Кварцевый резонатор на материнской плате для чего

Обновлено: 01.07.2024

Кварцевый резонатор это тактовый "двигатель" для МК - т. е. под каждый такт резонатора МК выполняет одну операцию. Для PIC МК 4 такта резонатора это один машинный цикл, за который обрабатывается одна команда из программной памяти. Ясно, что чем больше будет частота кварца, тем быстрее будет работать микроконтроллер, главное что бы эта частота не выходила за допустимый для этого МК предел.

Если у МК максимальная частота 20 мгц то это значит, что максимальная частота кварца, подключенного к нему не должна быть больше 20. Слово "разгон" в случае МК малозначимо и непременимо!

кварц нужен для стабилизации частоты и
как генератор частоты всего устройства ( МК) Стабилизация частоты резонансным каскадом. Заменой кварцевого резонатора на другой в допустимых пределах можно уменьшать (увеличивать) частоту задающего генератора электронного устройства.

Кварц в МК нужен для получения стабильной тактовой частоты. Совсем необязательно это может быть кварц. Для многих МК возможно подключение внешней частотозадающей RC-цепи, некоторые позволяют включить внутреннюю частотозадающую RC-цепь (включается установкой соответствующих опций при программировании МК) . Однако, если временнЫе параметры МК важны - таки, необходимо включение всё-таки внешнего кварцевого резонатора. При цене современных резонаторов, сравнимой с ценой качественных конденсаторов, это совсем не больно. Выбором частоты резонатора или параметрами RC-цепи можно выставить любую тактовую частоту МК в пределах рабочей полосы, оговорённой разработчиком (изготовителем) МК.

С частотными параметрами МК, извиняюсь, не отвечу - оставлю на совести разработчиков схем и программистов. Я разве что по части готовый дамп в МК зашить.. . И уже отработанную кем-то конструкцию собрать. Одно скажу - если паспортная максимальная частота работы МК 200 МГц, то с кварцем или без кварца его работа на этой частоте - не РАЗГОН, а штатный режим работы. Разгон - это повышение частоты СВЕРХ паспортной. Т. е, если ты МК с макс тактовой частотой 200 Мгц попытаешься прилепить резонатор 250 МГц - вот это уже будет разгон, и, скорее всего, чтобы сохранилась работоспособность МК на этой частоте, придётся принять какие-то дополнительные меры.

Кварцевый резонатор является электронным прибором, построенным на пьезоэффекте, а также механическом резонансе. Применяется радиостанциями, где задает несущую частоту, в часах и таймерах, фиксируя в них интервал в 1 секунду.

Что это такое, и зачем он нужен

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

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

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

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

Приборы используются сегодня в:

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

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

Их работа зависит от надежности схемы включения, влияющей на:

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

Свойства кварцевого резонатора

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

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

Кварцевые резонаторы имеют и недостатки:

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

Принцип работы кварцевого резонатора

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

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

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

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

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

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

Обозначение кварцевого резонатора на электрической схеме

Как проверить кварцевый резонатор

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

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

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

Кварцевые резонаторы нашли самое широкое применение в электронике. Их можно найти в 90% бытовой техники. Но мало кто из нас знает, что это за прибор, для чего нужен и где конкретно применяется. В данной статье я постараюсь устранить этот пробел, не затрагивая высоких материй.

Устройство и принцип работы

Кварцевый резонатор, на сленге электронщиков именуемый «кварц», представляет собой пластинку того или иного размера, вырезанную из монокристалла кварца. На пластинку методом напыления нанесены два электрода. Сам кристалл крепится в специальных подвижных держателях, которые одновременно являются выводами.

На фото цифрами обозначены:

1 – кварцевая пластина;
2 – токопроводящее напыление;
3 – держатель;
4 – вывод.

При подаче на резонатор напряжения за счет обратного пьезоэлектрического эффекта пластина изгибается или растягивается - все зависит от того, в какой плоскости кристалла кварца она была вырезана.

Деформация кварцевой пластины при подаче на нее напряжения Деформация кварцевой пластины при подаче на нее напряжения

На самом деле видов деформации больше – сдвиг по толщине, контуру, камертонный сдвиг и т.п. Все зависит от угла среза кристалла относительно его кристаллографических осей.

При совпадении частоты подаваемого на выводы резонатора напряжения с резонансной частотой кристалла, амплитуда деформации последнего становится максимальной. При этом благодаря пьезоэлектрическому эффекту сам кристалл на электродах наводит дополнительную ЭДС. В таком режиме кристалл становится аналогом колебательного LC контура. Причем добротность этого контура очень высока – намного выше любой LC цепочки.

Стоит частоте немного «уйти», как кварц выйдет из резонанса и энергозатраты на поддержание его колебаний существенно увеличатся. Но пока уход частоты невелик, кварц находится в резонансе и заставляет генератор поддерживать эту частоту, требуя для поддержания колебаний минимум энергии.

Факт. Таким образом, кварцевый резонатор благодаря исключительно высокой добротности является высокоточным стабилизатором колебаний генератора, заставляя его работать на строго заданной частоте.

Какова резонансная частота кварцевого резонатора? Все будет зависеть от угла среза кристалла, геометрических размеров пластины, ее веса и применения тех или иных технологических приемов, которых множество. То есть этот параметр закладывается при производстве кварца и не может быть произвольно изменен. Сегодня промышленность выпускает кварцы на самые различные частоты – от десятков килогерц до десятков мегагерц.

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: