Как сделать кварцевый резонатор
Добавил пользователь Алексей Ф. Обновлено: 05.10.2024
Анатолий В. Белых (UA1OJ)
164500,
Северодвинск,
а/я 27
Одной из основных задач при создании аппаратуры для любительской КВ и УКВ радиосвязи является селекция, которая решается с помощью различного рода фильтров. Получение высоких параметров фильтров требует применения высокодобротных элементов. Такими элементами служат магнитострикционные диски в электромеханических фильтрах и кварцевые резонаторы в пьезоэлектрических фильтрах. В радиолюбительской практике широкое распространение получили квазиполиноминальные лестничные кварцевые фильтры на одинаковых резонаторах.
Все полосовые фильтры строятся на основании преобразований фильтров НЧ прототипов. Полиноминальные фильтры содержат последовательные и параллельные контуры. Такие фильтры имеют геометрически симметричные характеристики относительно средней частоты. Но при проектировании в ряде случаев (узкая полоса, высокие частоты и др.) не очень удобны с точки зрения конструирования, изготовления и настройки из-за значительной разницы величин элементов последовательных и параллельных контуров. Для достаточно узкополосных фильтров соотношение значений индуктивностей и емкостей в параллельных и последовательных плечах настолько велико, что величины элементов становятся неприемлемыми. Поэтому полосовые фильтры часто реализуются в виде схем, состоящих из только последовательных или параллельных контуров, связанных между собой индуктивными или емкостными связями. Ярким примером могут служить фильтры сосредоточенной селекции – ФСС на связанных контурах и лестничные кварцевые фильтры. Характеристики затухания полосового фильтра на связанных контурах при относительной полосе пропускания, не превышающей 10-20% от средней частоты фильтра, может быть весьма близкой к характеристике затухания полиноминального полосового фильтра с тем же числом колебательных контуров. Расчет таких фильтров может производиться с помощью таблиц [7] полиноминальных НЧ прототипов. Поэтому эти фильтры именуются квазиполиноминальными.
Вопросы проектирования и изготовления квазиполиноминальных лестничных кварцевых SSB и CW фильтров в любительских условиях остаются актуальными на протяжении четверти века. За прошедшее время в печати было опубликовано много статей, посвящённых этой теме. Пионером, признанным специалистом и популяризатором лестничных кварцевых фильтров среди радиолюбителей считается J. Hardcastle (G3JIR). Он одним из первых уделил достойное внимание и вложил много труда и таланта в разработку методики расчёта указанных выше фильтров. Его статья [1] стала бестселлером.
Расчёт и моделирование качественных кварцевых фильтров с заданными параметрами сложная задача, требующая выполнения большого количества математических расчётов. Помочь в решении этой задачи может применение компьютеров. Первым энтузиастом этого направления в радиолюбительской практике стал U. Rohde (DJ2LR). Его знания и опыт в расчёте мостовых фильтров отражен в программе для семейства малых компьютеров и подробно описан в [2].
C момента выхода в свет указанных выше трудов прогресс, а вместе с ним компьютерные и информационные технологии, глубоко проникли во все области деятельности человека. Не обошли они стороной и радиолюбительское движение. Компьютеры всё больше и больше находят применение в любительской радиосвязи и конструировании. Многие радиолюбители стали применять компьютеры в решении вопросов, связанных с расчётом и проектированием кварцевых фильтров.
Использование компьютерных программ позволяет быстро и качественно выполнить большой объём математических вычислений, провести анализ результатов и выбрать наиболее приемлемый вариант. В Интернете на сайтах, посвящённых любительской радиосвязи можно найти до десятка различных программ по расчёту лестничных кварцевых фильтров. Но в основном эти программы рассчитывают только величины конденсаторов связи и входных сопротивлений проектируемых фильтров. Кроме этого упомянутые программы имеют довольно большую погрешность в результатах расчётов, в некоторых случаях доходящую до 50%. Эта погрешность обусловлена наличием в эквивалентной схеме замещения кварцевого резонатора Cs и Rd (Рис. 1), никак не участвующих в расчётах при использовании упомянутых программ.
При расчёте электрических цепей кварцевый резонатор, согласно [5] стр. 39, может быть заменён эквивалентной схемой замещения (рис. 1) с соответствующими параметрами.
Рис. 1. Эквивалентная схема замещения кварцевого резонатора.
Эти параметры связаны между собой следующей зависимостью:
АЧХ фильтров Чебышева имеет колебательный характер в полосе пропускания и монотонный - в полосе задерживания. Неравномерность затухания dA в полосе пропускания однозначно связана с максимальным коэффициентом отражения – Котр и коэффициентом стоячей волны - КСВ. Эта связь показана в таблице 1 [7]. Основным достоинством этих фильтров перед фильтрами с характеристиками Баттерворта является меньший коэффициент прямоугольности при одинаковом количестве колебательных контуров.
Табл. 1
| Коэффициент отражения Котр | Коэффициент стоячей волны напряжения в полосе пропускания КСВ | Неравномерность затухания в полосе пропускания фильтра |
| Котр=10% | КСВ=1,222 | dA=0,044 дБ |
| Котр=15% | КСВ=1,353 | dA=0,099 дБ |
| Котр=20% | КСВ=1,5 | dA=0,177 дБ |
| Котр=25% | КСВ=1,667 | dA=0,28 дБ |
Рис. 2. Зависимость АЧХ от Сs
Таблица 2.
Рис. 3. Зависимость АЧХ от Rd
Таблица 3.
Анализ полученных данных показывает, что Cs и Rd в значительной мере влияют на полосу пропускания, затухание, вносимое фильтром, и коэффициент прямоугольности. Отсюда вывод, что для качественного фильтра следует подбирать кварцевые резонаторы с минимальными значениями Cs и Rd.
Вид одной из последней версии (V-6.1.8.0.) программы представлен на рис. 4. Форму, созданную программой, можно условно разделить на пять функциональных зон. Большую часть площади формы занимают графики АЧХ. Над ними расположены панели с принципиальными схемами фильтров и результатами расчётов. Справа от АЧХ находятся панели исходных данных резонатора и фильтра. В нижней части формы расположен статус-бар, который отражает порядковый номер АЧХ и краткое наименование рассчитанного фильтра, дату и время проведения вычислений, некоторые подсказки по работе с программой.
Рис. 4. Скриншот программы.
Следует пояснить сокращения, принятые в программе:
Амин – минимальное вносимое затухание;
F(Амин) – частота минимального затухания;
А(Fo) – затухание на частоте последовательного резонанса;
dF(-N дБ) – полоса пропускания по уровню – N дБ;
Ck – емкость коррекции при расчёте фильтров со сдвигом полосы.
В дополнение к функциям предыдущих версий в программу введены несколько новых:
1. Сохранение и открытие файла с данными резонатора и фильтра (Рис. 5.);
Рис. 5.
2. Построение с наложением до пяти АЧХ различных фильтров (Рис. 6.);
Рис. 6.
Рис. 7.
4. Программа позволяет провести расчёт фильтров с характеристиками Баттерворта и Чебышева с Котр от 10 до 25% (Рис. 8).
Рис. 8.
Рис. 9.
6. В программе имеется возможность с помощью масштабирования просмотреть любой участок АЧХ (Рис. 10). Для этой цели нажатием левой клавиши мыши выделяется прямоугольный фрагмент графика диагонально из верхнего правого угла в левый нижний. Так можно поступить несколько раз, добиваясь необходимого масштаба изображения АЧХ. Возврат к исходному виду производится обратным движением мыши – из правого нижнего угла в левый верхний.
а)
б)
Рис. 10.
Минимальные системные требования для работы программы: Pentium MMX-166MHz, SVGA 800x600x16bit, RAM-16MB, Windows 9x/ME/XP/NT/2000.
Проверка на практике работы этой программы показывает высокую точность результатов расчётов. Погрешность во многом зависит от качества проведения измерений параметров кварцевых резонаторов и может не превышать 2-5%. В качестве примера приводятся результаты расчёта трёх кварцевых фильтров для коротковолнового трансивера, подобного [9].
При изготовлении этих фильтров использовались малогабаритные кварцевые резонаторы UTECH на частоту 8867,238 кГц. Выбор пал на эти резонаторы ввиду высокой точности их изготовления. Разброс по частоте последовательного резонанса в партии из 30 шт. не превышал +/- 150 Гц, а отклонения значений Ld и Cs укладывались в допуск 0,1%. Измерение частоты последовательного резонанса для этих резонаторов дало результат:
С помощью программы было рассчитано несколько вариантов фильтров и наиболее приемлемые изображены на рис. 11.
Рис. 11. Принципиальные схемы и основные параметры фильтров.
ZQ2 – В06С-760, фильтр 6-го порядка, с характеристиками Баттерворта, с корректирующими емкостями, расчётной полосой пропускания 760 Гц, используется в качестве фильтра основной селекции в режиме CW. Сдвиг вверх средней частоты полосы пропускания относительно опорной частоты составляет 1000 Гц.
ZQ3 – Т04-10-2400, фильтр 4-го порядка, с характеристиками Чебышева, неравномерностью в полосе пропускания dA=0,044 дБ, коэффициентом отражения 10%, расчётной полосой пропускания 2400 Гц, используется в качестве подчисточного фильтра в режиме SSB.
Рис. 12. Схема автогенератора.
Особенность этой схемы заключается в отсутствии катушки индуктивности. Её функции в этой схеме выполняет кварцевый резонатор. Возбуждается генератор вблизи частоты параллельного резонанса кварца, в зоне, где его реактивное сопротивление носит положительный индуктивный характер. Основное требование к резонаторам на данном этапе – близкие значения частоты, отклонение которой не должно превышать четверти полосы пропускания фильтра. В противном случае получить заданные характеристики будет довольно сложно.
При отборе кварцевых резонаторов обязательным параметром является Cs - статическая ёмкость резонатора, которую можно определить с помощью прибора МТ-4080А, MIC-4070D или т. п. При отсутствии подобных приборов можно воспользоваться несложным генератором, мостовой схемой и индикатором баланса (Рис. 13). Этот прибор позволяет измерить величины Cs и Rd.
Рис. 13. Прибор для измерения Cs и Rd.
ПРИМЕР:
Из партии кварцевых резонаторов выбираем 4 шт. с наиболее близкими параметрами:
Fo=8861,736 кГц; Cs =6,3 пФ; Rd=5,7 Ом.
С помощью программы рассчитываем четырехкристальный фильтр Баттерворта. При заданных исходных значениях:
Ld=15 мГн; dF=2265 Гц;
получили емкости связи в фильтре:
С2=С4=100 пФ; С3=155,5 пФ.
На макете по схеме рис. 16 или в реальном тракте приема трансивера с помощью ГКЧ настраиваем фильтр и измеряем полосу пропускания по уровню –3 дБ. Получили:
dF=3363 Гц.
В программе, изменяя исходные значения только Ld и dF, добиваемся в результатах расчетов:
С2=С4=100 пФ; С3=155,5 пФ; dF=3363 Гц.
Все параметры совпали при:
Ld=10,1 мГн.
Это значение динамической индуктивности кварцевого резонатора следует считать истинным и использовать его в дальнейших расчетах фильтров.
При изготовлении фильтра можно использовать технологию, когда кварцевые резонаторы крепятся пайкой на плату из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита выводами вверх, а все конденсаторы фильтра монтируются между этими выводами и заземляющей поверхностью платы (Рис. 14а).
Рис. 14. Конструкция кварцевого фильтра.
Рис. 15. Генератор качающейся частоты.
Особое внимание следует уделить согласованию фильтра с каскадами УПЧ. В процессе экспериментов с различными схемами включения фильтров, была выбрана наиболее оптимальная с точки зрения получения заданной АЧХ и минимального затухания. Такая схема представлена на рис. 16.
Рис. 16. Согласование кварцевого фильтра и УПЧ.
АЧХ1 - Rн=Rопт; АЧХ2 - Rн Rопт.
Рис. 17. Зависимость АЧХ от согласования нагрузок.
Следующий за фильтром каскад усиления на полевом транзисторе имеет большое, порядка десятка килоом, сопротивление, которое слабо изменяется при изменении коэффициента усиления. Поэтому рекомендуется регулируемые каскады устанавливать после фильтра. Для уменьшения коэффициента шума этого каскада первый затвор следует включить непосредственно в контур. Наличие разделительной емкости и высокоомного делителя, задающего режим транзистора по первому затвору, увеличивает напряжение шумов усилителя промежуточной частоты. В усилителях на полевых транзисторах серии КП306, КП350 для обеспечения оптимального режима работы каскада в цепи истока потребуется стабилизированное отрицательное смещение порядка –3…-5 В. Для этой цели можно использовать интегральные стабилизаторы 79L05 или цепочку из нескольких диодов с минимальным дифференциальным сопротивлением типа КД409 или т.п. [10].
На рис. 18, 19 и 20 приводятся реальные амплитудно-частотные характеристики рассчитанных, изготовленных и настроенных фильтров. Результаты настройки фильтров с высокой точностью совпали с результатами расчётов этих фильтров. Это лишний раз показывает, что не только серьезные фирмы с всемирной известностью могут создавать качественные кварцевые фильтры с заданными параметрами. При наличии некоторых навыков работы с паяльником и измерительными приборами радиолюбитель средней квалификации может удовлетворить свои потребности в одном из самых значимых узлов своей аппаратуры – кварцевом фильтре. Причем это ему обойдется как минимум в несколько раз дешевле, нежели приобретение его в сети розничной торговли.
Рис. 18. АЧХ фильтра Т04-10-2400.
Рис. 20. АЧХ фильтра В06С-760.
Кварцевый резонатор - структура, принцип работы, как проверить
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 конденсатора и катушки индуктивности, 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.
Так, благодаря высоким показателям температурной стабильности и добротности, кварцевые резонаторы применяются всюду в радиотехнике и цифровой электронике.
Для задания микроконтроллеру или процессору 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 — пьезоэлектрический эффект, 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.
От типа среза зависит многое: частота, температурная стабильность, устойчивость резонанса и отсутствие либо наличие паразитных резонансных частот. На пластинку затем наносят с обеих сторон по слою металла, коим может быть никель, платина, серебро или золото, после чего жесткими проволочками крепят пластинку в основание корпуса кварцевого резонатора. Последний шаг — корпус герметично собирают.
Так получается колебательная система, обладающая собственной резонансной частотой, и кварцевый резонатор, полученный таким образом, обладает собственной резонансной частотой, определяемой электромеханическими параметрами.
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.
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.
Вы публикуете как гость. Если у вас есть аккаунт, авторизуйтесь, чтобы опубликовать от имени своего аккаунта.
Примечание: Ваш пост будет проверен модератором, прежде чем станет видимым.
Последние посетители 0 пользователей онлайн
Посмотрел список литературы. Улыбнулся. Всё, что появляется в интернете,по лампам, более менее удачный пересказ первоисточников.
Фантастика) есть формула частоты среза входного фильтра 1/2*3.14* R*F - далее усе от самого параметра ёмкости - собираем умзч и усе равно крутим к нему тембр блок, так может в этом дело?) имхо. поставлю ёмкость в 10 мкф - меньше не нашёл, алиэкспрес)
По последним комментариям, в целом понятно что контингент здесь обитает. Спасибо за советы, пойду лучше посмотрю уральских пельменей, подтяну юмор)
Вообще неплохо бы для начала подключать выключенный генератор к выключенному усилку потом включать усилитель потом генератор. А не к включенному усилку такой же генератор да ещё и по одной клемме. Странно что там все потроха вообще не повыгорели наглухо. Зы. А сколько у него напряжение питания? У усилка я имею ввиду.
Кварцевые резонаторы: назначение, применение, принцип работы, особенности использования
Современная цифровая электроника, изобилующая микропроцессорами и микроконтроллерами, просто немыслима без тактовых колебаний. А где получение тактовых колебаний — там функционирование генератора и колебательной системы, и где колебательная система — там обязательно проявляют себя и явление резонанса и такой важный параметр как добротность. Здесь то и знакомимся мы с кварцевыми резонаторами (генераторами).
Кварцевый резонатор (кварц) — генератор электромагнитных колебаний с высокой степенью постоянства частоты, в котором используются пьезоэлектрические и механические свойства кварцевой пластинки.
По принципу работы кварцевый резонатор является автогенератором с кварцевой стабилизацией частоты. Такие генераторы применяется как высокостабильный генератор задающий в измерительной аппаратуре, эталонах частоты и времени, кварцевых часах, а также в различной электронной аппаратуре.
Недостаток кварцевых резонаторов заключается в том, что он может генерировать только на фиксированных частотах, определяемых резонансной частотой кварца, и практически не допускает перестройки частот.
Все схемы кварцевые резонаторы подразделяются на две большие группы в зависимости от того, какой вид резонанса кварца (параллельный или последовательный) в них применен. Наибольшее распространение получили схемы кварцевые резонаторы, в которых кварц работает вблизи своей частоты параллельного резонанса.
Итак, кварцевый резонатор в электронной схеме выступает непревзойденной альтернативой любому колебательному контуру, состоящему из конденсатора и катушки индуктивности. Суть в высочайшей добротности кварцевых резонаторов. Тогда как хороший LC-контур достигает добротности 300, добротность кварцевого резонатора может доходить до 10000000. Как видим, превосходство составляет десятки тысяч раз. Таким образом, ни один колебательный контур не сравнится с кварцевым резонатором по добротности.
Что и говорить о влиянии температуры на резонансную частоту. Резонансная частота того же колебательного контура сильно зависит от ТКЕ (температурного коэффициента емкости) входящего в него конденсатора. Кварц же обладает очень высокой температурной стабильностью, именно по этой причине кварцевые резонаторы прочно удерживают свои позиции в роли источников колебаний для генераторов тактовой частоты различного назначения.
Как работает кварцевый резонатор
Чтобы понять как устроен и работает кварцевый резонатор, достаточно вспомнить о том, что такое пьезоэлектрический эффект. Представьте себе пластинку низкотемпературного кварца (диоксид кремния), вырезанную из кристалла определенным образом. То, под каким углом данная пластинка вырезана из кристалла, определяет электромеханические свойства изготавливаемого резонатора. Теперь на эту пластинку с двух сторон прикрепляют электроды, путем нанесения слоев никеля, платины, золота или серебра, а к ним присоединяют жесткие проволочные выводы. Всю конструкцию помещают в небольшой герметичный корпус.
Итак, получилась электромеханическая колебательная система, обладающая (благодаря природным особенностям низкотемпературного кварца) пьезоэлектрическим эффектом, и имеющая собственную резонансную частоту.
Если теперь на электроды подать переменное напряжение, частота которого близка к резонансной частоте полученной колебательной системы, то пластинка начнет механически сжиматься-расширяться с максимальной амплитудой, причем благодаря пьезоэлектрическому эффекту, чем ближе частота прикладываемого напряжения к резонансу — тем меньше будет сопротивление резонатора. В этом и заключается сходство кварцевого резонатора с высокодобротным колебательным контуром. Получился по сути аналог последовательного LC-контура.
Особенности кварцевого резонатора
Кварцевый резонатор можно представить в виде эквивалентной схемы, в которой C0-это монтажная электроемкость, образуемая металлическими выводами-держателями и электродами. C1, L и R – это емкость, индуктивность и активное сопротивление непосредственно пластинки с электродами, как аналога реального колебательного контура, получаемого за счет электромеханических свойств пластинки.
Если исключить из схемы монтажную емкость C0, то получится в явном виде последовательный колебательный контур. Что же касается обозначения резонатора на схеме, то он похож на конденсатор с прямоугольником, символизирующим кристалл кварца, между обкладками.
В процессе монтажа и демонтажа кварцевых резонаторов на платы путем пайки, следует помнить, что перегрев кварца выше 573°C чреват утратой кристаллом пьезоэлектрических свойств.
Читайте также: