Опубликовано

Кварцевый резонатор обозначение на схеме

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.

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 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.

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.

Принцип действия

На пластинку, тонкий цилиндр, кольцо или брусок, вырезанные из кристалла кварца с определённой ориентацией относительно кристаллографических осей монокристалла нанесены 2 или более электродов — проводящие металлические полоски, выполненные напылением в вакууме или вжиганием плёнки металла на заданные поверхности кристалла.

Резонатор механически крепится в узлах рабочей моды колебаний, чтобы снизить потери колебательной энергии через крепление кристалла. Для иных мод колебаний узлы собственных колебаний расположены в иных местах кристалла и поэтому иные моды колебаний подавлены. Для рабочей моды колебаний кристалл имеет некоторую собственную резонансную частоту механических колебаний, причем на этой частоте добротность механического резонатора очень высока.

При подаче напряжения на электроды благодаря пьезоэлектрическому эффекту происходит изгиб, сжатие или сдвиг в зависимости от того, каким образом вырезан кристалл относительно кристаллографических осей, конфигурации возбуждающих электродов и расположения точек крепления.

Собственные колебания кристалла в результате обратного пьезоэлектрического эффекта наводят на электродах дополнительную ЭДС и поэтому кварцевый резонатор электрически ведёт себя подобно резонансной цепи, — колебательному контуру, составленному из конденсаторов, индуктивности и резистора, причем добротность этой эквивалентной электрической цепи очень велика и близка к добротности собственных механических колебаний кристалла.

Если частота подаваемого напряжения равна или близка к частоте собственных механических колебаний пластинки, затраты энергии на поддержание колебаний пластинки оказываются намного ниже, нежели при большом отличии частоты. Это тоже соответствует поведению электрического колебательного контура.

Эквивалентная электрическая схема

Условное обозначение кварцевого резонатора (сверху) и его эквивалентная схема (снизу)

По поведению в электрических цепях кварцевый резонатор можно в первом приближении представить в виде эквивалентной электрической схемы, изображённой на рисунке где:

C 0 {\displaystyle C_{0}} — собственная ёмкость кристалла, образуемая электродами на кристалле — обкладками конденсатора, где диэлектриком является сам кристалл и параллельно соединённой с этой ёмкостью паразитной ёмкостью кристаллодержателя и электрических выводов; C 1 {\displaystyle C_{1}} , L 1 {\displaystyle L_{1}} — эквивалентные ёмкость и индуктивность механической колебательной системы резонатора; R 1 {\displaystyle R_{1}} — эквивалентное сопротивление потерь механической колебательной системы.

Математически электрический импеданс в виде преобразования Лапласа можно по правилам параллельного и последовательного соединения двухполюсников записать:

Z ( s ) = ( 1 s ⋅ C 1 + s ⋅ L 1 + R 1 ) ‖ ( 1 s ⋅ C 0 ) , {\displaystyle Z(s)=\left({{\frac {1}{s\cdot C_{1}}}+s\cdot L_{1}+R_{1}}\right)\left\|\left({\frac {1}{s\cdot C_{0}}}\right)\right.,} где s = j ω {\displaystyle s=j\omega } — комплексная частота преобразования Лапласа, двумя вертикальными чертами обозначено параллельное соединение конденсатора C 0 {\displaystyle C_{0}} и цепи, состоящей из последовательно соединённых C 1 {\displaystyle C_{1}} , L 1 {\displaystyle L_{1}} , R 1 {\displaystyle R_{1}} ,

или:

Z ( s ) = s 2 + s R 1 L 1 + ω s 2 s ⋅ C 0 ⋅ ( s 2 + s R 1 L 1 + ω p 2 ) . {\displaystyle Z(s)={\frac {s^{2}+s{\frac {R_{1}}{L_{1}}}+{\omega _{\mathrm {s} }}^{2}}{s\cdot C_{0}\cdot (s^{2}+s{\frac {R_{1}}{L_{1}}}+{\omega _{\mathrm {p} }}^{2})}}.}

В такой эквивалентной схеме наблюдается два вида резонанса — последовательный, который наступает при равенстве реактивных сопротивлений X C 1 {\displaystyle X_{C_{1}}} и X L 1 {\displaystyle X_{L_{1}}} , при этом резонансе полное электрическое сопротивление (модуль импеданса) мало и практически равно R 1 {\displaystyle R_{1}} и параллельный резонанс, при котором равны полные сопротивления X L 1 {\displaystyle X_{L_{1}}} и полное сопротивление цепи, состоящей их последовательно соединённых пары конденсаторов X C 1 , C 2 {\displaystyle X_{C_{1},C_{2}}} , при этом полное сопротивление цепи велико, так как ток при резонансе протекает во внутреннем контуре, состоящем из всех двухполюсников эквивалентной схемы.

Резонансная частота последовательного резонанса ω s {\displaystyle \omega _{\mathrm {s} }} :

ω s = 1 L 1 ⋅ C 1 . {\displaystyle \omega _{\mathrm {s} }={\frac {1}{\sqrt {L_{1}\cdot C_{1}}}}.}

Резонансная частота параллельного резонанса ω p {\displaystyle \omega _{\mathrm {p} }} :

ω p = C 1 + C 0 L 1 ⋅ C 1 ⋅ C 0 = ω s 1 + C 1 C 0 . {\displaystyle \omega _{\mathrm {p} }={\sqrt {\frac {C_{1}+C_{0}}{L_{1}\cdot C_{1}\cdot C_{0}}}}=\omega _{s}{\sqrt {1+{\frac {C_{1}}{C_{0}}}}}.}

Измерением импеданса кварцевого резонатора на четырёх различных частотах после решения системы 4 уравнений можно определить параметры всех двухполюсников, входящих в эквивалентную схему. Практически, типичная ёмкость конденсатора C 1 {\displaystyle C_{1}} составляет десятые и даже сотые доли пФ, индуктивность L 1 {\displaystyle L_{1}} единицы-десятки Гн, сопротивление R 1 {\displaystyle R_{1}} — десятки-сотни Ом, паразитная ёмкость C 0 {\displaystyle C_{0}} — десятки пФ.

Так как волновое сопротивление R w = L 1 C 1 {\displaystyle R_{w}={\sqrt {\frac {L_{1}}{C_{1}}}}} при последовательном и параллельном резонансах очень велико относительно последовательного сопротивления R 1 {\displaystyle R_{1}} , это обеспечивает очень высокую добротность резонансной цепи, достигающей нескольких миллионов.

Так как практически C 0 ≫ C 1 {\displaystyle C_{0}\gg C_{1}} формулу для частоты параллельного резонанса можно упростить:

ω p = C 1 + C 0 L 1 ⋅ C 1 ⋅ C 0 = ω s 1 + C 1 C 0 ≈ ω s ( 1 + C 1 2 C 0 ) . {\displaystyle \omega _{\mathrm {p} }={\sqrt {\frac {C_{1}+C_{0}}{L_{1}\cdot C_{1}\cdot C_{0}}}}=\omega _{s}{\sqrt {1+{\frac {C_{1}}{C_{0}}}}}\approx \omega _{s}\left(1+{\frac {C_{1}}{2C_{0}}}\right).}

Опять же, так как C 0 ≫ C 1 {\displaystyle C_{0}\gg C_{1}} из формул следует, что частоты последовательного и параллельного резонансов очень близки, например, для типичных C 1 = 0 , 1 {\displaystyle C_{1}=0,1} пФ и C 0 = 10 {\displaystyle C_{0}=10} пФ для кварцевого резонатора в несколько МГц частоты резонансов различаются на 0,5 %.

Резонансную частоту последовательного резонанса ω s {\displaystyle \omega _{\mathrm {s} }} невозможно изменить подключением к кварцевому резонатору внешней цепи, так как индуктивность и ёмкость C 1 {\displaystyle C_{1}} , L 1 {\displaystyle L_{1}} эквивалентной схемы определяются собственным механическим резонансом кристалла.

Резонансную частоту параллельного резонанса можно снижать в небольших пределах, практически на доли процента, так как C 0 ≫ C 1 {\displaystyle C_{0}\gg C_{1}} и ёмкость C 0 {\displaystyle C_{0}} входит в формулу для частоты подключением к кварцевому резонатору внешнего конденсатора. Также возможно в малых пределах увеличить резонансную частоту подключением внешней катушки индуктивности, этот способ применяется редко.

Изготовители кварцевых резонаторов при их изготовлении механически юстируют резонансную частоту при некотором подключённом внешнем конденсаторе. Ёмкость конденсатора, обеспечивающего заявленную изготовителем частоту параллельного резонанса обычно указывают в спецификации на конкретный резонатор, без подключения этого внешнего конденсатора резонансная частота будет немного выше.

История

Кварцевый резонатор в герметичном стеклянном корпусе пальчикового бесцокольного исполнения Резонатор на 4 МГц в миниатюрном металлическом герметизированном корпусе HC-49/US Металлические корпуса разнообразных размеров

Пьезоэлектрический эффект был впервые открыт братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. Поль Ланжевен впервые практически использовал этот эффект в ультразвуковом излучателе и приемнике ультразвука в гидролокатора перед первой мировой войной.

Первый электромеханический резонатор, на основе сегнетовой соли, был изготовлен в 1917 году и запатентован в 1918 году Александром М. Николсоном (Alexander M. Nicholson) из компании Bell Telephone Laboratories, хотя его приоритет оспаривался Уолтером Гайтоном Кэди (Walter Guyton Cady), который изготовил кварцевый резонатор в 1921 году.

Некоторые улучшения в конструкцию кварцевых резонаторов предложены позже Льюисом Эссеном и Джорджем Вашингтоном Пирсом (George Washington Pierce).

Первые стабильные по частоте кварцевые резонаторы были разработаны в 1920—1930-х годах. Начиная с 1926 года, кварцевые резонаторы на радиостанциях стали использоваться в качестве элементов, задающих несущую частоту. В это же время резко возросло количество компаний, начавших выпускать кварцевые резонаторы, например, только до 1939 года в США было выпущено более чем 100 тыс. штук.

Применение

Одним из самых популярных видов резонаторов являются резонаторы, применяемые в часовых схемах и таймерах. Резонансная частота часовых резонаторов составляет 32 768 Гц; будучи поделённой на 15-разрядном двоичном счётчике, она даёт интервал времени в 1 секунду.

Применяются в генераторах с фиксированной частотой, где необходима высокая стабильность частоты. В частности, в опорных генераторах синтезаторов частот и в трансиверных радиостанциях для формирования DSB-сигнала на промежуточной частоте и детектирования SSB или телеграфного сигнала.

Также применяются в кварцевых полосовых фильтрах промежуточной частоты супергетеродинных приёмников. Такие фильтры могут выполняться по лестничной или дифференциальной схеме и отличаются очень высокой добротностью и стабильностью по сравнению с LC-фильтрами.

По типу корпуса кварцевые резонаторы могут быть выводные для объёмного монтажа (стандартные и цилиндрические) и для поверхностного монтажа (SMD).

Качество схемы, в которую входят кварцевые резонаторы, определяют такие параметры, как допуск по частоте (отклонение частоты), стабильность частоты, нагрузочная ёмкость, старение.

Преимущества

  • Достижение намного бо́льших значений добротности (104—106) эквивалентного колебательного контура, нежели любым другим способом.
  • Малые размеры устройства (вплоть до долей миллиметра).
  • Высокая температурная стабильность.
  • Большая долговечность.
  • Лучшая технологичность.
  • Построение качественных каскадных фильтров без необходимости их ручной настройки.

Недостатки

  • Чрезвычайно узкий диапазон подстройки частоты внешними элементами. На практике для многодиапазонных систем эта проблема решается построением синтезаторов частот различной степени сложности.

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 приборе

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).

Есть достаточно старый проект частотомера на ATMEGA8 и символьном дисплее 16×2. Предел измерения — до 40..50МГц с погрешностью менее 1%. Такой точности обычно более, чем достаточно. Помимо частоты умеет измерять период и скважность импульсов. Теоретически, если заменить микроконтроллер на ATMEGA48/88, то можно поставить кварц на 20 МГц и тогда максимальная измеряемая частота может быть увеличена до ~80 МГц (естественно, для этого придётся пересобрать прошивку).

Прибор имеет 9 режимов измерения:

  1. Измерение частоты с предделителем на 16, время измерения — 0.25 сек, результат в Гц.
  2. Измерение частоты без предделителя, время измерения — 0.25 сек, результат в Гц.
  3. Измерение периода следования импульсов и вычисление частоты на его основе, результат в 0.01 Гц.
  4. Изменение циклов в минуту (без предделителя), вычисляемых по измеренному периоду, результат в rpm.
  5. Измерение длительности полного цикла, результат в микросекундах.
  6. Измерение длительности высокого полупериода, результат в микросекундах.
  7. Измерение длительности низкого полупериода, результат в микросекундах .
  8. Длительность высокого полупериода в процентах.
  9. Длительность низкого полупериода в процентах.

Схема

Исходная схема прибора была доработана следующим образом (схема кликабельна):

  1. Добавлен альтернативный входной формирователь (блок Analog-1), схема найдена на просторах интернета (к сожалению, не смог определить первоисточник). Имеет вход для проверки кварцевых резонаторов (работает с кварцами от 1МГц до 40МГц). Исходный входной формирователь тоже сохранён (блок Analog-2) и разведён на печатной плате, но распаять можно только один из этих формирователей.
  2. Переменный резистор выбора режимов заменён на более долговечный энкодер
  3. Питается прибор от USB. На вход добавлены LC-фильтр помех и предохранитель
  4. RS232 и преобразователь MAX232 из схемы убраны, вместо них добавлен разъём для подключения преобразователя USB-UART для связи с ПК (если захочется управлять прибором с ПК)
  5. Вольтметр 0..5В из исходной схемы также убран, т.к., учитывая обилие дешёвых китайских мультиметров, смысла в нём не видится никакого.

Аналоговый входной сигнал поступает на усилитель, а затем на формирователь на основе триггер Шмитта 74HCT132. Далее, этот сигнал подаётся на вход микроконтроллера непосредственно, либо через делитель на 16, выполненный на 74HCT93. Делитель этот управляется сигналом от пина PC5: высокий уровень на пине отключает предделитель, низкий уровень, соответственно, включает деление на 16.

Микроконтроллер подключён по типовой схеме и тактируется от кварцевого резонатора 16 МГц. Кстати, о кварце — его качество (точность, термостабильность) целиком определяет точность прибора. Т.е., возникает проблема добычи эталонного кварца (ну или точное измерение его частоты с последующим введением поправки в вычислении). Но об этом чуть позже..

Я не стал разводить на плате разъём ISP-программатора, т.к. микросхема всё равно стоит на панели, а для обновления прошивки можно использовать загрузчик. Неиспользуемые выводы микроконтроллера разведены так, что в будущем к ним можно было что-нибудь подключить. Например, джампер для активации того же bootloader-а. Или термодатчик, чтобы в будущем учитывать температурное изменение частоты кварцевого резонатора. Или ещё что-нибудь. Все выводы от miniUSB-разъёма также разведены на плате. Это сделано для того, чтобы можно было легко установить USB-UART-преобразователь внутри прибора (если он будет нужен).

Корпус

Корпус для частотомера был распечатан на 3D-принтере, для чего спроектирована 3D-моделька. Верхняя часть состоит из двух деталей — основы и части для дисплея.



Отверстия на лицевой панели вырезаны не да конца — умышленно оставлен один слой пластика (0.35мм). Это сделано для того, чтобы заливка лицевой поверхности была равномерной, без обводных контуров вокруг отверстий. Пластик над отверстиями легко убирается при помощи ножа и напильника. Корпус я печатал из ABS, части склеивал при помощи ацетона с растворённым пластиком. Сам корпус также был обработан ацетоном (прошёлся пару раз кисточкой).

На фрагменте под дисплей также намечено прямоугольное отверстие для 3-пинового разъёма цифрового входа. Да, вообще, этот разъём должен быть 2-пиновый, но тогда было бы не понятно, где у него «земля», а где вход. Чтобы не делать пояснительных надписей на лицевой панели, добавлен третий контакт. Так получаятся, что то вход по центру, земля — по краям, запомнить просто. Либо, как вариант, сюда можно вывести напряжение +5В. Например, для приставки-измерятора частоты часовых кварцев.

Архив с 3D-моделями можно скачать в конце статьи. Для нижней части корпуса есть дополнительный вариант с тонкими термостенками по периметру, чтобы основная модель медленнее остывала, для предотвращения загибания пластика по углам при печати ABS-ом. В архиве так же есть файл модель стойки для крепления дисплея к печатнйо плате.

Собранное устройство в корпусе выглядит так (вставлен кварц на 20 МГц):

Точность прибора

Основным фактором, влияющим на точность частотомера является точность используемого кварцевого резонатора. Т.е., имеем проблему добывания где-то эталонного кварца. При производстве кварцы разделяются на группы по отклонению их частоты от заявленной. Разумеется, стоимость у резонаторов с минимальным отклонением будет намного выше, чем у остальных. Все точные кварцы будут использованы в критичном оборудовании, менее точные — в менее критичном оборудовании, а весь оставшийся «мусор» с максимальным отклонением частоты будет распродан где-нибудь на Алиэкспрессе по 50 рублей за ведро.

Кроме точности частоты, не меньшее значение имеет её термостабильность. Если температура в помещении в течение года может изменятсья в диапазоне около 15°С, то и частота резонатора может значительно «уплывать».

Для достижения максимально высокой точности измерения потребуется либо точный кварц на 16 МГц, либо другой поверенный частотомер, которым можно будет измерить реальную частоту используемого кварца и сделать на это поправку (в коде прошивки, либо вручную пересчитывать результат измерений).

Но как быть, если нет ни первого, ни второго? Тут мне видится такое решение: вместо эталонного источника частоты можно использовать системные часы компьютера. Если часы синхронизируются по протоколу NTP, а в версии 4 этот протокол способен обеспечить точность до 10 мс (1/100 с) при работе через Интернет (и до 0.2 мс и лучше внутри локальных сетей). Имея такой точный источник времени, можно написать прошивку, реализующие часы для частотомера. Если запустить такие часы на длительное время, то погрешность их хода будет накапливаться, и рано или поздно достигнет легко измеряемой величины. Тогда не составит труда вычислить погрешность кварца по погрешности хода часов, что позволит либо попробовать отобрать кварц с частотой, максимальной близкой к 16МГц, либо скомпилировать прошивку для измеренной частоты кварца. Вообщем, пока есть такие планы на будущее..

Излишки печатных плат есть в магазине сайта.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *