Spis treści:
Rezonatory kwarcowe to elementy wykorzystywane w elektronice do zachowania precyzji w odmierzaniu czasu.
Rezonatory kwarcowe - co to jest?
Każdy zegarek oraz komputer zawiera rezonator kwarcowy. To element wykorzystywany w elektronice, który ma za zadanie generować jednostajną częstotliwość drgań. Odnosząc się do niej, można precyzyjnie odmierzać czas do różnych celów – zarówno w zegarkach naręcznych dla informacji użytkownika, jak i w komputerach do synchronizacji sygnałów cyfrowych.
W elektronice czasami stosuje się w podobnych celach tak zwane układy dyskretne, które wykorzystują kondensatory, rezystory i tranzystory. Należy pamiętać, że takie rozwiązanie daje znacznie gorsze rezultaty przez zmiany temperatury, wilgotności czy po prostu wartości parametrów zasilania.
Generatory używane do zegarów czy w procesorach muszą wykazywać się znacznie większą stabilnością i odpornością na warunki zewnętrzne. Generatory kwarcowe wyróżniają się takimi cechami.
Inne rodzaje rezonatorów
W elektronice korzysta się także z rezonatorów ceramicznych. Warto zaznaczyć, że te oferują znacznie mniejszą dokładność, dlatego nie są wykorzystywane w procesorach czy zegarach. Dokładność jest w przybliżeniu niższa o około dwa rzędy PPM (Parts Per Milion) w porównaniu do tej oferowanej przez rezonatory kwarcowe. W konsekwencji przybliżona dokładność generatora ceramicznego wynosiłaby około 0,5%. Tego rodzaju generatory znajdują zastosowanie na przykład w zabawkach lub innych urządzeniach, które nie wymagają wysokiej precyzji.
Innym przykładem generatorów są rezonatory krzemowe – te również nie są stabilne, natomiast ich dużą zaletą jest możliwość łatwego programowania częstotliwości, z jaką będą drgały.
Jak działa rezonator kwarcowy?
Rezonator kwarcowy z perspektywy elektronika to najczęściej niewielki element z dwoma, trzema lub czterema wyprowadzeniami, który jest w stanie wygenerować równe drgania o wysokiej precyzji. W rzeczywistości wewnątrz obudowy takich generatorów znajduje się bardzo starannie wycięty kawałek kwarcu (dwutlenku kwarcu). Wysoka dokładność jest w tym przypadku kluczowa, ponieważ określona częstotliwość drgań jest zależna właśnie od rozmiaru i kształtu wyciętego elementu kwarcu. Ten może drgać w przedziale od kilkudziesięciu kHz do nawet kilkuset MHz.
Na dwóch końcach powstałego fragmentu kwarcu element zostaje „napylony” metalem, a następnie w tych miejscach tworzone są wyprowadzenia. Kwarc pod wpływem podłączonego zasilania zaczyna drgać. Zawsze są to jednak wartości różne od częstotliwości takich jak sekunda czy minuta.
Standardowo stosowany w zegarkach rezonator kwarcowy generuje częstotliwość 32 768 Hz. Akurat taka wartość jest korzystna, ponieważ po odpowiednim podzieleniu tak częstych drgań łatwo można wyłonić z nich czas o długości jednej sekundy.
Wysoce precyzyjne rezonatory kwarcowe, czyli jak zwiększyć dokładność do maksimum
Wysoka dokładność rezonatorów kwarcowych używanych w zegarach czy w procesorach to nie jest szczyt możliwości, jaki można osiągnąć. Większa dokładność zazwyczaj nie jest po prostu potrzebna, ale da się ją uzyskać. Rezonatory kwarcowe mają wysoką odporność na zmiany temperatury otoczenia, jednak mimo wszystko ta ma znikomy wpływ na częstotliwość drgań. Jeżeli zachodzi taka potrzeba, to powstają specjalne pojemniki, w których utrzymywana jest niezmienna temperatura sterowana elektronicznie.
Kolejnym czynnikiem destabilizującym rezonator są zmiany położenia – ma to niewielki wpływ na częstotliwość, ale mimo wszystko na tyle istotny, że wyeliminowanie tego czynnika poprawia wyniki generatora. Rezonator umieszczany jest na przykład na platformie, do której przytwierdzony jest akcelerometr lub żyroskop (lub oba naraz). Oprócz tego do platformy musi być przytwierdzony także układ, który niweluje w czasie rzeczywistym wszelkie zmiany położenia (na przykład silniczki elektryczne sterujące platformą). W ten sposób zmiany siły ciążenia nie mają wpływu na rezonator kwarcowy, dzięki czemu ten staje się znacznie bardziej precyzyjny.
Zastosowanie rezonatorów kwarcowych
Rezonatory kwarcowe to elementy elektroniczne, które zaczęto na szerszą skalę wykorzystywać w latach 20. XX wieku. Obecnie najczęściej stosuje się je w układzie Pierce’a, rzadziej w układach Butlera. Elektronicy korzystają często z prostych rezonatorów kwarcowych, które mają dwa wyprowadzenia z obudowy, ale nierzadko wykorzystuje się też wygodniejsze modele – te mają cztery wyprowadzenia: zasilanie, masę, wyprowadzenie na sygnał wyjściowy oraz wejście na sygnał włączający i wyłączający element.
Rezonatory kwarcowe używane są do różnych zastosowań – przede wszystkim do zegarów dla mikroprocesorów (a więc znajdują się praktycznie w każdym komputerze) oraz we wszelkiego rodzaju zegarach. Są także niezbędne do synchronizacji sygnałów cyfrowych, takich jak sygnał audio – oznacza to, że są potrzebne do poprawnie działającego portu USB lub HDMI.
Jedna odpowiedź
“Standardowo stosowany w zegarkach rezonator kwarcowy generuje częstotliwość 32 768 Hz.”
Jest to pierwsza potęga dwójki powyżej słyszalnej częstotliwości 🙂 Kwarc drga mechanicznie i sądzę, że gdyby robił to nieco wolniej mógłby generować cichutki ale nieprzyjemny pisk.