Quartz

   

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 27,125MHz 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 4,43MHz 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.

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.

Boitiers

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 inférieures à une dizaine de mégahertz).

TCXO

Le TCXO est un oscillateur à base de quartz placé dans une enceinte (petit boitier) thermostaté, dont la température interne est maintenue constante quelque soit la température ambiante, grâce à un système de régulation de température. L'échauffement du boitier peut être assuré par un transistor de puissance directement fixé au boitier. Si au niveau stabilité de fréquence on veut encore mieux, on peut faire appel à un système basé sur l'emploi de rubidium. Mais là, on s'éloigne vraiment du sujet...