Дещо про кварцових резонаторах
Кварцові резонатори. Елементи, які дозволяють приймачів і передавачів "розмовляти однією мовою", точніше, "на одній хвилі". З цими крихкими і ніжними радіодеталями рано чи пізно доводиться стикатися кожному моделісту RC-шнику. І кожен моделіст повинен знати, як підібрати оптимальний комплект кварців для своєї апаратури.
Кристал кварцу володіє дуже цікавою властивістю, яке у фізиці називається "п'єзоелектричним ефектом". Він здатний деформуватися під впливом електричної напруги, прикладеного до граней його кристалічної решітки. І навпаки, при деформації кристала під впливом зовнішньої механічної сили, на гранях його кристалічної решітки виникає різниця потенціалів. Поряд з цим, хімічно чистий кристал кварцу, розпиляний уздовж осей кристалічної решітки на тонкі пластини або брусочки, має яскраво виражені резонансні властивості. Ці дві особливості кварцових пластин і лежать в основі радіоелектронного приладу, який називається кварцовим резонатором. При збігу частоти прикладеного до кварцу змінного високочастотного напруги з одного з його власних механічних резонансних частот, виникає явище електромеханічного резонансу, що приводить до різкого збільшення електричної провідності, а точніше, до зміни динамічного опору кристала.
Кварцові резонатори можуть бути різної конструкції, мати різну "упаковку" (різні типи корпусів - пластмасові, скляні, металеві, самих різних форм і розмірів), але всі вони призначені для стабілізації частоти в радіоелектронних пристроях. Нас в першу чергу цікавлять ті різновиди кварцових резонаторів, які застосовуються в RC-апаратурі. Так які ж конкретно параметри характеризують кварцовий резонатор, або, як кажуть зазвичай, "кварц"?
Перш за все, це резонансна частота. Промисловістю випускаються кварци на резонансні частоти від сотень герц до сотень мегагерц. Кварци, призначені для роботи в низькочастотному діапазоні, зазвичай резонують на основний, "фундаментальною" гармоніці. Вихідний кристал (як правило, штучний) при виготовленні таких резонаторів розпилюється паралельно одній з осей кристалічної решітки. Для більш високочастотних резонаторів кристал пиляється по інших осях, а ось "гармоніковий" кварци, тобто ті, які призначені для роботи на найвищих частотах, аж до 150 - 300 МГц, виготовляють особливо ретельно, за складною технологією, заснованої на даних кристалографії. Після розпилювання і контурної обробки заготовки на її певні межі методом вакуумного напилення наносяться тонкі шари срібла. Потім кварц встановлюють в крісталлодержателя (попросту - припаивают в строго певні точки напиляного шару срібла тонкі пружинні зволікання з срібного або золотого сплаву) і всю цю конструкцію поміщають в герметичний корпус, з якого викачують повітря і заповнюють його інертним газом. Всі ці складності необхідні для того, щоб забезпечити довгострокову стабільність електромеханічних параметрів резонатора. Очевидно, що така складна і "витончена" конструкція не може бути дуже міцною. Саме тому з кварцами необхідно звертатися гранично акуратно, оберігаючи їх від випадкових ударів і сильних вібрацій.
Повернемося до резонансної частоти. Як вже було сказано, в основному вона залежить від геометрії пластини. Особливо прецизійні (надточні) кварци в процесі виробництва "налаштовують" на потрібну частоту шляхом "пріпіловкі" пластини, додаткового напилення або травлення вже напиляного струмопровідного шару. Цей процес може тривати кілька днів, а то і тижнів. Можна тільки припускати вихідну вартість такого надточного приладу. У масовому виробництві резонатори, природно, не налаштовують. При підготовці до випуску партії на певну частоту, по кристаллографическим картками визначають базові розміри заготовок, розраховують товщину напилюваного шару, а після закінчення всього технологічного циклу всю партію відправляють на сортування.
Припустимо, виготовлена партія кварців в кількості 5.000 штук на розрахункову частоту 10.000.000 Гц. За допускам, кварц на "реперну", тобто розрахункову частоту може мати відхилення (розкид) не більше 0.00001%. На нашій частоті 10 МГц - це +/- 1 Гц. Таких кварців в партії набереться всього штук 50, а то і менше. Вони, в результаті, будуть найдорожчими. Штук 100 - 200 "помістяться" в діапазон +/- 10 Гц щодо "нульовий" частоти. Ці кварци теж будуть недешеві. 2.000 - 3.000 кварців виявляться з допуском +/- 100 Гц, це так звана стандартна "масовка". Кожен з цих резонаторів буде раз в 50 дешевше, ніж "нульові". Ще 1.000 кварців матиме розкид +/- 500 Гц, майже шлюб. А решта при першій сортування - просто шлюб. Я не обмовився - при першій сортуванні. Надалі відбраковані кварци будуть ще неодноразово перебиратися. Адже комусь напевно може знадобитися кварц на частоту 9.998.731 Гц або 10.003.194 Гц. Але ніхто не стане спеціально робити такі "криві" резонатори, ось їх і вибирають з "відбракованих". Звичайно, насправді сортування проводиться трохи інакше.
У кварців є ще кілька важливих параметрів, про які не можна не сказати. Ми просто перерахуємо деякі з них, не вдаючись у подробиці.
Термостабільність - залежність частоти кварцу від температури. Зрозуміло, що чим менше частота змінюється від температури, тим краще. Довготривала нестабільність - старіння кварцу (хоча, чесно кажучи, "старий" кварц, як і кінь, "борозни не зіпсує", адже у нього вже все "перебурліло").
Добротність - відношення резонансної частоти до смуги пропускання. Маючи найбільш високою добротністю Q
100.000 - 10.000.000 (порівняйте: добротність коливального LC-контура не перевищує 100, п'єзокераміки -1.000), кварцові резонатори мають також високу температурну стабільність і низьку довготривалу нестабільність частоти (0.000001 - 0.00000001 за 10 - 25 років).
Ну і звичайно, здатність резонувати на вищих гармоніках. Цей параметр іноді називають "модою" генерації. І хоча кварци випускаються на всі непарні гармоніки (моди) з 1 по 9 (і навіть 11 - 13), нас цікавлять тільки ті, які стійко працюють на 3-й гармоніці.
Отже, в RC-апаратурі використовуються мініатюрні кварцові резонатори в плоскому металевому корпусі розміром приблизно 5 х 12 х 14 мм з жорсткими висновками діаметром 1.0 мм і довжиною 6 мм. Все RC-кварци працюють на 3-й гармоніці. І якщо на корпусі кварцу вказана частота 40.685 МГц - це частота саме 3-й гармоніки. Крім того, всі фірмові кварци мають маркування з номером частотного каналу. Наприклад, кварци на 81 канал для FM передавачів маркуються як 81 FM Tx (або Т -Transmitter, передавач) 40.815, а кварци для приймачів - 81 FM Rx (або Receiver, приймач) 40.815. Іноді замість FM вказують SSM - це маркування зустрічається на німецькій апаратурі Graupner. Крім того, на кварцах для приймачів вказують, який "системи" приймач: з одним або двома перетвореннями частоти. Кварци для РРМ і РСМ апаратури нічим не відрізняються один від одного і зазвичай взаємозамінні. Кварци для АМ апаратури замість FM або SSM маркуються як АМ. Принципової відмінності між кварцами для АМ і FM апаратури теж немає. Правда АМ-ні кварци, за нашими оцінками, мають більший розкид по частоті, далі ми розповімо про це докладніше.
Увага! Необхідно мати на увазі, що цифри в маркуванні RC-кварців вказують частоту, на якій відбувається передача сигналу (тобто "канальну" частоту). Отже, частота, зазначена на маркуванні, істинна тільки у кварців для передавачів! Фактична частота гармонійного резонансу приймального кварцу зазвичай на 455 кГц нижче (менше), ніж зазначено на його корпусі. Це стосується приймачів з одним перетворенням частоти. Частота кварцу для приймача з подвійним перетворенням нижче робочої частоти передавача (і частоти відповідно до позначок на) на 10.7 МГц! Крім того, слід мати на увазі, що деякі типи апаратури будуються за принципом проміжного множення частоти. Це означає, що задає генератор передавача генерує сигнал з частотою в два або в три рази нижче канальної частоти (частоти, зазначеної на корпусі RC-кварцу). а в наступних каскадах відбувається множення частоти в потрібну кількість разів. Так що - не вір очам своїм.
Вище ми розглянули приклад сортування кварців на частоту 10.000.000 Гц. Точно також відбувається сортування та відбір кварцев на будь-яку іншу частоту з "цілими" кілогерц, припустимо, на частоту 13.560 кГц або 13.565 кГц. А ось кварци на частоту +13561666,667 Гц (це частота першої гармоніки кварцу для передавача на 52 канал) напевно спеціально не випускають, а вибирають з числа відбракованих. Саме тому практично не зустрічаються RC-кварци генеруючі точно на частоті, зазначеної в сітці частот. Завжди є невеликий "розбіг" в ту чи іншу сторону. На практиці цей розбіг може досягати +/- 1 - 2 кГц, а іноді навіть +/- 5 кГц! Наскільки це страшно? Якщо частота гетеродина приймача "зрушена" в ту ж сторону і на таку ж величину, що і у кварцу передавача, - це абсолютно не страшно. Найголовніше, щоб цей "вибіг" не досяг частоти сусіднього каналу, на якому може працювати апаратура вашого товариша.
При розгляді блок-схеми приймача в статті "Радіоприймальні і декодуючі RC-пристрої" ми з'ясували, що різниця між частотою передавача і частотою гетеродина приймача зі стандартною ПЧ, повинна бути 455 кГц. Це ідеальний варіант. В реальних умовах цього досягти складно. А чи потрібно? Подивимося АЧХ реального пьезофільтр на частоту 455 кГц з пропускною здатністю +/- 3 кГц (це дуже хороший фільтр).
Мал. Спектрограма сигналів на вході фільтра ПЧ
На спектрограмі чорним кольором зображено АЧХ пьезофільтр типу CFWМ455Н. Червоним кольором показаний "спектр" сигналу передавача, що несе частота якого відрізняється від частоти гетеродина рівно на 455 кГц. Зрозуміло, у цього сигналу найсприятливіші умови для проходження "смуги перешкод" - фільтра ПЧ. Синім кольором зображено сигнал передавача, частота якого відрізняється від частоти гетеродина на 456.5 кГц, тобто на 1.5 кГц більше оптимальної. Без всякого сумніву цей сигнал також пройде через ФПЧ, буде демодулювати і розшифрований декодером. Одночасна робота "червоного" і "синього" передавачів неприпустима, тому що призведе до взаємних перешкод. А ось "зелений" сигнал (на 5 кГц нижче оптимального) швидше за все не досягне декодера, але дуже сильно завадить як "червоному", так і "синьому". І тільки "жовтий" сигнал, віддалений від центральної частоти ФПЧ на 10 кГц, незважаючи на більш високий рівень і більш широкий спектр, виявиться "за бортом" і анітрохи не завадить роботі будь-якого іншого сигналу.
Реальні експерименти з декількома комплектами апаратури Futaba FC-18V3 +, Attak-4, Graupner MC-314 і Hitec Focus в діапазоні 40 МГц показали працездатність всіх випробуваних комплектів при відносній "розладі" кварців приймача і передавача до 2.5 кГц. Самим "невередливим" виявився приймач з комплекту Hitec Focus - він продовжував упевнено працювати при "розладі" кварців до 4.5 кГц. Маркування на пьезофільтр у цього конкретного приймача була стерта, і ми не знаємо фактичну смугу пропускання ФПЧ. Швидше за все, там був встановлений фільтр М455 з останньою буквою F або I. Тільки не варто спокушатися подібної "не вибагливий". Широка смуга пропускання ФПЧ, що дозволяє використовувати кварци з великим відхиленням частоти, різко погіршує перешкодозахищеність приймача. Рано чи пізно це призведе до того, що приймач "зловить" сигнал перешкоди, а за цим піде відмова апаратури і втрата моделі.
В ході експериментів було виявлено 2 кварцу, частота яких "пливла" при прогріванні вельми значно (вибіг частоти після 20 хвилинного прогріву в робочому режимі у одного кварцу склав 13 кГц, у другого - майже 23 кГц!). Як то кажуть, на такому кварці можна злетіти, але приземлитися після декількох хвилин польоту вже не вдасться. Ще кілька кварцев мали не такий значний, але також помітний вибіг від прогріву, що називається "на грані фолу" - в межах 3-5 кГц. Справедливості заради відзначимо, що тільки "фірмові" кварци від Futaba FC-18, що не викликали серйозних нарікань - відносна і абсолютна "расстройка" не більше 800 Гц. Це підтверджує наші припущення, що "серйозні" моделі апаратури "упаковуються" "серйозними" комплектуючими.
Частоти кварців в наших експериментах вимірювалися частотоміром Ч3-34 безконтактним способом, тобто зовнішні обурення були зведені до мінімуму. Як "прийомної антени" використовувався відрізок звичайного дроту завдовжки близько півтора метрів, приєднаний до входу "У" частотоміра. Відстань між антенами передавача і частотоміра було 15 - 20 см. Всього було випробувано більш 30 кварців різних виробників, від різних типів апаратури і на різні канали. Все кварци перевірялися у всіх комплектах апаратури за принципом "кожен з кожним".
Підводячи підсумок, можна зробити наступні висновки:
Максимальна відносна розладі кварців передавача і приймача не повинна перевищувати 455 +/- 2.5 кГц.
Синхронна расстройка кварців передавача і приймача щодо "реперної" частоти каналу не має великого значення і може досягати 5 кГц. При більшій розладі це вже буде інший (сусідній) канал. Єдиним недоліком цього виду "расстройки" слід вважати підвищену ймовірність взаємних перешкод при одночасній роботі двох комплектів апаратури на сусідніх каналах (або "через" канал).
Більшість кварців будь-яких виробників підходить до будь-якого типу апаратури і є взаємозамінними.