Kristallostsillaator

Allikas: Vikipeedia
(Ümber suunatud leheküljelt Kristall-ostsillaator)

Kristallostsillaator on ostsillaator, mille võnkesagedust määravaks elemendiks on kvartsresonaator või keraamiline resonaator. Niisuguse ostsillaatori signaali kasutatakse stabiilse taktsagedusena mikroprotsessorites ja muudes digitaalelektroonika seadmetes (sealhulgas arvutites ja kvartskellades) ning raadiosignaali kandesageduse stabiliseerimiseks raadioseadmetes.

Kristallostsillaatoreis kasutatavad kvartsresonaatorid

Kvartsresonaator[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kvartsresonaator on kvartskristallist kindla nurga all väljalõigatud õhuke ümmargune või ristkülikukujuline plaat, mis on kinnitatud hoidikusse kahe metallplaadi ‒ elektroodi ‒ vahele. Resonaatori resonantsisagedusel toimub võnkumise genereerimine elektromehaaniliselt: kristalli elektroodidele rakendatud elektripinge kutsub piesoelektrilise pöördefekti tulemusena esile elektroodide vahekauguse muutumise; kui kristallile väljastpoolt rakendatud elektripinge muutub nulliks (vahelduvvoolu korral läbib pingekõver nulli), taastab kristall oma esialgse kuju, kusjuures kristalli elektroodide vahel tekib elektripinge (piesoefekt!). Kui seda pinget kasutada võimenduslülituses positiivse tagasiside signaalina, saadakse katkematute siinusvõnkumiste generaatorostsillaator, millel on väga kõrge hüvetegur ja stabiilne võnkesagedus.

Kvartsi oluliseks eeliseks on samuti resonantsisageduse väike sõltuvus temperatuurist. Aja möödudes kristalli sagedus siiski veidi muutub; seda omadust nimetatakse vananemiseks. Põhjuseks võib olla näiteks see, et elektroodidest difundeeruvad aatomid kristallivõresse, seda moonutades, ka võib elektroodide surve kristallile nõrgeneda.

Kvartsresonaatori resonantsisagedus on määratud tema mõõtmete ja lõike orientatsiooniga, s.t millise nurga all kristalli x-y-z-telgede suhtes plaat on välja lõigatud. Valmistatakse kvartsresonaatoreid resonantsisagedusega mõnest kilohertsist sadade megahertsideni. Ligikaudu 1 MHz sagedusega kvartsresonaatorid on kõige stabiilsemad.

Resonaatori elektriline aseskeem[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kvartsresonaatori elektrilise aseskeem koosneb järgmistest elementidest:

R1takistus jadavõnkesagedusel.

Resonaator on samaväärne jadavõnkeringiga C1L1R1, millega on rööbiti elektroodide mahtuvus C0. Kuna suhe L1/C1 on suur ja kaotakistus R1 väike, on kvartsgeneraatori hüvetegur väga suur, ulatudes sadade tuhandeteni.

Kvartsresonaatori ajaloost[muuda | redigeeri lähteteksti]

Piesoelektrilised omadused teatud materjalide puhul avastas 1880. aastal Jacques ja Pierre Curie. Esimese maailmasõja ajal uurisid Paul Langevin ja Constantin Chilowski kvartsi võnkeomadusi allveelaevu tuvastava sonari väljatöötlemiseks. 1917. aastal ehitas Alexander M. Nicholson, kes töötas Belli Laboratooriumites esimese kristalli sisaldava ostsillaatori, milles oli kasutusel Rochelle'i soola kristall.[1] Neli aastat hiljem valmistas Walter Guyton Cady, esimese kvartskristallostsillaatori[2].

Aastal 1926 hakati kvartskristalle kasutama raadiosaatjais, need muutusid väga populaarseks ka raadioamatööride hulgas. 1928. a. töötas Warren Marrison välja esimese kvartskella. Sellest ajast hakati aja arvestamisel toetuma kvartskristalli naturaalsele vibratsioonile, mis parandas täpsust 1 sekundini 30 aasta jooksul (viga 33 millisekundit aastas).

1969. aastal tõi Jaapani kellatootja Seiko turule esimese kvartskäekella, mis küll ei osutunud kuigi populaarseks peamiselt kalli hinna tõttu (see oli võrdne auto hinnaga). Sellegipoolest märkis IEEE selle ära ühe olulisema saavutusena elektro- ja elektroonikatehnika vallas.[3]

Piesokeraamiline resonaator[muuda | redigeeri lähteteksti]

Piesokeraamiline resonaator valmistatakse piesoelektriliste omadustega keraamilisest materjalist ja kasutatakse nagu kvartsresonaatorit peamiselt kompaktsetes ostsillaatorites. Keraamilised resonaatorid jäävad sageduse täpsuselt ja ka stabiilsuse poolest kvartsresonaatoreist tunduvalt maha, ent on mõõtmeilt väiksemad (SMD-komponendid nt 1,2×3,2 mm), mehaaniliselt tugevamad ja märksa odavamad toota. Resonaatori valmistamisel moodustatakse ka kaks võnkesagedust määravat kondensaatorid, mistõttu lihtsustub ostsillaatori skeem.

Filtres céramique.jpg Schaltsymbol-Keramikresonator.svg Resonator-Ersatzschaltung.svg Pierce-Oszillatorschaltung-3.png
Keraamiliste resonaatorite pilt, tingmärk (mahtuvusharundiga), aseskeem ja resonaatoriga (Keramikresonator) ostsillaator.

Keraamilised resonaatorid valmistatakse mitmeastmelise termilise ja mehaanilise töötlemise käigus ferromagnetiliste materjalide graanulite peeneks jahvatatud segust. Peamised lähtematerjalid on plii-tsirkonaat-titanaadid, plii-magneesium-niobaadid ja kaalium-naatrium-niobaadid koos muude metallide lisanditega.

Resonantsisageduse tolerants jääb etteantud temperatuurivahemikus piiresse ±(0,1 ‒ 0,5) %; see on keskmiselt 50 korda suurem kui kvartsresonaatoril. Resonantsisagedus ajaliseks muutuseks annavad tootjad ±0,3 % 10 aasta jooksul.

Kristallostsillaatori väljundsagedus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kristallostsillaatori väljundsagedus võib olla kas kvartskristalli põhisagedus või siis selle sageduse kordne, s.t mõni ülemtoon ehk harmooniline. Ostsillaatorid sagedusega kuni 30 MHz töötavad tavaliselt resonaatorii põhisagedusel, sagedusel üle 30 MHz kolmandal, viiendal või seitsmendal harmoonilisel (alati paaritu arv). Harmoonilisi sagedusi kasutatakse sellepärast, et kuna kvartsi võnkesagedus sõltub tema paksusest muutuksid sagedustel üle 30 MHz kristallid nii õhukeseks, et nende tootmine oleks väga keeruline ja kulukas. Tootjad kalibreerivad ülemtoonis kristallid ülemtooni sagedusel, mitte põhisagedusel. Näiteks, kui on 30 MHz kvarts, mis on kalibreeritud kolmandal ületoonil, siis kui see panna kristalli põhisagedusele mõeldud ostsillaatori vooluringi, võib väljundsageduseks olla hoopis 10 MHz (30/3MHz). [4]

Kristallresonaatorite resonantsisagedused pole standardiseeritud, aga on välja kujunenud mõned rohkem kasutatavad sagedused, näiteks 3,579545 MHz, 10 MHz, 14,318 MHz, 20 MHz, 33,33 MHz, ja 40 MHz. Sagedus 3,579545 MHz on saanud populaarseks oma madala hinna tõttu sellest ajast, kui neid hakati kasutama Põhja- ja Kesk-Ameerikas värvitelerites. Sagedusjagurite ja -kordistite abil on võimalik saada algsagedusest muid vajalikke sagedusi.

Kellakvartsi mikrofotod

Kella kristallostsillaator[muuda | redigeeri lähteteksti]

Elektronkellades kasutatakse taktgeneraatorina miniatuurset, nn. mikrokvartsresonaatorit. Resonaatori omavõnkesagedus võib olla näiteks 65 536 Hz = 216 Hz. Seda sagedust poolitatakse 16 järjestikuse trigeriga sageduseni 1 Hz, mis osutitega kellas käivitab spetsiaalse samm-mootori[5]. Resonaatori võnkesageduse lubatud hälve võib olla näiteks ±20 ppm (miljondikosa) resonantsisagedusest temperatuuril 25 °C ja sageduse muutus esimese aasta jooksul kuni ±5 ppm, edaspidi sagedus stabiliseerub.

Kristallresonaator KTS14,3TI, mis töötab sagedusel 14,318 MHz, ja taktgeneraator ICS952001

Kristallostsillaator arvutis[muuda | redigeeri lähteteksti]

Arvutites kasutatakse kristallostsilaatoreid taktgeneraatorina eri komponentide töö sünkroonimiseks. Arvuti emaplaadil asetsev taktgeneraator annab taktsagedust kõigile arvuti põhikomponentidele nende töö sünkroonimiseks. Tüüpiliselt genereeritakse eraldi signaalid protsessorile (õigemini siinile, mis protsessorit ühendab), graafikakaardile, mäludele ja erinevatele siinidele.

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. Nicholson, Alexander M.. "Generating and transmitting electric currents". US Patent No. 2212845. Online patent database, US Patent and Trademark Office., filed April 10, 1918, granted August 27, 1940
  2. Marrison, Warren (1948). "The Evolution of the Quartz Crystal Clock". Bell System Technical Journal 27: 510–588. AT&T. 
  3. Nimekiri IEEE poolt määratud ajaloolistest verstapostidest
  4. Specifying Quartz Crystals
  5. Thanassis Speliotis et al.: Micro-motor with screen-printed rotor magnets. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Volume 316, Issue 2, September 2007,S. 120–123

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]