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Objectif: reproduire la balance OpenQCM: https://openqcm.com/openqcm¶
Nomenclature:¶
| Description | Manufacturer | Part Number | Quantity | Reçu | |
|---|---|---|---|---|---|
| Electrical | |||||
| Connectors | Socket Strip 2.54mm 14 Way 1 Row Straight PCB Socket Through Hole | FCI | 75915-414LF | 2 | OK |
| U1 | Crystal Oscillator Driver | Texas Instruments | SN74LVC1GX04DBVT | 1 | Ok |
| R2 | Thick Film Resistors - SMD 1/8watt 1Kohms 1% 100ppm | Vishay | CRCW08051K00FKEA | 1 | OK |
| R1 | Thick Film Resistors - SMD 1/8watt 2.2Mohms 1% | Vishay | CRCW08052M26FKEA | 1 | OK |
| C3,C4 | Multilayer Ceramic Capacitors MLCC - SMD/SMT 50volts 0.1uF X7R 10% | Kemet | C0805C104J5RACTU | 1 | OK |
| C1,C2 | Multilayer Ceramic Capacitors MLCC - SMD/SMT 50volts 100pF C0G 5% | Kemet | C0805C101J5GACTU | 2 | OK |
| R3,R4, R5, R6,R7 | Thin Film Resistors - SMD 10Kohms 1% 25ppm | TE Connectivity / Neohm | CRG0805F10K/10 | 4 | OK |
| U2 | Board Mount Temperature Sensors Silicon temp sensor with I2C interface | Microchip | MCP9808-E/MS | 1 | OK |
| X1, X2 | Contact Clip Circuit Board Hardware - PCB | Harwin | S9101-46R | 2 | OK |
| Processor/DAQ | Arduino Micro ATMega32u4 board | Arduino | A000053 | 1 | OK |
| Cable USB A Micro B 1M BLW/WHT | FTDI | VA-FC-1M-BLW |
1 | OK | |
| Mechanical | |||||
| Nitrile Rubber O-Ring, 8.1mm Bore , 11.3mm O.D , -30 → +120°C | RS | 0081-16 NBR | 2 | OK | |
| Fixed Height Feet | RS | PD.2075BL | 4 | ||
| Disc magnet (self-adhesive) Ø 8 mm, height 1 mm | Supermagnete | S-08-01-N | 4 | OK | |
| PCB Screws | 3 | OK | |||
| Base Screws | 4 | OK | |||
| Mechanical - main | |||||
| Base-openQCM 3D-printed, see open source design | Custom | 1 | OK | ||
| Top-openQCM 3D-printed, see open source design | Custom | 1 | OK | ||
| Body-openQCM 3D-printed, see open source design | Custom | 1 | OK | ||
| Fluidic cell | Custom | 1 | |||
| Consumables | |||||
| Quartz Crystal 10 Mhz Au electrode 13.9 x 6 mm | Elettronica Varese | XM0148 | 1 | OK | |
| Quartz Crystal holder | Elettronica Varese | XQ0208 | 1 | OK |
Partie mécanique¶
Reproduction du boîtier en impression 3D¶
On récupère les fichiers .stl sur le site d'openQCM (voir fichiers ci-joint).
On utilise Orca Slicer pour imprimer nos pièces avec une imprimante Bamboo Lab P1S en PETG (4H40 d'impression).
On ponce les surfaces qui contactent pour un rendu plus propre.
On colle les aimants, on installe le joint et on installe le quartz dans son holder.
On designe le bouchon en 3D (fichier ci-joint).
Partie électronique¶
On imprime le PCB en GE2I.
On perce les trous au Technoshop
On place les composants et on passe la carte au four de l'IMS.
On répare les mauvaises connections et on teste la carte, c'est peu convaincant. La carte fonctionne 10 secondes tout au plus. Quel désarroi !
Nous décidâmes de ragequit. Nous commandons 5 magnifiques cartes chez JLCPCB pour la modique somme de 6€ par carte (FDP inclus). Le site susnommé. Nous recevons les cartes 8 jours après. Quelle aubaine !
Nous soudons les composants sur les cartes (figure réalisée par des professionnels, à ne pas reproduire chez vous).
Résultat des opérations:
On teste la carte à l'oscilloscope.
Sans poids on a bien 10MHz en sortie, en essayant de poser du poids on voit bien que la fréquence varie.
C'est un banger !
Partie simulation¶
On utilise les fichiers disponibles sur le site d'openQCM pour élaborer notre simulation. On doit donc simuler un oscillateur Pierce avec un cristal de 10MHz et le crystal driver (SN74LVC1GX04DBVT). Comprendre les QCM. Comprendre la simulation d'un cristal de quartz. Oscillateur Pierce et paramètres d'un cristal à 10MHz.#
On choisit de simuler sur LtSpice. 
Voici le schéma électrique de la simulation. L'ensemble des deux transistors et un inverseur CMOS qui s'occupe d'apporter le gain nécessaire et le changement de phase de 180°. C1 et C2 sont les capa de pieds qui apportent les 180° restants. Les inverseurs permettent de transformer la sinusoïde en signal carré. Par la suite, ce signal ira sur le registre compteur de l'Arduino qui compte le nombre d'états hauts et d'états bas pour déterminer la fréquence du signal. Bien plus facile qu'avec une sinusoïde et un ADC.
Résultat de l'analyse fréquentielle, bien 10MHz.
Note : Simuler avec une porte logique inverseuse à la place d'un inverseur CMOS ne fonctionne pas. Il faut un modèle plus avancé pour prendre en compte le time delay de l'inverseur.
Oscillation parasite qui en résulte :
Développement futur¶
Lire et s'inspirer de Crystal_Oscillator_Circuits_Krieger_Matthys.pdf pour entrevoir un autre type d'oscillateur (Colpitts?) pour une nouvelle microbalance.
Envisager une solution avec plusieurs microbalances sur une seule carte en utilisant du multiplexage.
Utiliser un impédancemètre au lieu d'un circuit oscillant pour avoir l'impédance du cristal en fonction de sa fréquence (mesure plus précise qui permet également de mesurer les harmoniques). Utiliser une carte type AD5933 de chez Analog Electronics.