Как определять резонансную частоту кварцевого резонатора по радиоизмерительным приборам в любительских условиях
Кварцевый резонатор (рис.1,а) может быть представлен эквивалент-вой схемой в виде последовательного контура RкLкСк, шунтированного емкостями металлизированных поверхностей и кварцедержателя Со, а также емкостью монтажа См (рис.1,б).
Динамическое сопротивление Rк индуктивность Lк и емкость Ск определяются частотой механического резонанса кварцевой пластины и величиной потерь, имеющих место в резонаторе. Величина емкости Со определяется геометрическими размерами и физическими свойствами пластины и конструкцией кварцедержателя, для каждого резонатора она является постоянной величиной. Емкость См зависит от конструкции панельки, расположения проводов, емкости между точками подключения резонатора к прибору и т. д.
Резонатор согласно эквивалентной схеме может рассматриваться или как последовательный контур RкLкСк, или как параллельный контур RкLкCк(Сo+См’). В соответствии с этим и определяется поведение резонатора на разных частотах.
На рис.2 приведена зависимость реактивного сопротивления резонатора от частоты приложенного к нему переменного напряжения. При низких частотах решающее значение имеет емкость Ск, резонатор ведет себя как емкость.
По мере повышения частоты емкостное сопротивление уменьшается, и на некоторой частоте fпосл, называемой частотой последовательного резонанса или резонансной частотой резонатора, оно становится равным нулю. Резонатор проявляет свойства последовательного контура, его полное сопротивление минимально и равно активному сопротивлению Rк. Частота последовательного резонанса равна
При дальнейшем повышении частоты увеличивается индуктивное сопротивление резонатора, и на частоте fпар резонатор приобретает свойства параллельного контура, имеющего при резонансе бесконечно большие и равные по абсолютной величине индуктивное и емкостное сопротивления.
При еще большем повышении частоты начинает сказываться шунтирующее действие емкостей Со и См, и резонатор действует как конденсатор малой емкости.
Частота параллельного резонанса выразится формулой
Как видно из формулы, частота fпар зависит от емкости См, поэтому может меняться в некоторых пределах.
Отношение частот параллельного и последовательного резонанса определится выражением:
Разность между этими частотами невелика, максимальная разность близка к 0,4% от частоты последовательного резонанса.
Следовательно, измерение резонансной частоты кварцевого резонатора по приборам можно производить теми же методами, которые применяются для определения резонансной частоты контуров.
Для определения частоты последовательного резонанса резонатора его включают между выходом сигнал-генератора и входом лампового вольтметра высокой частоты (рис.3). Выходное напряжение генератора должно быть порядка 100 мв, вольтметр устанавливается на предел измерения 1-8 в. При частоте генератора, равной fпосл стрелка вольтметра резко отклоняется вправо. Из-за высокой добротности кварцевого резонатора полоса пропускаемых им частот очень узка, поэтому изменять частоту генератора следует медленно, в противном случае вольтметр из-за своей инерционности не успевает среагировать на полученный короткий импульс напряжения.
Погрешность измерения частоты при таком способе определяется погрешностью градуировки генератора. Недостатком способа является значительное время, затрачиваемое на прохождение диапазонов генератора.
Прибор для определения частоты кварцевых резонаторов
В блоге буду публиковать любую, на мой взгляд интересную информацию о своих работах.
Определение частоты кварцевых резонаторов
Сегодня напишу про прибор для определения частоты кварцевых резонаторов. Это такие блестящие штучки, которые ставят на платы для генерации сигналов тактирования для работы микроконтроллеров.
Кварцевый резонатор
Сам по себе кварцевый резонатор не может генерировать импульсы без определенной схемы, в отличии от кварцевых генераторов, у которых эта схема уже собрана внутри корпуса на четыре вывода и им достаточно только подать на одну ногу входное напряжение. Резонатор же содержит внутри только кварц и ничего больше.
Вот так на плате выглядит кварцевый резонатор
На многих частота уже написана, но бывает так, что определить частоту по маркировке не получается. И тогда нужен специальный прибор для определения частоты.
Приобрел на Aliexpress набор для самостоятельной сборки. sl.aliexpress.ru/p?key=nQhpxxI
Комплект полный, на плате все элементы размечены, сборка заняла примерно часа полтора неспешной аккуратной пайки.
Как определить частоту кварца
Простой и надежный способ проверки кварцевых резонаторов на исправность, простая схема генератора для проверки кварцев. 90% неисправностей кварцевых резонаторов приходится на пульты дистанционного управления вот на них мы пока и остановимся. Я хочу предложить свой метод проверенный не раз.
На первом этапе не нужны вообще никакие приборы! Нам понадобитсялюбой радиоприёмник или на худой конец музыкальный центр если нет приёмника, но тогда к центру нужно подключитъ наружную антенну к разъёму СВ-КВ что не нужно делать с радиоприёмником по причине того, что там есть магнитная антенна.
Включаем на средние волны (СВ), можно и на короткие но там похуже, подносим пульт к приёмнику или к антенне музыкального центра, и нажимаем кнопки. В приёмнике мы услышим характерный звук импульсов, -значит кварцевый резонатор и микросхема с обвязкой в пульте уже исправны. После этого придётся раскрыть пульт и проверить светодиод.
Если в приёмнике мы ничего не слышим? Не хочу останавливаться на питании, думаю каждый с этого начинает любой ремонт. Выпаиваем аккуратно кварц, не перегревая его.
Теперь мы подошли к второму этапу непосредственно проверки кварцевого резонатора можно при помощи мультиметра 890 серии который очень распространён. Вставляем его в гнездо «Сх» и измеряем его ёмкость, при исправном резонаторе прибор покажет сотни пФ при неисправном единицы максимум десятки. Вот пример (частота резонатора — ёмкость на приборе) 440кГц-345пФ 500кГц-490пФ 4мГц-45пФ.
Опираться на эти значения как понимаете можно относительно так как погрешность у этого метода 10-15%. Но мы ведь с самого начала ставили цель проверить рабочий-нерабочий и не более.
Рис.1. Схема генератора для проверки кварцев.
Есть ещё один способ, он самый точный но нужно взятъ в руки паяльник и спаять очень простую схемку (рис.1) на микросхеме К155ЛАЗ. В схеме два резистора 330-670 Ом конденсатор любой. Вот собираем эту схемку и если к конденсатору подключим вход частотомера то узнаем частоту кварца с точностью, с которой измеряет Ваш частотомер.
А если частотомера нет тоже не огорчайтесь, возьмите всё тот же приёмник, к свободной ножке конденсатора прикрутите 0,5-1м провода, прообраз антенны, и слушайте на приемнике сигнал генератора в зависимости от частоты кварца на основной или 3 или 5 гармонике, то есть если у Вас, к примеру кварц на 440кГц то сигнал генератора Вы услышите на 440кГц,1320кГц и 2200кГц и так далее, это принцип кварцевого калибратора которые раньше стояли почти во всех военных радиоприёмниках.
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 схемы кварцевых тестеров, 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
Колебаниям уделяется одна из самых важных ролей в современном мире. Так, даже существует так называемая теория струн, которая утверждает, что всё вокруг нас – это просто волны. Но есть и другие варианты использования данных знаний, и одна из них – это кварцевый резонатор. Так уж бывает, что любая техника периодически выходит из строя, и они тут не исключение. Как убедиться, что после негативного инцидента она всё ещё работает как надо?
О кварцевом резонаторе замолвим слово
Кварцевым резонатором называют аналог колебательного контура, базирующегося на индуктивности и ёмкости. Но между ними есть разница в пользу первого. Как известно, для характеристики колебательного контура используют понятие добротности. В резонаторе на основе кварцев она достигает очень высоких 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 расположенного прямоугольника, который с обеих сторон «зажат» пластинами. Внешне на чертежах они напоминают гибрид конденсатора и резистора.
Как работает кварцевый резонатор?
Из кристалла кварца вырезается пластинка, кольцо или брусок. На него наносится как минимум два электрода, которые являются проводящими полосками. Пластинка закрепляется и имеет свою собственную резонансную частоту механических колебаний. Когда на электроды подаётся напряжения, то из-за пьезоэлектрического эффекта происходит сжатие, сдвиг или изгибание (зависимо от того, как вырезался кварц). Колеблющийся кристалл в таких случаях делает работу подобно катушке индуктивности. Если частота напряжения, что подаётся, равна или очень близка к собственным значениям, то требуется меньшее количество энергии при значительных отличиях для поддержания функционирования. Теперь можно переходить к освещению главной проблемы, из-за чего, собственно, и пишется эта статья про кварцевый резонатор. Как проверить его работоспособность? Было отобрано 3 способа, о которых и будет рассказано.
Способ № 1
Здесь транзистор КТ368 играет роль генератора. Его частота определяется кварцевым резонатором. Когда поступает питание, то генератор начинает работать. Он создаёт импульсы, которые равны частоте его основного резонанса. Их последовательность проходит через конденсатор, который обозначен как С3 (100р). Он фильтрует постоянную составляющую, а затем сам импульс передаёт на аналоговый частотомер, который построен на двух диодах Д9Б и таких пассивных элементах: конденсаторе С4 (1n), резисторе R3 (100к) и микроамперметре. Все остальные элементы служат для стабильности работы схемы и чтобы ничего не перегорело. Зависимо от установленной частоты может меняться напряжение, которое есть на конденсаторе С4. Это довольно приблизительный способ и его преимущество – легкость. И, соответственно, чем выше напряжение, тем большая частота резонатора. Но существуют определённые ограничения: пробовать её на данной схеме следует только в тех случаях, если она находится в приблизительных рамках от трех до десяти МГц. Проверка кварцевых резонаторов, что выходит за грань этих значений, обычно не подпадает под любительскую радиоэлектронику, но далее будет рассмотрен чертеж, у которого диапазон — 1-10 МГц.
Способ № 2
Для увеличения точности можно к выходу генератора подключить частотомер или осциллограф. Тогда можно будет рассчитать искомый показатель, используя фигуры Лиссажу. Но имейте в виду, что в таких случаях кварц возбуждается, причем как на гармониках, так и на основной частоте, что, в свою очередь, может дать значительное отклонение. Посмотрите на приведённые схемы (эту и предыдущую). Как видите, существуют разные способы искать частоту, и тут придётся экспериментировать. Главное – соблюдайте технику безопасности.
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:
- Прочитайте инструкцию, которую имеет кварцевый резонатор;
- Придерживайтесь техники безопасности.
Возможные причины выхода из строя
Существует довольно много способов вывести свой кварцевый резонатор из строя. С некоторыми самыми популярными стоит ознакомиться, чтобы в будущем избежать каких-то проблем:
- Падения с высоты. Самая популярная причина. Помните: всегда необходимо содержать рабочее место в полном порядке и следить за своими действиями.
- Присутствие постоянного напряжения. В целом кварцевые резонаторы не боятся его. Но прецеденты были. Для проверки работоспособности включите последовательно конденсатор на 1000 мФ – этот шаг возвратит его в строй или позволит избежать негативных последствий.
- Слишком большая амплитуда сигнала. Решить данную проблему можно разными способами:
- Увести частоту генерации немного в сторону, чтобы она отличалась от основного показателя механического резонанса кварца. Это более сложный вариант.
- Понизить количество Вольт, что питают сам генератор. Это более лёгкий вариант.
- Проверить, вышел ли кварцевый резонатор действительно из строя. Так, причиной падения активности может быть флюс или посторонние частицы (необходимо в таком случае его качественно очистить). Также может быть, что слишком активно эксплуатировалась изоляция, и она потеряла свои свойства. Для контрольной проверки по этому пункту можно на КТ315 спаять «трехточку» и проверить осцом (одновременно можно сравнить активность).
Заключение
В статье было рассмотрено, как проверить работоспособность таких элементов электрических схем, как частота кварцевого резонатора, а также их свойство. Были обговорены способы установления необходимой информации, а также возможные причины, почему они выходят из строя во время эксплуатации. Но для избегания негативных последствий всегда трудитесь с ясной головой — и тогда работа кварцевого резонатора будет меньше беспокоить.
Тема: Как определить частоту кварцевых резонаторов
Наберите в поисковике "Яндекса" :
"Как определить частоту кварцевых резонаторов".
Откроется несколько вариантов. Возможно это поможет Вам!
Помнится в одном из номеров журнала "Радио" 70-75г.г.прошлого века была методика конкретно для кварцев групп А и Б. Может быть кто вспомнит точнее .
Или у кого есть "Путеводитель по страницам журнала Радио", можно найти конкретно. Были в то время такие справочники .