Подскажите схему автогенератора для кварцевых микровесов

[balachoff]

Приветствую!

Хочу сделать кварцевые микровесы для взвешивания и определения толщины тонких плёнок.

Обычно, такие весы состоят из кварцевого резонатора, генератора и частотометра. Суть этого метода состоит в том, что изменение массы кварцевой пластины пропорционально изменению частоты колебаний кварцевого автогенератора. Таким образом, чтобы измерить массу нужно всего лишь измерить частоту. Калибровка может позволить измерять массу плёнок на кварцевой пластине в граммах. Точность этого метода достигает нанограммов.

Для реализации данной конструкции у меня есть резонаторы на 3.3 МГц, Arduino Due и Teensy 3.5. Рабочие схемы частотометров с триггером Шмидта я нашёл. Нужно выбрать сравнительно простую в реализации схему кварцевого генератора. В интернете довольно большой их выбор.

Кто может посоветовать схему? Какие есть преимущества и недостатки у разных схем кварцевых генераторов? Чем плоха для этой задачи, например, комбинация генератора Пирса с триггером Шмидта?

[mickbell]

Прежде всего следует понимать, что у кварцевого резонатора есть две частоты резонанса (не считая гармоник): частота последовательного резонанса и частота параллельного резонанса. Если я ничего не путаю(*), то:
1. частота параллельного резонанса несколько выше частоты последовательного;
2. частоту параллельного резонанса возможно менять в небольших пределах внешними реактивностями (КПЕ, дросселем, варикапом), в то время как частоту последовательного изменить практически невозможно.
Отсюда вывод: для большей точности резонатор следует возбуждать на частоте последовательного резонанса, меньше влияющих факторов будет. Подходящая для этого схема: транзисторный каскад по схеме ОЭ со всеми цепями смещения, резонатор подключается одним выводом к коллектору, другим к базе. Должен быть ещё конденсатор (обычно номиналом в районе сотни пик или меньше) от базы на общий провод, но иногда его не ставят, поскольку хватает ёмкости база - эмиттер. Потом нужен каскад для развязки от частотомера, например, на мосфете (я, правда, так не делал).
-----
(*) Таки не путаю, если верить вике.

PS. Описанный мной генератор, оказывается, как раз и есть генератор Пирса. Нормально на нём делать, схема проверена, много где применяется внутри микросхем. Я делал такие генераторы ещё на КТ315, в том числе и в серийных изделиях, проблем не было никогда. Нужен ли между ним и ТШ буферный каскад? Скорее всего, не нужен.

[GARMIN]

Нужен ли между ним и ТШ буферный каскад? ИМХО скорее всего, нужен.

[pyzhman]

[uquote="balachoff",url="/forum/viewtopic.php?p=3912618#p3912618"]...у меня есть резонаторы на 3.3 МГц...[/uquote]
На какую из его пластин будем класть взвешиваемую пленку?

[сэм]

скорее всего для этих целей подойдет диск пьезокерамики толщиной около 1мм. частота механического резонанса будет около 2мгц

[mickbell]

[uquote="GARMIN",url="/forum/viewtopic.php?p=3912904#p3912904"]Нужен ли между ним и ТШ буферный каскад? ИМХО скорее всего, нужен.[/uquote]Практика есть критерий истины. Пусть ТС пробует, мне самому интересно.

[balachoff]

Спасибо всем за ответы!

Я решил собрать схему с колебаниями кварца на частоте последовательного резонанса.

Пока ещё разбираюсь в теории, но склоняюсь к реализации кварцевого генератора на ОУ. Например такого (буква б)

11111.PNG

Схема кварцевых генераторов на ОУ.

(153.16 КБ) 238 скачиваний

Насколько я понял, генераторы на ОУ более стабильны, а у меня есть нужные радиодетали


Вот есть схема на компараторе (Рис. 37.1). Она будет прямоугольные импульсы генерировать?

Shemotechnika500ustroystv2013_image512.jpg

Реализация кварцевого генератора на компараторе.

(33.82 КБ) 274 скачивания

Добавлено after 2 minutes 18 seconds:
[uquote="pyzhman",url="/forum/viewtopic.php?p=3912923#p3912923"][uquote="balachoff",url="/forum/viewtopic.php?p=3912618#p3912618"]...у меня есть резонаторы на 3.3 МГц...[/uquote]
На какую из его пластин будем класть взвешиваемую пленку?[/uquote]

Нагреванием на плитке снимается кожух резонаторе. А пластина у него всего одна. На неё удобно наносить плёнку и взвешивать. Но я хочу наносить каплю воды, это сложнее. Проблема в том, что плёнка должна более менее равномерно покрывать пластину.

Добавлено after 13 minutes 9 seconds:
Есть ещё вариант подсмотреть схему в рабочем приборе. Есть очень древний индикатор толщины плёнки "КИТ-1". Пока не собрал его современные микровесы, играюсь с этим прибором. Вот его принципиальная схема:



Под цифрой "II" представлена схема измерительного генератора. Вижу что, измерительный кварцевый резонатор (разъёмы Ш1 и Ш2) подключён между базой и коллектором транзистора. Но зачем ещё 5 транзисторов в схеме - не понял. Если разобраться, номиналы обвязки можно взять из этой схемы.


Ещё я не до конца понял логику работы этого прибора. Толщина плёнки определяется путём сравнения частоты измерительного генератора с подстраиваемым гетеродином. Это понятно. Но зачем перед этим сигнал измерительного генератора смешивается с сигналом эталонного генератора? Почему нельзя сразу сравнить получаемую частоту с частотой подстраиваемого гетеродина? Блок-схема прибора представлена на картинке ниже.

[mickbell]

На схеме, которую вы привели (прибора КИТ-1) генератор собран как раз такой, как я описывал. Рекомендую повторить именно его - ибо, как мы видим, это уже даже и в серийном изделии обкатано.

[balachoff]

[uquote="mickbell",url="/forum/viewtopic.php?p=3914117#p3914117"]На схеме, которую вы привели (прибора КИТ-1) генератор собран как раз такой, как я описывал. Рекомендую повторить именно его - ибо, как мы видим, это уже даже и в серийном изделии обкатано.[/uquote]

Я попробую. Но мне больше всего импонирует схема автогенератора на компараторе, так как она сразу генерирует прямоугольные импульсы. У меня как раз есть компаратор lm211p со стробированием. Сейчас вот думаю, как его подключать.

[mickbell]

Я, конечно, могу ошибаться, но думаю, что эта схема будет менее стабильной. Попробуйте, конечно, и её. Ну а если она действительно окажется нестабильной, потом из неё можно будет сделать ТШ - формирователь прямоугольника. Как - это вопрос номер два.

[GARMIN]

ТС ещё многого не знает. Пусть учится, шишки набивает.

[balachoff]

[uquote="mickbell",url="/forum/viewtopic.php?p=3914205#p3914205"]Я, конечно, могу ошибаться, но думаю, что эта схема будет менее стабильной. Попробуйте, конечно, и её. Ну а если она действительно окажется нестабильной, потом из неё можно будет сделать ТШ - формирователь прямоугольника. Как - это вопрос номер два. [/uquote]

Я нарисовал примерную схемку на транзисторе:



Правильно? Можно её собрать на транзисторе КТ801Б? Какие номиналы элементов обвязки выбрать?

[1en2]

В помощь радиолюбителю №54....начни с КТ315...

[mickbell]

[uquote="balachoff",url="/forum/viewtopic.php?p=3914553#p3914553"]Правильно?[/uquote]Да.
[uquote="balachoff",url="/forum/viewtopic.php?p=3914553#p3914553"]Можно её собрать на транзисторе КТ801Б?[/uquote]Вряд ли. Судя по номеру, он среднечастотный, соответственно, генератор на нём может не загенерить. Я предлагал КТ315 (уточняю: с буквами Б, Г и, наверно, Д - с ней я не проверял), да и не только я.
[uquote="balachoff",url="/forum/viewtopic.php?p=3914553#p3914553"]Какие номиналы элементов обвязки выбрать?[/uquote]Ща прикинем, заодно проведём небольшой мастер-класс. Зададимся током коллектора в... ну сколько... ну пускай будет 1 мА, если будет мало - потом добавим, заменив эмиттерный резистор. Коллекторный резистор тогда должен быть не более 1.5 кОм. Я бы лучше поставил вместо него дроссель индуктивностью - ну где-то 10 или 20 мкГн (посчитано через желаемое реактивное сопротивление). Напряжение на эмиттере пусть будет 1 В, тогда эмиттерный резистор ставим 1 кОм. Тогда базовый делитель должен давать на базу 1.6 В. Пустим через него ток в 100 мкА. В базу уйдёт где-то 10 мкА, то есть ток через верхний резистор 110 мкА. Выбираем номиналы: нижний резистор 16 кОм, верхний 30 кОм. Конденсатор при базе нужно будет подбирать, ориентировочно его ёмкость сто пик.
Блокировочный конденсатор эмиттерного резистора - 10 нан или больше, такой же - выходной. Не забываем про блокировку по питанию - тоже минимум 10 нФ. Ну вроде всё.

[balachoff]

[uquote="mickbell",url="/forum/viewtopic.php?p=3914584#p3914584"][uquote="balachoff",url="/forum/viewtopic.php?p=3914553#p3914553"]Правильно?[/uquote]Да.
[uquote="balachoff",url="/forum/viewtopic.php?p=3914553#p3914553"]Можно её собрать на транзисторе КТ801Б?[/uquote]Вряд ли. Судя по номеру, он среднечастотный, соответственно, генератор на нём может не загенерить. Я предлагал КТ315 (уточняю: с буквами Б, Г и, наверно, Д - с ней я не проверял), да и не только я.
[uquote="balachoff",url="/forum/viewtopic.php?p=3914553#p3914553"]Какие номиналы элементов обвязки выбрать?[/uquote]Ща прикинем, заодно проведём небольшой мастер-класс. Зададимся током коллектора в... ну сколько... ну пускай будет 1 мА, если будет мало - потом добавим, заменив эмиттерный резистор. Коллекторный резистор тогда должен быть не более 1.5 кОм. Я бы лучше поставил вместо него дроссель индуктивностью - ну где-то 10 или 20 мкГн (посчитано через желаемое реактивное сопротивление). Напряжение на эмиттере пусть будет 1 В, тогда эмиттерный резистор ставим 1 кОм. Тогда базовый делитель должен давать на базу 1.6 В. Пустим через него ток в 100 мкА. В базу уйдёт где-то 10 мкА, то есть ток через верхний резистор 110 мкА. Выбираем номиналы: нижний резистор 16 кОм, верхний 30 кОм. Конденсатор при базе нужно будет подбирать, ориентировочно его ёмкость сто пик.
Блокировочный конденсатор эмиттерного резистора - 10 нан или больше, такой же - выходной. Не забываем про блокировку по питанию - тоже минимум 10 нФ. Ну вроде всё.[/uquote]


Спасибо! Заработало! Только упомянутая схема всё же для параллельного резонанса. А мне нужна высокая стабильность, поэтому буду сейчас пытаться реализовать схему последовательного резонанса. Насколько понял, для этого можно использовать схемы Батлера на одном транзисторе. Надо всё же доехать до радиомагазина, чтобы купить индуктивность)

[mickbell]

[uquote="balachoff",url="/forum/viewtopic.php?p=3915229#p3915229"]Спасибо! Заработало![/uquote]Уже хорошо.
[uquote="balachoff",url="/forum/viewtopic.php?p=3915229#p3915229"]Только упомянутая схема всё же для параллельного резонанса.[/uquote]Да ладно... Именно для последовательного. В такой схеме трудно делать ЧМ. Когда мне нужен был генератор с управлением по частоте, я делал другой генератор - ёмкостную трёхточку. Вот в ней кварц работает на параллельном резонансе и кварц неплохо тянется по частоте. Я вам эту схему не предлагал.
[uquote="balachoff",url="/forum/viewtopic.php?p=3915229#p3915229"]А мне нужна высокая стабильность, поэтому буду сейчас пытаться реализовать схему последовательного резонанса. Насколько понял, для этого можно использовать схемы Батлера на одном транзисторе. Надо всё же доехать до радиомагазина, чтобы купить индуктивность)[/uquote]Схему Батлера я не пробовал, ничего про неё не скажу.

[balachoff]

Стабильность частоты у генератора по схеме Пирса на транзисторе КТ315 оказалось ужасной. Сигнал гуляет на килогерцы. Возможо, это происходит из-за сборки на макетной плате. Короче, эта схема мне не понравилась.

Вот зависимость частоты от времени. По оси Х - секунды, У - Герцы.


Генератор Пирса на логическом элементе "НЕ" оказался гораздо лучше. Стабильность порядка 10^-7.

Вот зависимость частоты от времени. По оси Х - секунды, У - Герцы.


С такой стабильностью частоты можно уже работать, но хотелось бы стабильность порядка 10^-8 - 10^-10. Попробую схему Батлера на двух транзисторах и буду дальше думать.

[GARMIN]

Ключевые слова: синус, АРУ, термостабилизация.