Electronique > Théorie > Quartz
Dernière mise à jour : 25/07/2010
Présentation
Le quartz est un composant dit passif, qui a la particularité de vibrer (résonner) à une fréquence bien particulière et très stable. Il intervient dans la réalisation d'oscillateurs, d'horloges, de compteurs, de fréquencemètres, et en général de tout équipement pour lequel la précision temporelle est importante. Le quartz peut également être utilisé dans la réalisation de filtres réjecteurs à largeur de bande étroite et à fort taux de réjection (d'atténuation).Usages
Les quartz sont utilisés dans tous les équipements d'émission genre CB, émetteurs FM, micro sans fil de qualité, TalkyWalky (par exemple, un quartz de 27,125 MHz qui correspond au canal 14 de la bande CB), dans les ordinateurs. Dans certains équipements vidéo aussi, tels que les codeurs PAL ou SECAM, où un quartz de 4,43 MHz est utilisé pour la sous-porteuse couleur (chroma). On peut aussi trouver des quartz dans les équipements audio assurant des conversion analogique vers numérique (ou l'inverse). La fréquence d'oscillation du quartz n'est pas forcement utilisée directement, elle peut être divisée pour obtenir une valeur de façon plus facile. Par exemple, un microphone sans fil peut intégrer un synthétiseur de fréquence, qui ne fait usage que d'un seul quartz, mais qui peut toutefois proposer 1440 canaux différents, chacun offrant une stabilité en fréquence qui dépend de celle du quartz. Dans un convertisseur audio analogique vers numérique, un seul quartz peut très bien être utilisé pour générer une horloge à 32 kHz, à 44,1 kHz ou à 48 kHz.Pour les équipements nécessitant une stabilité meilleure que celle offerte par le quartz (émetteur de télévision par exemple), il est fait usuge de VCXO (voir paragraphe Variantes).
Un exemple pratique et moins "technique" : prenez l'exemple de votre montre... à quartz. Elle contient un quartz (en général de 32,768 kHz) qui permet un cadencement précis de l'heure. Divisez successivement par 2 la valeur de ce quartz, jusqu'à ce que le résultat ne soit plus un entier (la division par 2 est très simple à réaliser en électronique). Qu'obtenez-vous ? 1 hertz. Et 1 hertz correspond à une période de 1 seconde, qui pourrait bien servir de base de temps. Magique, non ?
Valeurs
La fréquence de résonnance des quartz que l'on rencontre "facilement" se situe entre quelques dizaines de kHz et quelques 100 MHz. Il existe des fabricants de quartz qui peuvent tailler un quartz sur mesure pour le faire résonner à la fréquence de votre choix. Et comme vous pouvez vous en douter, faire tailler un quartz sur mesure pour un usage unique peut présenter une contrainte de prix non négligeable, que l'amateur ne peut pas forcement se permettre.De bien curieuses valeurs...
Certaines valeurs sont toutes "rondes" comme 1.000000 MHz ou 4.000000 MHz, d'autres sont "tordues" comme 3.276800 MHz ou encore 6.553600 MHz. C'est que pour certaines applications, il est plus aisé d'obtenir des signaux de fréquence bien particulière après divisions multiples par une puissance de 2. Par exemple, un oscillateur à quartz de 3.276800 MHz permet après plusieurs divisions par deux, d'obtenir un signal périodique de fréquence 100 Hz, et un oscillateur à quartz de 4.194304 MHz permet après plusieurs divisions par deux, d'obtenir un signal périodique de fréquence 1 Hz. On trouve ainsi plusieurs valeurs qui derrrière leur curieuse façon de s'exprimer, peuvent révéler un talent caché :- 1.843200 MHz (comm. à 38400 bauds après division par 48, par exemple)
- 2.457600 MHz (comm. à 1200 bauds après division par 2048 ou 9600 bauds après division par 256, par exemple)
- 3.276800 MHz (100 Hz après division par 1024 puis par 32, par exemple)
- 3.579545 MHz (utilisé dans les générateurs DTMF, par exemple)
- 4.194304 MHz (1 Hz après division par... 4194304 - qui est une puissance de 2, par exemple)
- 4.433619 MHz (utilisé dans des circuits vidéo PAL/SECAM avec TDA8395 ou CXA1145P ou encore dans des modems avec TCM3105 pour vitesse 1200 bps, par exemple)
- 4.915200 MHz (comm. à 9600 bauds après division par 512, par exemple)
- 5.068800 MHz (comm. à 38400 bauds après division par 132, par exemple)
- 5.120000 MHz (moitié de 10.24 MHz, utilisé avec PLL dans des émetteurs/récepteurs CB ou radio-amateur, par exemple)
- 6.553600 MHz (utilisé dans des modems avec TCM3105 pour vitesse 2400 bps, par exemple)
- 7.372800 MHz (comm. à 115200 bauds après division par 64, par exemple)
- 10.240000 MHz (utilisé avec PLL dans des émetteurs/récepteurs CB ou radio-amateur, par exemple)
- 14.318000 MHz (utilisé dans des générateurs d'horloge pour applications informatique, USB 48 MHz ou bus PCI-express, par exemple)
- 16.257000 MHz
- 18.432000 MHz (utilisé en audionumérique avec 32 kHz après division par 576 ou 48 kHz après division par 384, par exemple)
- 22.118400 MHz (comm. à 115200 bauds après division par 192, par exemple)
- 46.615120 MHz
Fonctionnement du quartz (vue rapide)
Un quartz est un élement mécanique qui présente des caractéristiques lui permettant de vibrer à une ou plusieurs fréquences bien déterminée. Quand on dit vibrer, c'est bien à une vibration mécanique que l'on fait allusion. Cette vibration mécanique peut s'amorcer quand on tapote (doucement) le quartz mais ne peut rester entretenue : elle disparait rapidement une fois le choc passé. Pour que le quartz continue de vibrer (d'osciller), il faut le soumettre à un courant électrique qui le stimule. Et si le circuit électronique dans lequel on le place répond à des critères "suffisants", le quartz entre en résonnance (il se met à osciller) et le reste. Le principe d'un oscillateur à quartz est justement de fournir l'énergie nécessaire au quartz pour entrer en oscillation et le rester. Pour diverses raisons, un quartz peut refuser d'entrer en oscillation, mais ce sujet ne sera pas abordé ici.Stabilité et précision de la fréquence d'oscillation
Voir page Quartz - PrécisionBoitiers
Plusieurs types de boitiers sont disponibles, du tout petit de type Horloger, que l'on trouve dans les montres à quartz (32,768 KHz), aux formats tout aussi répandus que les HC18, HC25, HC33, HC38 ou encore HC49.
Modes de fonctionnement
Mode Fondamentale - Le quartz oscille sur sa fréquence fondamentale.Mode Overtone - Le quartz oscille sur une fréquence multiple de sa fréquence fondamentale (harmonique 3, 5 ou 7).
Résonnance d'un quartz
On peut adopter deux types de cablage pour faire entrer un quartz en oscillation : mode série ou mode parallèle.Résonnateurs céramiques
Ce ne sont pas des quartz, mais ils peuvent les remplacer dans certains cas, notemment dans les "basses" fréquences (disons jusqu'à environ 20 MHz).