Лабораторная работа № 7 моделирование кварцевого резонатора
Цель работы: изучение характеристик кварцевых резонаторов, изучение анализа АЧХ (AC Sweep), параметрического анализа (Parametric), а так же дополнительных возможностей программы Probe.
1. Основные понятия и определения
Для выполнения настоящей работы необходимо изучить следующие разделы:
1.2.4. Анализ АЧХ (АС Sweep) (стр.26 – 30);
1.2.6. Параметрический анализ Parametric (стр. 35 -39)
1.2.7. Использование глобального параметра Global Parameter (стр. 39 - 42)
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРАХ
Кварцевый резонатор — прибор, в котором пьезоэлектрический эффект и явление механического резонанса используются для построения высокодобротного резонансного элемента электронной схемы.
Принцип действия
На пластинку, кольцо или брусок, вырезанные из кристалла кварца определённым образом, нанесены 2 и более электродов.
Пластинка закреплена и имеет собственную резонансную частоту механических колебаний.
При подаче напряжения на электроды благодаря пьезоэлектрическому эффекту происходит изгибание, сжатие или сдвиг в зависимости от того, каким образом вырезан кусок кристалла.
Однако колеблющаяся пластинка в результате того же пьезоэлектрического эффекта создаёт во внешней цепи противо-ЭДС.
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 колебательного контура.
Эквивалентная схема
Рис.41 Эквивалентная схема замещения кварцевого резонатора
Условное обозначение кварцевого резонатора (сверху) и его эквивалентная схема (снизу)
C0 — собственная ёмкость кристалла, образуемая кристаллодержателем и/или обкладками резонатора.
C1, L1 — эквивалентная ёмкость и индуктивность механической колебательной системы резонатора.
R1 — эквивалентное сопротивление потерь механической колебательной системы.
Обозначение кварцевого резонатора на принципиальной электрической схеме
Рис.42. Обозначение кварцевого резонатора на принципиальной электрической схеме
Одним из самых популярных видов резонаторов являются резонаторы, применяемые в часовых схемах. Резонансная частота часовых резонаторов 32768 Гц, поделённая в 32768 раз, даёт интервал времени в 1 секунду.
Приведем характеристики одного из кварцевых резонаторов, выпускаемых специальным конструкторско-технологическим бюро электроники, приборостроения и автоматизации, г.Углич.
Электрические характеристики кварцевых резонаторов показаны в таблице 1.
Таблица 1. Электрические характеристики кварцевого резонатора РКО 206 при температуре 370С [2]
Вид характеристики |
Обозначение |
Значение |
Номинальная частота колебаний резонатора |
f0 |
От 30 до 40 кГц |
Добротность
резонатора
где ∆f – ширина резонансной кривой |
Q |
40 000 |
Эквивалентное сопротивление потерь |
R1 |
80 кОм |
Собственная емкость, |
C0 |
1,3 пФ |
,
В устройстве используются датчики с резонансными частотами от 30кГц до 40 кГц.
Параметры элементов эквивалентной схемы рассчитываются по формулам:
L1
=
,
С1 =
,
Хсо =
,
fs
= f0 +
.
Приведем пример расчетов, исходя из параметров кварцевых резонаторов R1=80·10³Ом, Q=40000, f0=30кГц, Со = 1,3пФ.
L1
=
=
,
Хсо
=
,
fs
=
С1
=
