Современная цифровая техника требует высокой точности, поэтому совсем неудивительно, что практически любое цифровое устройство, какое бы не попалось сегодня на глаза обывателю, содержит внутри кварцевый резонатор.

Кварцевые резонаторы на различные частоты необходимы в качестве надежных и стабильных источников гармонических колебаний, чтобы цифровой микроконтроллер мог бы опереться на эталонную частоту, и оперировать с ней в дальнейшем, в процессе работы цифрового устройства. Таким образом, кварцевый резонатор — это надежная замена колебательному LC-контуру.

Если рассмотреть простой колебательный контур, состоящий из и , то быстро выяснится, что добротность такого контура в схеме не превысит 300, к тому же емкость конденсатора будет плавать в зависимости от температуры окружающей среды, то же самое произойдет и с индуктивностью.

Не даром есть у конденсаторов и катушек такие параметры как ТКЕ — температурный коэффициент емкости и ТКИ — температурный коэффициент индуктивности, показывающие, насколько изменяются главные параметры этих компонентов с изменением их температуры.

В отличие от колебательных контуров, резонаторы на базе кварца обладают недостижимой для колебательных контуров добротностью, которая измеряется значениями от 10000 до 10000000, причем о температурной стабильности кварцевых резонаторов речи не идет, ведь частота остается постоянной при любом значении температуры, как правило из диапазона от -40°C до +70°C.

Так, благодаря высоким показателям температурной стабильности и добротности, кварцевые резонаторы применяются всюду в радиотехнике и цифровой электронике.

Для задания тактовой частоты, ему всегда необходим генератор тактовой частоты, на который он мог бы надежно опереться, и генератор этот всегда нужен высокочастотный и при том высокоточный. Здесь то и приходит на помощь кварцевый резонатор. Конечно, в некоторых применениях можно обойтись пьезокерамическими резонаторами с добротностью 1000, и таких резонаторов достаточно для электронных игрушек и бытовых радиоприемников, но для более точных устройств необходим кварц.

В основе работы кварцевого резонатора — , возникающий на кварцевой пластинке. Кварц представляет собой полиморфную модификацию диоксида кремния SiO2, и встречается в природе в виде кристаллов и гальки. В свободном виде в земной коре кварца около 12%, кроме того в виде смесей в составе других минералов также содержится кварц, и в общем в земной коре более 60% кварца (массовая доля).

Для создания резонаторов подходит низкотемпературный кварц, обладающий ярко выраженными пьезоэлектрическими свойствами. Химически кварц весьма устойчив, и растворить его можно лишь в гидрофторидной кислоте. По твердости кварц превосходит опал, но до алмаза не дотягивает.

При изготовлении кварцевой пластинки, от кристалла кварца под строго заданным углом вырезают кусочек. В зависимости от угла среза полученная кварцевая пластинка будет отличаться по своим электромеханическим свойствам.

Так получается колебательная система, обладающая собственной резонансной частотой, и кварцевый резонатор, полученный таким образом, обладает собственной резонансной частотой, определяемой электромеханическими параметрами.

Теперь если приложить к металлическим электродам пластики переменное напряжение данной резонансной частоты, то проявится явление резонанса, и амплитуда гармонических колебаний пластинки весьма значительно возрастет. При этом сопротивление резонатора сильно понизится, то есть процесс аналогичен происходящему в последовательном колебательном контуре. В силу высокой добротности такого «колебательного контура», энергетические потери при его возбуждении на резонансной частоте пренебрежимо малы.

На эквивалентной схеме: C2 - статическая электроемкость пластинок с держателями, L - индуктивность, С1 — емкость, R - сопротивление, отражающие электромеханические свойства установленной пластинки кварца. Если убрать монтажные элементы, останется последовательный LC-контур.

В процессе монтажа на печатную плату, кварцевый резонатор нельзя перегревать, ведь конструкция его довольно хрупка, и перегрев может привести к деформации электродов и держателя, что непременно отразится на работе резонатора в готовом устройстве. Если же разогреть кварц до 5730°C, он вовсе утратит свои пьезоэлектрические свойства, но, к счастью, нагреть элемент паяльником до такой температуры невозможно.

Обозначение кварцевого резонатора на схеме похоже на обозначение конденсатора с прямоугольником между пластинами (кварцевая пластинка), и с надписью «ZQ» или «Z».

Часто причиной повреждения кварцевого резонатора является падение или сильный удар устройства, в котором он установлен, и тогда необходимо заменить резонатор на новый с той же резонансной частотой. Такие повреждения свойственны малогабаритным приборам, которые легко уронить. Однако, по статистике, подобные повреждения кварцевых резонаторов встречаются крайне редко, и чаще неисправность прибора оказывается вызвана иной причиной.

Чтобы проверить кварцевый резонатор на исправность, можно собрать небольшой пробник, который поможет не только убедиться в работоспособности резонатора, но и увидеть его резонансную частоту. Схема пробника представляет собой типичную схему кварцевого генератора на одном транзисторе.

Включив резонатор между базой и минусом (можно через защитный конденсатор на случай короткого замыкания в резонаторе), остается измерить частотомером резонансную частоту. Эта схема подойдет и для предварительной настройки колебательных контуров.

Когда схема включена, исправный резонатор станет способствовать генерации колебаний, и на эмиттере транзистора можно будет наблюдать переменное напряжение, частота которого будет соответствовать основной резонансной частоте тестируемого кварцевого резонатора.

Подключив к выходу пробника частотомер, пользователь сможет наблюдать эту резонансную частоту. Если частота стабильна, если небольшой нагрев резонатора поднесенным паяльником не приводит к сильному уплыванию частоты, то резонатор исправен. Если же генерации не будет, или частота будет плавать или окажется совсем другой, чем должна быть для тестируемого компонента, то резонатор неисправен, и его следует заменить.

Данный пробник удобен и для предварительной настройки колебательных контуров, в этом случае конденсатор C1 обязателен, хотя при проверке резонаторов его можно из схемы исключить. Контур просто подключается вместо резонатора, и схема начинает генерировать колебания аналогичным образом.

Пробник собранный по приведенной схеме замечательно работает на частотах от 15 до 20 МГц. Для иных диапазонов вы всегда можете поискать схемы в интернете, благо их там много, как на дискретных компонентах, так и на микросхеме.

Частотомер - полезный прибор в лаборатории радиолюбителя (особенно, при отсутствии осциллографа). Кроме частотомера лично мне часто недоставало тестера кварцевых резонаторов - слишком много стало приходить брака из Китая. Не раз случалось такое, что собираешь устройство, программируешь микроконтроллер, записываешь фьюзы, чтобы он тактировался от внешнего кварца и всё - после записи фьюзов программатор перестаёт видеть МК. Причина - "битый" кварц, реже - "глючный" микроконтроллер (или заботливо перемаркированый китайцами с добавлением, например, буквы “А" на конце). И таких неисправных кварцев мне попадалось до 5% из партии. Кстати, достаточно известный китайский набор частотомера с тестером кварцев на PIC-микроконтроллере и светодиодном дисплее с Алиэкспресса мне категорически не понравился, т.к. часто вместо частоты показывал то ли погоду в Зимбабве, то ли частоты "неинтересных" гармоник (ну или это мне не повезло).

• 24.09.2014

  Сенсорный выключатель показанный на рисунке имеет двухконтактный сенсорный элемент, при касании обеих контактов напряжение питания (9В) от источника питания подается в нагрузку, а при следующем касании сенсорных контактов питания отключается от нагрузки, нагрузкой может быть лампа или реле. Сенсор очень экономичен и потребляет малый ток в режиме ожидания. В момент …

• 08.10.2016

  MAX9710/MAX9711 — стерео/моно УМЗЧ с выходной мозностью 3 Вт имеющие режим пониженного потребления. Технические характеристики: Выходная мощность 3 Вт на нагрузке 3 Ом (при КНИ до 1%) Выходная мощность 2,6 Вт на нагрузке 4 Ом (при КНИ до 1%) Выходная мощность 1,4 Вт на нагрузке 8 Ом (при КНИ до 1%) Коэффициент подавления шумов …

• 30.09.2014

  Характеристики: Диапазон воспроизводимых частот 88…108 МГц Реальная чувствительность 3 мкВ Выходная мощность УНЧ 2*2Вт Диапазон воспроизводимых частот 40…16000Гц Напряжение питания 3…9В Приемник построен на 2-х микросхемах CXA1238S и TEA2025B. CXA1238S содержит универсальный АМ\ЧМ радиоприемный тракт, выбор режима работы определяет лог. уровень на 15-ом выводе микросхемы. В состав ЧМ входит — …

• 22.04.2015

  На рисунке № 1 показана схема простого индикатора сетевого напряжения. R1 ограничивает прямой ток через светодиод HL1. С1 используется в качестве балластного элемента, что позволило улучшить тепловой режим уст-ва индикации. При отрицательной полуволне сетевого напряжения стабилитрон VD1 работает как обычный диод, предохраняя светодиод от пробоя в обратным смещением. При положительной …

• 21.09.2014

  В наше время, когда многие обзавелись дачей или домом в селе, где сварка является необходимостью, возникает проблема с ее приобретением. Покупка заводского аппарата осложняется его высокой стоимостью. Самая трудоемкая часть — изготовление самого сварочного трансформатора. При этом изготовитель сталкивается с проблемой приобретения магнитопровода. К магнитопроводу предъявляют следующие требования: достаточная площадь …

13.11.10

14793 4.4

В радиолюбительской практике довольно часто возникает необходимость в управляемом генераторе высокой частоты , например для проверки пьезокерамических и кварцевых резонаторов. В статье будет рассмотрена схема генератора высокой частоты с регулируемой частотой до 80 МГц. Ранее мы уже писали о том, как проверить кварцевый резонатор , теперь вашему вниманию предлагается еще один вариант устройства для проверки кварцевых резонаторов. Отличия в схемах конечно же есть, есть и разница в функциональности, одним словом выбирать вам.

Схема устройства:

В качестве задающего генератора выступает цифровая интегральная микросхема DD1 типа КР531ГГ1. По сути, микросхема представляет из себя два управляемых генератора. Рабочая частота этих управляемых генераторов определяется подключенными к выводам С1 и С2 генератора кварцевыми или пьезокерамическими резонаторами, конденсаторами. В рассматриваемой схеме генератора высокой частоты задействован только первый генератор микросхемы. Для облегчения запуска генератора с пьезокерамическими резонаторами, рабочая частота которых менее 4 МГц, параллельно с ним к выводам С1, С2 подключается резистор R1.

Возбуждение проверяемых резонаторов будет происходить на частоте основного резонанса, то есть на частоте первой гармоники. Необходимо это учитывать при выполнении проверки резонаторов , которые предназначены для работы в радиопередающих и радиоприемных устройствах. Для примера, гармониковые кварцы с рабочей частотой 27 МГц (третья гармоника) будут входить в возбуждение соответственно на частоте 9 МГц. Делитель частоты на 2 и 4 собран на микросхеме DD2.

Сигнал высокой частоты с выхода F задающего генератора DD1.1 через токоограничивающий резистор R2 поступает на вход С (вывод 3) триггера DD2.1, а в последствии деленный на 2, с выхода этого D-триггера сигнал с уже вдвое меньшей частотой, чем частота задающего генератора попадает на второй триггер микросхемы DD2.1, который включен аналогичным образом. Таким образом, на выходе делителя частоты мы получаем сигнал частота, которого в 4 раза меньше, чем частота задающего генератора.

О том, что проверяемый резонатор возбуждается сигнализирует светодиод HL2. В качестве буферных элементов используется микросхема DD3. Что позволяет повысить стабильность работы DD1, DD2, устранив влияние подключенной нагрузки. К генератору высокой частоты для мониторинга можно подключить частотомер, который способен производить измерения сигналов частота которых не меньше 80 МГц. Можно также на подключенный частотомер подавать сигналы от задающего генератора DD1, или уже с делителя с частотой в 2 или 4 раза меньшей, что может быть полезно, когда применяется выносной щуп частотомера и соединительный кабель, имеющий недостаточную полосу пропускания.

Питание примененных в генераторе интегральных цифровых микросхем осуществляется от источника стабилизированного напряжения, собранного на стабилизаторе DA1. В целом генератор довольно экономичный, так при работе генератора на частоте 50 МГц он потребляет по цепи питания ток около 100 мА. О наличии напряжения питания сигнализирует светодиод HL1. Для защиты устройства от подачи питания обратной полярности служит диод VD1.

Внешний вид готовой платы:

В первом варианте готового устройства монтаж велся навесным способом, соединение производилось тонким монтажным проводником, а весь слой фольги был использован как общий провод. Следует быть очень внимательным при разводке сигнальных цепей и цепей питания, так как высокочастотные микросхемы серий КР531, 74F при неудачно выполненном монтаже способны генерировать помехи с довольно широким спектром частот.

Детали. Взамен микросхемы КР531ГГ1 можно использовать КР1531ГГ1, К531ГГ1П. Вместо импортной микросхемы MC74F74N можно использовать любую из серии 74F74N или заменить отечественной КР531ТМ2. Если внести небольшие изменения в принципиальную схему, можно взамен этой микросхемы использовать делитель на 10, как вариант, собранный на микросхеме КР531ИЕ9. Микросхему MC74F00N можно заменить на любую из серии 74F00N или на отечественный аналог КР531ЛАЗ, КР1531ЛАЗ. Следует отметить, что при применении отечественных микросхем ток, потребляемый устройством, может незначительно возрасти.

Если возникнут сложности в приобретении таких микросхем, вместо DD2 и DD3 можно временно установить подходящие микросхемы серии КР1533, но надо иметь ввиду, что диапазон частот кварцевого резонатора при этом снизится до 50...70 МГц. Стабилизатор на напряжение +5 В типа L7805ACV может быть заменен на любой из серии 7805 или отечественную интегральную микросхему КР142ЕН5А или КР142ЕН5В. Следует учесть, что некоторые стабилизаторы напряжения имеют нижнюю границу минимального напряжения от 7 В до 8 В.

Следуя рекомендациям микросхему стабилизатора напряжения следует устанавливать на небольшой теплоотвод. Вместо диода 1N4001 можно использовать аналогичный из серий КД243, КД226. Диоды 1N4148 могут быть заменены на диоды серий КД409, КД503, 2Д419. К светодиодам особых требований не предъявляется, подойду светодиоды общего применения любого типа. Конденсаторы оксидного типа К53-19, К53-30, К50-35 или их импортные аналоги. Неполярные - керамические конденсаторы К10-17 или аналогичные импортного производства. Можно использовать любые малогабаритные резисторы, например самые распространенные - МЛТ.

Для того, чтобы можно было проверять резонаторы с разным диаметром контактов следует предусмотреть две различные панельки. Длина проводов от выводов С1, С2 микросхемы DD1 должна быть минимальной. Для изменения диапазона рабочих частот генератора от 760 кГц до 12МГц вместо кварцевого резонатора ZQ1 к панелькам необходимо подсоединить конденсатор переменной емкости 20 - 540 пФ. Кроме этого высокочастотный генератор можно доработать, если вместо кварцевого резонатора ZQ1 будет установлен частотозадающий конденсатор, выход F DD1.2 соединить с входом Uc (вывод 2) или Uд (вывод 3) DD1.1, вход Е DD1.2 необходимо соединить с общим проводом, а к выводам С1 и С2 DD1.2 подсоединить конденсатор емкостью 0,22 мкФ.

Генератор DD1.2, после таких доработок, будет работать с частотой 2 кГц, а на выходе 7 DD1, получим частотно-модулированный сигнал. Кроме сказанного, на входы Uд и Uc одновременно можно подать противофазные модулирующие сигналы, как вариант, с выхода 6 инвертора DD3.1 и выхода 7 DD1. А вот для уменьшения девиации частоты эти модулирующие сигналы следует подавать через подстроечные резисторы 220...470 Ом. Кроме кварцевых или пьезокерамических резонаторов можно подключать и пьезокерамические фильтры. Высокочастотный генератор можно использовать помимо проверки кварцевых резонаторов и, например как калибратор, генератор звуковых эффектов, микропередатчик, устройство для измерения емкости конденсаторов.

Поводом для создания этого прибора послужило немалое количество накопившихся кварцевых резонаторов как купленных, так и выпаянных с разных плат, причём на многих отсутствовали всякие обозначения. Путешествуя по бескрайним просторам интернета и пробуя собрать и запустить различные , было решено придумать что-нибудь своё. После многих экспериментов с разными генераторами как на разных цифровых логиках, так и на транзисторах, остановил выбор на 74HC4060, правда устранить автоколебания тоже не удалось, но как оказалось при работе устройства это не создаёт помехи.

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 деталях устройства

Часть платы собрана на выводных деталях, а часть на SMD. Плата разработана под ЖКИ индикатор "Винстар" однострочный WH1601A (это тот у которого контакты слева вверху), контакты 15 и 16, служащие для подсветки, не разведены, но кому надо может для себя добавить дорожки и детали. Я не развёл подсветку так как применил индикатор без подсветки от какого-то телефона на таком-же контроллере, но сначала стоял винстаровский. Кроме WH1601A можно применить WH1602B - двухстрочный, но вторая строка задействована не будет. Вместо транзистора, что на схеме можно применить любой такой же проводимости желательно с бОльшим h21. На плате разведены два входа питания, один от мини USB, другой через мост и 7805. Также предусмотрено место под стабилизатор в другом корпусе.

Настройка прибора

При настройке кнопкой S1 включить режим НЧ (загорится светодиод VD1) и воткнув в соответствующий разъём кварцевый резонатор на 32768Гц (желательно с материнской платы компьютера) подстроечным конденсатором С11 установить на индикаторе частоту 32768Гц. Резистором R8 устанавливается максимальная чувствительность. Все файлы - платы, прошивки, даташиты на используемые радиоэлементы и другое, скачайте в архиве . Автор проекта - nefedot .

Обсудить статью ПРИБОР ДЛЯ ПРОВЕРКИ ЧАСТОТЫ КВАРЦЕВ