Kideoskillaattori

Historia:


Pietsosähköisen ilmiön havaitsivat Jacques ja Pierre Curie vuonna 1880. Ensimmäisen kideohjatun oskillaattorin rakensi Alexander M. Nicholson Bellin laboratiossa vuonna 1917 ja patentoi sen vuonna 1918. Walter Guyton Cady rakensi ensimmäisen kvartsikideoskillaattorin vuonna 1912.
1920 ja 1930 luvulla kvartsikideoskillaattoreita kehitettiin lisää korkean vakauden saavuttamiseksi. Vuoteen 1926 mennessä kideoskillaattoreita käytettiin ohjaamaan radiolähetinten taajuuksia.[1]




Rakenne:


Kideoskillaattorin keskeisin komponentti on kide, joka on useimmiten kvartsia ja jonka värähtely tuottaa oskillointitaajuuden. Oskillaattori piirejä on esimerkiksi sarjaresonanssioskillaattori, rinnakkaisresonanssi oskillaattori, Colpitts oskillaattori(kuva1) ja Pierce oskillaattori(kuva2)[2] [3] . Pierce oskillaattori piiriä käytetään esimerkiksi digitaalisissa kelloissa ja ajastimissa koska siihen ei tarvita kovin paljoa komponentteja.

Colpitts.jpg
Kuva1. Colpitts oskillaattori piirikytkentä


Pierce.jpg
Kuva2. Pierce oskillaattori piirikytkentä



Kuvan 3 komponentti on 8MHz taajuudella toimiva kideoskillaattori (TD308C/TD1100C). Se on DIL14-koteloinen (Dual-in-line) ja jonka jalat ovat: 1. N/C, 7. Maa, 8. ulostulo ja 14. käyttöjännite (+5Vcc). Sen taajuuden stabiilisuutta kuvaava allan-deviaatio on +- 100*10-9 ja toimintaläpötila -20 – +70°C. Sen ulostulo on TTL muotoinen jonka nousu- ja laskuaika on 10ns ja ulostulojännitteen maksimi arvo 2.4V ja minimi arvo 0.4V.[4]

Kideoskillaattori(ylä).jpg
Kuva3. Kideoskillaattorin yläpuoli


Kideoskillaattori(alä).jpg
Kuva4. Kideoskillaattorin alapuoli


Kideoskillaattori(sivu).jpg
Kuva5. Kideoskillaattori sivustapäin


Kideoskillaattori tyyppejä on useanlaisia ja tarkoitettu erilaisiin käyttökohteisiin. Kideoskillaattori tyyppejä on esimerkiksi jänniteohjattu kideoskillaattori, lämpötilakompensoitu kideoskillaattori, Kideuunikontrolloitu kideoskillaattori. [5]


Toiminta ja siihen vaikuttavat tekijät:


Kideoskillattorin toiminta perustuu pietsosähköiseen ilmiöön. Kun kideoskillaattoriin tuodaan jännitettä, sen sisällä oleva kide alkaa muuttamaan muotoaan ja saa aikaan värähtelyn. Värähtelyn taajuus riippuu siitä, miten kide on leikattu. Myös kiteen lämpötilariippuvuus riippuu leikkauksesta. Kideoskillaattorin toimintataajuuden vakauteen vaikuttaa lämpötila, mekaaniset voimat(esimerkiksi tärinä), kiteen ikä sekä syöttöjännitten vaihtelut. Lämpötilan vaihtelu on merkittävin tekijä kideoskillaattorin taajuuden stabiilisuutta ajatellen.[6] [7] Lämpötilan vaikutukset voidaan kompensoida pitämällä kideoskillaattori vakiolämpötilassa, jolloin kide on ns. uunissa. Myös kiteen kuormituksen muutoksella voidaan kompensoida taajuuden muutosta. Tämä kompensointi voidaan tehdä kapasitanssidiodin avulla. [8]
Oskillaattorin stabiilisuutta kuvataan Allan-varianssin (suhteellinen taajuusvirhe) neliöjuurena, eli Allan-deviaationa. Mitä pienempi kyseinen lukuarvo on, sitä stabiilimpi on oskillaattori. [9] [10]

Käyttö:


Kideoskillaattori on tarkempi ja stabiilimpi kuin RC-oskillaattori tai LC-oskillaattori ja siksi se on yleisesti käytössä digitaalitekniikassa. Lähes kaikki mikroprosessorit ja mikrokontrollerit käyttävät kideoskillaattoria niiden toimintataajuuden määrittämiseen.[11] Radiotekniikassa kideoskillaattoreita voidaan käyttää lähetyspuolella ylössekoittamisessa ja vastaanottopuolella alassekoittamisessa. Kideoskillaattoreita käytetään digitaalisissa kelloissa ja ajastimissa. Todella tarkkoja uuniohjattavia kideoskillattoreita voidaan käyttää tietoliikenteessä ja navigoinnissa. Esimerkiksi GPS:n aikareferenssissä, CDMA- ja GSM-verkkojen tukiasemissa.[12] Myös atomikelloissa käytetään kideoskillaattoreita.[13] Yleisesti ottaen kaikissa digitaalisissa laitteissa joissa käsitellään dataa tarvitaan oskillaattoria, joka yleisesti on kideoskillaattori.
  1. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/Crystal_oscillator (29.1.2010)
  2. ^ http://metrology.tkk.fi/courses/s108-195/Luento5.pdf (29.1.2010)
  3. ^ http://www.electronics-tutorials.ws/oscillator/crystal.html (29.1.2010)
  4. ^ http://www.datasheetcatalog.org/datasheets2/44/44508_1.pdf (29.1.2010)
  5. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/Crystal_oscillator (29.1.2010)
  6. ^ http://metrology.tkk.fi/courses/s108-195/Luento5.pdf (29.1.2010)
  7. ^ http://www.electronics-tutorials.ws/oscillator/crystal.html (29.1.2010)
  8. ^ http://gallia.kajak.fi/opmateriaalit/yleinen/honHar/ma/OSKILLAATTORIT.pdf (29.1.2010)
  9. ^ http://metrology.tkk.fi/courses/s108-195/Luento5.pdf (29.1.2010)
  10. ^ http://metrology.tkk.fi/courses/S-108.1010/kirja/tyo3_07.pdf (29.1.2010)
  11. ^ http://www.electronics-tutorials.ws/oscillator/crystal.html (29.1.2010)
  12. ^ http://www.prosessori.fi/uutiset/uutinen2.asp?id=37621 (29.1.2010)
  13. ^ http://metrology.tkk.fi/courses/s108-195/Luento5.pdf (29.1.2010)