Кое-что о кварцевых резонаторах
Кварцевые резонаторы... Элементы, которые позволяют приемникам и передатчикам "разговаривать на одном языке", точнее, "на одной волне". С этими хрупкими и нежными радиодеталями рано или поздно приходится сталкиваться каждому моделисту RC-шнику. И каждый моделист должен знать, как подобрать оптимальный комплект кварцев для своей аппаратуры.
Кристалл кварца обладает очень интересным свойством, которое в физике называется "пьезоэлектрическим эффектом". Он способен деформироваться под воздействием электрического напряжения, приложенного к граням его кристаллической решетки. И наоборот, при деформации кристалла под воздействием внешней механической силы, на гранях его кристаллической решетки возникает разность потенциалов. Наряду с этим, химически чистый кристалл кварца, распиленный вдоль осей кристаллической решетки на тонкие пластины или брусочки, имеет ярко выраженные резонансные свойства. Эти две особенности кварцевых пластин и лежат в основе радиоэлектронного прибора, который называется кварцевым резонатором. При совпадении частоты приложенного к кварцу переменного высокочастотного напряжения с одной из его собственных механических резонансных частот, возникает явление электромеханического резонанса, приводящее к резкому увеличению электрической проводимости, а точнее, к изменению динамического сопротивления кристалла.
Кварцевые резонаторы могут быть разной конструкции, иметь различную "упаковку" (разные типы корпусов - пластмассовые, стеклянные, металлические, самых разных форм и размеров), но все они предназначены для стабилизации частоты в радиоэлектронных устройствах. Нас в первую очередь интересуют те разновидности кварцевых резонаторов, которые применяются в RC-аппаратуре. Так какие же конкретно параметры характеризуют кварцевый резонатор, или, как говорят обычно, "кварц"?
Прежде всего, это резонансная частота. Промышленностью выпускаются кварцы на резонансные частоты от сотен герц до сотен мегагерц. Кварцы, предназначенные для работы в низкочастотном диапазоне, обычно резонируют на основной, "фундаментальной" гармонике. Исходный кристалл (как правило, искусственный) при изготовлении таких резонаторов распиливается параллельно одной из осей кристаллической решетки. Для более высокочастотных резонаторов кристалл пилится по другим осям, а вот "гармониковые" кварцы, т.е. те, которые предназначены для работы на самых высоких частотах, вплоть до 150 - 300 МГц, изготавливают особенно тщательно, по сложной технологии, основанной на данных кристаллографии. После распиловки и контурной обработки заготовки на ее определенные грани методом вакуумного напыления наносятся тонкие слои серебра. Затем кварц устанавливают в кристаллодержатель (попросту - припаивают в строго определенные точки напыленного слоя серебра тонкие пружинные проволочки из серебряного или золотого сплава) и всю эту конструкцию помещают в герметичный корпус, из которого выкачивают воздух и заполняют его инертным газом. Все эти сложности необходимы для того, чтобы обеспечить долговременную стабильность электромеханических параметров резонатора. Очевидно, что такая сложная и "изящная" конструкция не может быть очень прочной. Именно поэтому с кварцами необходимо обращаться предельно аккуратно, оберегая их от случайных ударов и сильных вибраций.
Вернемся к резонансной частоте. Как уже было сказано, в основном она зависит от геометрии пластины. Особо прецизионные (сверхточные) кварцы в процессе производства "настраивают" на нужную частоту путем "припиловки" пластины, дополнительного напыления или травления уже напыленного токопроводящего слоя. Этот процесс может продолжаться несколько дней, а то и недель... Можно только предполагать выходную стоимость такого сверхточного прибора. В массовом производстве резонаторы, естественно, не настраивают. При подготовке к выпуску партии на определенную частоту, по кристаллографическим картам определяют базовые размеры заготовок, рассчитывают толщину напыляемого слоя, а по окончании всего технологического цикла всю партию отправляют на сортировку.
Допустим, изготовлена партия кварцев в количестве 5.000 штук на расчетную частоту 10.000.000 Гц. По допускам, кварц на "реперную", т.е. расчетную частоту может иметь отклонение (разброс) не более 0.00001%. На нашей частоте 10 МГц - это +/- 1 Гц. Таких кварцев в партии наберется всего штук 50, а то и меньше. Они, в итоге, будут самыми дорогими. Штук 100 - 200 "поместятся" в диапазон +/- 10 Гц относительно "нулевой" частоты. Эти кварцы тоже будут недешевы. 2.000 - 3.000 кварцев окажутся с допуском +/- 100 Гц, это так называемая стандартная "массовка". Каждый из этих резонаторов будет раз в 50 дешевле, чем "нулевые". Еще 1.000 кварцев будет иметь разброс +/-500 Гц, почти брак... А остальные при первой сортировке - просто брак. Я не оговорился - при первой сортировке. В последствии отбракованные кварцы будут еще неоднократно перебираться. Ведь кому-то наверняка может потребоваться кварц на частоту 9.998.731 Гц или 10.003.194 Гц... Но никто не станет специально делать такие "кривые" резонаторы, вот их и выбирают из "отбракованных". Конечно, на самом деле сортировка проводится несколько иначе.
У кварцев есть еще несколько важных параметров, о которых нельзя не сказать. Мы просто перечислим некоторые из них, не вдаваясь в подробности.
Термостабильность - зависимость частоты кварца от температуры. Понятно, что чем меньше частота изменяется от температуры, тем лучше. Долговременная нестабильность - старение кварца (хотя, честно говоря, "старый" кварц, как и конь, "борозды не испортит", ведь у него уже все "перебурлило").
Добротность - отношение резонансной частоты к полосе пропускания. Обладая самой высокой добротностью Q ~ 100.000 - 10.000.000 (сравните: добротность колебательного LC-контура не превышает 100, пьезокерамики -1.000), кварцевые резонаторы имеют также высокую температурную стабильность и низкую долговременную нестабильность частоты (0.000001 - 0.00000001 за 10 - 25 лет).
Ну и конечно, способность резонировать на высших гармониках. Этот параметр иногда называют "модой" генерации. И хотя кварцы выпускаются на все нечетные гармоники (моды) с 1 по 9 (и даже 11 - 13), нас интересуют только те, которые устойчиво работают на 3-й гармонике.
Итак, в RC-аппаратуре используются миниатюрные кварцевые резонаторы в плоском металлическом корпусе размером примерно 5 х 12 х 14 мм с жесткими выводами диаметром 1.0 мм и длиной 6 мм. Все RC-кварцы работают на 3-й гармонике. И если на корпусе кварца указана частота 40.685 МГц - это частота именно 3-й гармоники. Кроме того, все фирменные кварцы имеют маркировку с номером частотного канала. К примеру, кварцы на 81 канал для FM передатчиков маркируются как 81 FM Tx (или Т -Transmitter, передатчик) 40.815, а кварцы для приемников - 81 FM Rx (или Receiver, приемник) 40.815. Иногда вместо FM указывают SSM - эта маркировка встречается на немецкой аппаратуре Graupner. Кроме того, на кварцах для приемников указывают, какой "системы" приемник: с одним или двумя преобразованиями частоты. Кварцы для РРМ и РСМ аппаратуры ничем не отличаются друг от друга и обычно взаимозаменяемы. Кварцы для АМ аппаратуры вместо FM или SSM маркируются как АМ. Принципиального отличия между кварцами для АМ и FM аппаратуры тоже нет. Правда АМ-ные кварцы, по нашим оценкам, имеют больший разброс по частоте, дальше мы расскажем об этом подробнее.
Внимание! Необходимо иметь в виду, что цифры в маркировке RC-кварцев указывают частоту, на которой происходит передача сигнала (т.е. "канальную" частоту). Следовательно, частота, указанная на маркировке, истинна только у кварцев для передатчиков! Фактическая частота гармонического резонанса приемного кварца обычно на 455 кГц ниже (меньше), чем указано на его корпусе. Это касается приемников с одним преобразованием частоты. Частота кварца для приемника с двойным преобразованием ниже рабочей частоты передатчика (и частоты, указанной в маркировке) на 10.7 МГц! Кроме того, следует иметь в виду, что некоторые типы аппаратуры строятся по принципу промежуточного умножения частоты. Это значит, что задающий генератор передатчика генерирует сигнал с частотой в два или в три раза ниже канальной частоты (частоты, указанной на корпусе RC-кварца) , а в последующих каскадах происходит умножение частоты в нужное количество раз. Так что - не верь глазам своим...
Выше мы рассмотрели пример сортировки кварцев на частоту 10.000.000 Гц. Точно также происходит сортировка и отбор кварцев на любую другую частоту с "целыми" килогерцами, допустим, на частоту 13.560 кГц или 13.565 кГц. А вот кварцы на частоту 13561666,667 Гц (это частота первой гармоники кварца для передатчика на 52 канал) наверняка специально не выпускают, а выбирают из числа отбракованных. Именно поэтому практически не встречаются RC-кварцы генерирующие точно на частоте, указанной в сетке частот. Всегда есть небольшой "разбег" в ту или иную сторону. На практике этот разбег может достигать +/- 1 - 2 кГц, а иногда даже +/- 5 кГц! Насколько это страшно? Если частота гетеродина приемника "сдвинута" в ту же сторону и на такую же величину, что и у кварца передатчика, - это абсолютно не страшно. Самое главное, чтобы этот "выбег" не достиг частоты соседнего канала, на котором может работать аппаратура вашего товарища.
При рассмотрении блок-схемы приемника в статье "Радиоприемные и декодирующие RC-устройства" мы выяснили, что разница между частотой передатчика и частотой гетеродина приемника со стандартной ПЧ, должна быть 455 кГц. Это идеальный вариант. В реальных условиях этого достичь сложно. А нужно ли? Посмотрим АЧХ реального пьезофильтра на частоту 455 кГц с полосой пропускания +/-3 кГц (это очень хороший фильтр).
Рис. Спектрограмма сигналов на входе фильтра ПЧ
На спектрограмме черным цветом изображена АЧХ пьезофильтра типа CFWМ455Н. Красным цветом показан "спектр" сигнала передатчика, несущая частота которого отличается от частоты гетеродина ровно на 455 кГц. Разумеется, у этого сигнала самые благоприятные условия для прохождения "полосы препятствий" - фильтра ПЧ. Синим цветом изображен сигнал передатчика, частота которого отличается от частоты гетеродина на 456.5 кГц, т.е на 1.5 кГц больше оптимальной. Без всякого сомнения этот сигнал также пройдет через ФПЧ, будет демодулирован и расшифрован декодером. Одновременная работа "красного" и "синего" передатчиков недопустима, т.к. приведет к взаимным помехам. А вот "зеленый" сигнал (на 5 кГц ниже оптимального) скорее всего не достигнет декодера, но очень сильно помешает как "красному", так и "синему". И только "желтый" сигнал, отстоящий от центральной частоты ФПЧ на 10 кГц, несмотря на более высокий уровень и более широкий спектр, окажется "за бортом" и нисколько не помешает работе любого другого сигнала.
Реальные эксперименты с несколькими комплектами аппаратуры Futaba FC-18V3+, Attak-4, Graupner MC-314 и Hitec Focus в диапазоне 40 МГц показали работоспособность всех испытанных комплектов при относительной "расстройке" кварцев приемника и передатчика до 2.5 кГц. Самым "непривередливым" оказался приемник из комплекта Hitec Focus - он продолжал уверенно работать при "расстройке" кварцев до 4.5 кГц. Маркировка на пьезофильтре у этого конкретного приемника была стерта, и мы не знаем фактическую полосу пропускания ФПЧ. Скорее всего, там был установлен фильтр М455 с последней буквой F или I. Только не стоит обольщаться подобной "непривередливостью". Широкая полоса пропускания ФПЧ, позволяющая использовать кварцы с большим отклонением частоты, резко ухудшает помехозащищенность приемника. Рано или поздно это приведет к тому, что приемник "поймает" сигнал помехи, а за этим последует отказ аппаратуры и потеря модели...
В ходе экспериментов было выявлено 2 кварца, частота которых "плыла" при прогреве весьма значительно (выбег частоты после 20 минутного прогрева в рабочем режиме у одного кварца составил 13 кГц, у второго - почти 23 кГц!). Как говорится, на таком кварце можно взлететь, но приземлиться после нескольких минут полета уже не удастся. Еще несколько кварцев имели не такой значительный, но также заметный выбег от прогрева, что называется "на грани фола" - в пределах 3-5 кГц. Справедливости ради отметим, что только "фирменные" кварцы от Futaba FC-18, не вызвали серьезных нареканий - относительная и абсолютная "расстройка" не более 800 Гц. Это подтверждает наши предположения, что "серьезные" модели аппаратуры "упаковываются" "серьезными" комплектующими.
Частоты кварцев в наших экспериментах измерялись частотомером Ч3-34 бесконтактным способом, т.е. внешние возмущения были сведены к минимуму. В качестве "приемной антенны" использовался отрезок обычного провода длиной около полутора метров, подсоединенный ко входу "В" частотомера. Расстояние между антеннами передатчика и частотомера было 15 - 20 см. Всего было опробовано более 30 кварцев разных производителей, от разных типов аппаратуры и на разные каналы. Все кварцы проверялись во всех комплектах аппаратуры по принципу "каждый с каждым".
Подводя итог, можно сделать следующие выводы:
Максимальная относительная расстройка кварцев передатчика и приемника не должна превышать 455 +/- 2.5 кГц.
Синхронная расстройка кварцев передатчика и приемника относительно "реперной" частоты канала не имеет большого значения и может достигать 5 кГц. При большей расстройке это уже будет другой (соседний) канал. Единственным недостатком этого вида "расстройки" следует считать повышенную вероятность взаимных помех при одновременной работе двух комплектов аппаратуры на соседних каналах (или "через" канал).
Большинство кварцев любых производителей подходит к любому типу аппаратуры и является взаимозаменяемыми.
Тем не менее, руководствуясь здравой логикой советуем приобретать только "подобранные" пары кварцев или, при наличии радиоизмерительной аппаратуры, подобный подбор производить самостоятельно с учетом приведенных выше рекомендаций
Отредактировано dankarela (21.11.2018 07:59:03)
