный клапан.

Комбинированный инвертор и передаточный клапан
На фото ниже показано, как одни из этих ворот сделаны на кристалле. На фото выше показан металлический слой. Ниже представлены клапаны из поликремния красноватого цвета. Слева — два P-MOS-транзистора в форме концентрических окружностей. Справа — N-МОП-транзисторы.

Самодельный ВЧ генератор с одной шкалой

Схема простого ВЧ генератора 0,4 — 30 MHz

Представленная ниже компактная схема ВЧ-генератора охватывает весь частотный диапазон от 0,4 до 30 МГц в едином масштабе.

Выход 50 Ом, напряжение 300 мВ во всем частотном диапазоне.

Большинство генераторов сигналов используют несколько диапазонов для покрытия всего частотного спектра. Схема этого генератора немного отличается, он настраивает весь радиочастотный диапазон от 400 кГц до более 30 МГц в одной полосе. Он предназначен для тестирования входных частей приемника и ВЧ-фильтров и должен быть компактным.

Выходной уровень генератора около 300 мВ при 50 Ом также позволяет использовать его в качестве временного генератора для проверки смешивающего диода.

Описание схемы генератора

Невозможно одновременно покрыть весь радиочастотный диапазон в одном ряду с помощью традиционного LC-генератора. Однако, смешивая генератор, работающий на более высокой частоте, с генератором, работающим на более низкой частоте, можно достичь требуемого диапазона.

Это показано на схеме ниже:

Генератор, управляемый напряжением (ГУН), работает в диапазоне от 48 МГц до 85 МГц. Выходной сигнал ГУН (100–150 мВ, 50 Ом) смешивается с кварцевым выходом 48 МГц в диодном смесителе, чтобы обеспечить выход необходимой частоты.

С помощью варикапа настраивается частота во всем диапазоне. Я использовал устройство от старого тюнера видеомагнитофона. Другие универсальные варикапы, такие как Motorola MV104 или Philips BB911, тоже подойдут.

Кварцевый генератор 48 МГц является типичным и используется в старых принтерах, видеокартах и ​​т. Д. Они генерируют прямоугольный сигнал с уровнем TTL (5 В). Я нашел два пластиковых генератора на 48 МГц в старом принтере Epson.

Выход кварцевого генератора, который я использовал, не мог напрямую управлять диодным смесителем, но комбинация серий C5 и R3, керамического конденсатора 1000 пФ и резистора 100 Ом работала хорошо. Прямоугольный выход также идеально подходит для диодных смесителей.

Использование генератора 48 МГц, дающего диапазон ГУН, сильно зависит от наличия соответствующей части. Если вы хотите заменить детали и модернизировать по мере необходимости, выходная частота должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить требуемую полосу пропускания 30 МГц в том же диапазоне. Любой более низкий частотный диапазон вряд ли будет успешным.

Кроме того, кристалл, который устанавливает нижнюю полосу частот, должен быть достаточно далеко от высокой выходной частоты 30 МГц, чтобы простой 3-полюсный фильтр нижних частот мог отфильтровать любой остаточный сигнал от генератора 48 МГц и сумму выход микшера. Эта схема генератора обеспечивает частоту до 35 МГц с выходной мощностью примерно 3 дБ.

Двойной балансный смеситель SRA-1 (дБм) M1. Здесь отлично подойдут различные варианты диодов, в том числе диоды 1N4148 и пара ферритовых колец.

Требуемый (дифференциальный) выходной сигнал фильтруется 3-полюсным эллиптическим фильтром.

Отфильтрованный выходной сигнал усиливается на 20 дБ. ERA-5 представляет собой монолитный интегральный усилитель, обеспечивающий уровень сигнала 300–400 мВ на 50 Ом на выходе. Я использовал версию усилителя ERA-5 для поверхностного монтажа.

Электропитание схемы — 12В 100мА.

Вид внутри

Детали свариваются на петлях.

Корпус сварен из жестяной банки, из которой сформированы стенки ящика.

Настройка генератора

Для ручной настройки в широком диапазоне частот требуется прецизионный многооборотный резистор с проволочной обмоткой.

Чтобы добавить ручку управления, я использовал части потенциометра регулировки громкости AM / FM радио. Большинство этих объемных горшков похожи тем, что у них есть тонкая ручка с регулировкой по краю, прикрученная к латунному стержню с помощью небольшого винта.

Монтаж

Схема собирается прямо на небольшой кусок текстолита с пленочным покрытием всего за несколько часов. Генератор на 48 МГц (от Epson SG-615) был установлен на плате в перевернутом виде. Ферритовые шарики используются в качестве высокочастотных индукторов для питания каждой фазы цепи.

Многооборотный триммер приклеен к печатной плате немного выше, чтобы ручка могла быть установлена ​​и вращаться свободно.

Коробка была сделана из жести, разрезанной на полоски шириной 18 мм и припаянных по краю печатной платы. Компоновка передней панели была разработана в CorelDraw, отлита и покрыта контактным пластиком для большей прочности.