ГОСТ Р МЭК 60122-1-2009: Резонаторы оцениваемого качества кварцевые. Часть 1. Общие технические условия

Терминология ГОСТ Р МЭК 60122-1-2009: Резонаторы оцениваемого качества кварцевые. Часть 1. Общие технические условия оригинал документа:

2.2.21 антирезонансная частота (anti-resonance frequency) f_a: Высшая из двух частот кварцевого резонатора в установленных условиях, при которой электрический импеданс кварцевого резонатора является резистивным.

Определения термина из разных документов: антирезонансная частота

2.2.9 вид колебаний (mode of vibration): Характер движения элементарных частиц в колеблющемся кристаллическом элементе, обусловленный прилагаемыми механическими нагрузками, частотой колебаний при определенных граничных условиях.

Основные виды колебаний:

- изгиб;

- продольные;

- сдвиг по контуру;

- сдвиг по толщине.

Определения термина из разных документов: вид колебаний

2.2.4 держатель (mounting): Устройство, с помощью которого пьезоэлектрический резонатор удерживается внутри корпуса.

Определения термина из разных документов: держатель

2.2.29 диапазон перестройки частоты (frequency pulling range) Δf_L1,L2:

Δf_L1,L2 = |f_L1 - f_L2|.                                                       (10)

Δf_L1,L2 можно вычислять приближенно по формуле

                                            (11)

Это можно также записать, например, Δf_20,30, чтобы показать относительный диапазон перестройки частоты между нагрузочными емкостями 20 и 30 пФ.

Определения термина из разных документов: диапазон перестройки частоты

2.2.16 динамическая емкость (motional capacitance) С₁:Емкость динамической (последовательной) ветви эквивалентной схемы.

Определения термина из разных документов: динамическая емкость

2.2.15 динамическая индуктивность (motional inductance) L₁: Индуктивность динамической (последовательной) ветви эквивалентной схемы.

Определения термина из разных документов: динамическая индуктивность

2.2.14 динамическое сопротивление (motional resistance) R₁: Сопротивление динамической (последовательной) ветви эквивалентной схемы.

Определения термина из разных документов: динамическое сопротивление

2.2.39 допуск по частоте (frequency tolerance): Максимально допустимое отклонение рабочей частоты от номинальной, вызванное какой-либо конкретной причиной или сочетанием причин. Допуск по частоте обычно устанавливают в миллионных частях (1 ´ 10^-6) от номинальной частоты.

Примечание - Обычно используют следующие допуски:

- отклонение от номинальной частоты при опорной температуре в установленных условиях;

- отклонение частоты в интервале температур от значения при установленной опорной температуре;

- отклонение в результате старения в установленных условиях;

- отклонение от номинальной частоты вследствие воздействия всех причин (общий допуск).

Таблица 4 - Приближенные соотношения между характеристическими частотами и частотой последовательного резонанса f_s пьезоэлектрического резонатора

Характеристическая частота	Первое приближение		Второе приближение
	1/fs	Отклонение Δf/fs от более точного значения	1/fs	Отклонение Δf/fs от более точного значения
fm
fr
fa
fn
fp				0

Рисунок 5 - Эквивалентная схема пьезоэлектрического резонатора с последовательной (нагрузочной) емкостью C_L

                                   (15)

Определения термина из разных документов: допуск по частоте

2.2.37 зависимость отуровня возбуждения (drive level dependency): Зависимость от уровня возбуждения (DLD) является результатом влияния изменений условий возбуждения на резонансное сопротивление кварцевого резонатора. Этот параметр можно определять отношением сопротивлений при двух установленных в ТУ уровнях возбуждения. Это соотношение представлено выражением

R_r1/R_r2,

где R_r1 - сопротивление при более низком уровне возбуждения;

R_r2- сопротивление при более высоком уровне возбуждения.

Определения термина из разных документов: зависимость отуровня возбуждения

2.2.32 интервал рабочих температур (operating temperature range): Интервал температур, в котором кварцевый резонатор должен работать с установленными допусками.

Определения термина из разных документов: интервал рабочих температур

2.2.33 интервал температур работоспособности (operable temperature range): Интервал температур, в котором кварцевый резонатор работоспособен, несмотря на необязательное функционирование в переделах установленных допусков.

Определения термина из разных документов: интервал температур работоспособности

2.2.34 интервал температур хранения (storage temperature range): Минимальная и максимальная температуры, при которых может храниться кварцевый резонатор без повреждений или ухудшения его рабочей характеристики.

Определения термина из разных документов: интервал температур хранения

2.2.7 кварцевый резонатор (crystal unit): Пьезоэлектрический резонатор, смонтированный в корпус, основным элементом которого является кварцевый кристаллический элемент.

Определения термина из разных документов: кварцевый резонатор

2.2.11 кварцевый резонатор, возбуждаемый на гармонике (overtone crystal unit): Кварцевый резонатор, предназначенный для работы на колебаниях более высокого порядка, чем самый низкий для данного вида колебаний.

Определения термина из разных документов: кварцевый резонатор, возбуждаемый на гармонике

2.2.10 кварцевый резонатор, возбуждаемый на основной частоте (fundamental crystal unit): Кварцевый резонатор, предназначенный для работы на колебаниях самого низкого порядка для данного вида колебаний.

Определения термина из разных документов: кварцевый резонатор, возбуждаемый на основной частоте

2.2.5 корпус (closure): Чacть конструкции, предохраняющая один или несколько пьезоэлектрических резонаторов, установленных в держателе, от влияния внешних воздействий.

Определения термина из разных документов: корпус

2.2.1 кристаллический элемент (кристаллическая пластина) [crystal element (crystal blank)]: Пьезоэлектрический материал, имеющий определенную геометрическую форму, размеры и ориентацию относительно кристаллографических осей кристалла.

Определения термина из разных документов: кристаллический элемент (кристаллическая пластина)

2.2.31 крутизна перестройки частоты (pulling sensitivity) S:

                                                   (14)

S можно записать, например, как S₃₀, чтобы показать крутизну перестройки с нагрузочной емкостью 30 пФ.

Определения термина из разных документов: крутизна перестройки частоты

2.2.22 нагрузочная емкость (load capacitance) C_L: Эффективная внешняя емкость, присоединяемая к кварцевому резонатору, определяющая резонансную частоту f_Lпод нагрузкой.

Определения термина из разных документов: нагрузочная емкость

2.2.38 нежелательный резонанс (unwanted response): Состояние резонанса кварцевого резонатора на частоте, отличной от его рабочей частоты.

Определения термина из разных документов: нежелательный резонанс

2.2.12 номер гармоники (overtone order): Число, обозначающее последовательные гармоники данного вида колебаний в восходящем ряду целых чисел, начинающемся с основной частоты, принимаемой за единицу. Для колебаний сдвига и продольных колебаний номер гармоники является целым, кратным основной частоте, к которому приближается частота гармоники.

Определения термина из разных документов: номер гармоники

2.2.25 номинальная частота (nominal frequency) f_nom: Частота кварцевого резонатора, установленная изготовителем.

Определения термина из разных документов: номинальная частота

2.2.35 опорная температура (reference temperature): Температура, при которой выполняют конкретные измерения параметров кварцевого резонатора. Для термостатированных кварцевых резонаторов опорная температура - это температура в средней точке интервала температур термостатирования. Для нетермостатированных кварцевых резонаторов опорной температурой обычно считают (25 ± 2) °С.

Определения термина из разных документов: опорная температура

2.2.30 относительный диапазон перестройки частоты (fractional pulling range) D_L1,L2:

                                            (12)

D_L1,L2 можно вычислять приближенно по формуле

                                           (13)

D_L1,L2 можно записать, например, как D_20,30, чтобы показать диапазон перестройки частоты между нагрузочными емкостями 20 и 30 пФ.

Определения термина из разных документов: относительный диапазон перестройки частоты

2.2.28 относительный сдвиг резонансной частоты под нагрузкой (fractional load resonance frequency offset) D_L:

                                                              (8)

D_L можно приближенно вычислять по формуле

                                                          (9)

D_L можно также записать, например, как D₃₀, чтобы показать относительный сдвиг резонансной частоты D_L с нагрузочной емкостью 30 пФ.

Определения термина из разных документов: относительный сдвиг резонансной частоты под нагрузкой

2.2.18 параметры пьезоэлектрических резонаторов (parameters of piezoelectric resonators): Основные параметры C₁, L₁, R₁ и С₀ определяют эквивалентную электрическую схему, приведенную на рисунке 1, и все другие параметры можно определять с их помощью. На установленной частоте параметры эквивалентной электрической схемы обычно приближаются к постоянным значениям, поскольку амплитуда колебаний приближается к нулю.

Амплитуда, которая может быть допущена перед тем, как она существенно повлияет на параметры, очень зависит от типа резонатора, и ее можно определять только экспериментально.

Формула для импеданса Z или полной проводимости Y

                                                       (1)

эквивалентная электрическая схема пьезоэлектрического резонатора является основной формулой, представляющей взаимоотношения между разными параметрами.

В формуле (1)

 и δ = 2πfC₀R₁

являются нормализованным коэффициентом частоты и нормализованным коэффициентом демпфирования соответственно. Определения для f_pи f_sи других обозначений, используемых в формуле (1), и для других основных параметров приведены в таблице 1. Характерные частоты из формулы (1) определены в таблице 2.

Таблица 2 - Решения для разных характеристических частот

Характеристические частоты	Определение	Условие	Соответствующее уравнение для частоты
fm	Частота максимальной проводимости (минимального модуля импеданса)		(Ω2 + δ2)2 - 2δ2(Ω + r) - 2Ωr(1 - Ω) - Ω2 = 0
fs	Частота динамического (последовательного) резонанса	Х1 = 0	Ω = 0
fr	Резонансная частота	хe = вp = 0	Ω(1 - Ω) - δ2 = 0
fa	Антирезонансная частота	хe = вp = 0	Ω (1 - Ω) - δ2 = 0
fp	Частота параллельного резонанса (без потерь)	|хe| = ∞ для R1 = 0	Ω = 1
fn	Частота при минимальной проводимости (максимальном модуле импеданса)		(Ω2 + δ2)2 - 2δ2(Ω + R)- 2Ωr(1 - Ω) - Ω2 = 0

Значение импеданса эквивалентной электрической схемы (|Z|), его активная составляющая R_e, его реактивная составляющая Х_еи реактивное сопротивление Х₁ ветви L₁, C₁, R₁нанесены на рисунке 2 в виде зависимости от частоты для определения разных характерных частот. |Z_m| и |Z_n| обозначают минимальный и максимальный импеданс соответственно и R_r, R_a при нулевом фазовом угле. Эти кривые, однако, имеют только качественный характер и не представляют конкретный пьезоэлектрический резонатор.

Рисунок 2 - Зависимость импеданса |Z|,активного сопротивления R_e,реактивного сопротивления Х_е, сопротивления последовательной ветви Х₁ пьезоэлектрического резонатора от частоты

Для более подробного объяснения на рисунке 3 представлены окружности импеданса и проводимости пьезоэлектрического резонатора. Однако представление в виде окружности импеданса или проводимости пьезоэлектрического резонатора действительно только, если диаметр окружности велик по сравнению с изменением 2πfС₀ в диапазоне резонанса или если r << Q², что выполняется в большинстве резонаторов. Если последние условия не выполняются, кривая проводимости имеет вид циссоиды. Далее предполагается, что импеданс (или проводимость) резонатора можно представить в виде окружности. В таблице 3 приведены данные по Q, r и Q²/r для разных типов резонаторов, показывая, что это предположение справедливо для всех практических случаев.

Рисунок 3 - Диаграмма импеданса и полной проводимости пьезоэлектрического резонатора

Таблица 3 - Предположительные минимальные значения Q/r для различных типов пьезоэлектрических резонаторов

Тип пьезоэлектрического резонатора	Q = Mr	r	Q2/rmin
Пьезоэлектрическая керамика	90 - 500	2 - 40	200
Водорастворимые пьезоэлектрические кристаллы	200 - 50000	3 - 500	80
Кварц	104 - 107	100 - 50000	2000

Для получения практических уравнений для обычного использования необходимо сделать предположения. Погрешность этих предположений в сумме с инструментальной погрешностью управляет общей погрешностью определенных экспериментально параметров.

В качестве первого приближения, достаточного для многих практических случаев, можно сделать следующие предположения

f_m = f_r = f_sи f_a = f_n = f_р.

Более точные соотношения между характерными частотами f_m, f_r, f_a, f_р, f_nи частотой последовательного f_sрезонанса резонатора, действительные для добротности М > 10 и коэффициента емкости r > 10, приведены в таблице 4. Эти соотношения получены при предположении, что М >>1.

Различие между частотами параллельного и последовательного резонансов определяют по уравнению

                                                        (2)

Для больших значений г можно использовать приближение, выраженное формулой

                             (3)

(например, при r > 25 ошибка составляет менее 1 %).

Определения термина из разных документов: параметры пьезоэлектрических резонаторов

2.2.3 пьезоэлектрический резонатор (crystal resonator): Закрепленный кристаллический элемент, который вибрирует при наличии электрического поля между электродами.

Определения термина из разных документов: пьезоэлектрический резонатор

2.2.26 рабочая частота (working frequency) f_w: Рабочая частота кварцевого резонатора в конкретных схемах.

Определения термина из разных документов: рабочая частота

2.2.19 резонансная частота (resonance frequency) f_r: Нижняя из двух частот кварцевого резонатора без нагрузки в установленных условиях, при которой электрический импеданс кварцевого резонатора является резистивным.

Определения термина из разных документов: резонансная частота

2.2.23 резонансная частота под нагрузкой (load resonance frequency) f_L: Одна из двух частот кварцевого резонатора, соединенного последовательно или параллельно с нагрузочной емкостью, в установленных условиях, при которых импеданс этого соединения является резистивным. Резонансная частота под нагрузкой является нижней из двух частот, если нагрузочная емкость включена параллельно (см. рисунок 4).

При известном значении нагрузочной емкости С₁ эти частоты идентичны для всех практических целей и вычисляются по формуле

                                                     (4)

Примечание 1 - Частоты, определения которых приведены в 2.2.19, 2.2.21 и 2.2.23, являются наиболее используемыми. Имеется большое количество других частот, которые могут быть у кварцевого резонатора, их полные определения можно найти в таблицах 2 и 4.

Примечание 2 - Если требуется более высокая точность или необходимо получить дополнительные данные (например, значения динамических параметров кварцевого резонатора), следует руководствоваться таблицей 1 настоящего стандарта, МЭК 60444-1 и МЭК 60444-5.

Определения термина из разных документов: резонансная частота под нагрузкой

2.2.20 резонансное сопротивление (resonance resistance) R_r:Сопротивление кварцевого резонатора без нагрузки на резонансной частоте f_r.

Определения термина из разных документов: резонансное сопротивление

2.2.24 резонансное сопротивление под нагрузкой (load resonance resistance) R_L:Сопротивление кварцевого резонатора с последовательной установленной внешней емкостью на резонансной частоте f_L.

Примечание - В более точном приближении значение R_L связано со значением R_r, вычисленным по формуле

                                                                               (5)

Определения термина из разных документов: резонансное сопротивление под нагрузкой

2.2.27 сдвиг резонансной частоты под нагрузкой (load resonance frequency offset) Δf_L:

Δf_L = f_L - f_r.                                                               (6)

Его можно приближенно вычислять по формуле

                                                          (7)

В практических случаях сдвиг резонансной частоты под нагрузкой Δf_L для данной нагрузочной емкости можно, например, записать следующим образом Δf₃₀или Δf₂₀,чтобы показать фактическое значение нагрузочной емкости в пикофарадах.

Примечание 1 - Значения нагрузочных емкостей, изображенных на рисунках а), b) и с) равны.

Примечание 2 - См. 2.2.19, 2.2.21 и 2.2.23.

Рисунок 4 - Резонансная, антирезонансная частоты и резонансная частота под нагрузкой

Определения термина из разных документов: сдвиг резонансной частоты под нагрузкой

2.2.6 тип корпуса (enclosure type): Корпус кварцевого резонатора, имеющий конкретные габаритные размеры и изготовленный из конкретного материала с определенным методом герметизации.

Определения термина из разных документов: тип корпуса

2.2.36 уровень возбуждения (level of drive): Величина, характеризующая условия возбуждения кварцевого резонатора. Она может быть выражена в единицах тока, проходившего через резонатор, или мощности, рассеиваемой на кварцевом элементе.

Определения термина из разных документов: уровень возбуждения

2.2.8 цоколь (socket): Устройство для крепления и электрического соединения кварцевого резонатора.

Определения термина из разных документов: цоколь

2.2.17 шунтирующая емкость (shunt capacitance) C₀: Емкость, параллельная динамической ветви эквивалентной схемы.

Определения термина из разных документов: шунтирующая емкость

2.2.13 эквивалентная схема кварцевого резонатора (crystal unit equivalent circuit): Электрическая схема с таким же импедансом (полным сопротивлением), что и кварцевый резонатор в диапазоне требуемой резонансной и антирезонансной частот. Ее представляют в виде последовательного соединения индуктивности L₁,емкости С₁ и активного сопротивления R₁, шунтируемую между выводами резонатора емкостью С₀ (см. рисунок 1). L₁, С₁ и R₁ - динамические параметры кварцевого резонатора.

Эти параметры не зависят от частоты изолированных видов колебаний. Обычно этот неизвестный вид колебаний достаточно изолирован от других видов колебаний при допущении этого приближения. Если это не соблюдается, представленные здесь уравнения и методы измерения не применяют.

Рисунок 1 - Обозначения и эквивалентная электрическая схема пьезоэлектрического резонатора

Примечание 1 - Эта эквивалентная схема не отражает все характеристики кварцевого резонатора.

Примечание 2 - Значения R_e, X_e, G_pи В_р очень резко изменяются вблизи резонансной частоты.

R_e- последовательное активное сопротивление эквивалентной схемы резонатора;

Х_е- последовательное реактивное сопротивление эквивалентной схемы резонатора;

G_p - параллельная активная проводимость эквивалентной схемы резонатора;

В_р- параллельная реактивная проводимость эквивалентной схемы резонатора.

Обозначения, используемые в настоящем стандарте, приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Перечень обозначений, используемых для эквивалентной электрической схемы пьезоэлектрического резонатора

Определения термина из разных документов: эквивалентная схема кварцевого резонатора

2.2.2 электрод (electrode): Токопроводящая пластина или пленка, контактирующая с поверхностью кристаллического элемента или расположенная вблизи нее, с помощью которой к кристаллическому элементу прикладывают электрическое поле.

Определения термина из разных документов: электрод