اسیلاتور كریستالی مداری الكترونیكی است كه از رزونانس مكانیكی یك كریستال در حال لرزش پیزوالكتریكی بهره می برد تا سیگنال الكتریكی با فركانس بسیار دقیقی بوجود آورد. این فركانس معمولا برای داشتن حسی از زمان (مانند در ساعت های مچی كوارتز) استفاده می شود تا سیگنال ساعتی پایدار برای مدارت مجتمع دیجیتال فراهم كند و نیز فركانس ها را در فرستنده های رادیویی پایدار (Stable) كند.
استفاده از تقویت كننده و فیدبك فرم دقیقی از یك اسیلاتور الكترونیكی است. به كریستال استفاده شده در آن برخی مواقع "كریستال زمان سنجی (timing crystal)" گفته می شود. در دیاگرام های شماتیكی، گاهی كریستال را با XTAL نمایش می دهند.
 

CrystalOsc01

 
كریستال های برای اهداف زمان سنجی

یك كریستال 4MHz كوچك كوارتز كه داخل پكیج هم اندازه ی خود (HC-49/US) واقع شده است

  یك كریستال جامدی است كه در آن اجزای تشكیل دهنده، اتم ها، مولكول ها، یا یون ها در یك ترتیب منظمی بسته بندی شده اند و الگوی تكراری خود را در هر سه بعد فضایی گسترش می دهند.

تقریبا هر چیزی كه از مواد الاستیك ساخته شده می تواند مانند كریستال مورد استفاده قرار گیرد، با ترنسدیوسرهای (مبدل ها) متناسب، زیرا تمامی اجسام دارای فركانس رزونانس طبیعی لرزش هستند. برای مثال، فولاد الستیسیته بالایی دارد و سرعت صوت در آن بالاست. این اغلب در فیلترهای مكانیكی، قبل از كوارتز، استفاده می شد. فركانس رزونانس به اندازه، شكل، الاستیسیته و سرعت صوت در آن ماده بستگی دارد. كریستال های فركانس بالا معمولا به شكل صفحه مستطیلی ساده ای بریده می شوند. كریستال های فركانس پایین، مثل آن هایی كه در ساعت های دیجیتالی استفاده می شود، به شكل یك دیاپازون (tuning fork) بریده می شوند. برای كاربردهایی كه زمان سنجی بسیار دقیقی نمی خواهند از یك رزونانس كننده سرامیكی ارزان به جای كریستال كوارتز استفاده می شود.

 وقتی كه یك كریستال كوارتز به طور صحیح بریده و سوار شد، می توانیم با قرار دادن آن در یك میدان الكتریكی (اعمال ولتاژ به الكترودی نزدیك یا روی كریستال) باعث خم شدن آن شویم. این ویژگی به نام پیزوالكتریك بودن (piezoelectricity) معروف است. وقتی میدان برداشته شود، كوارتز با بازگشت به شكل اولیه اش یك میدان الكتریكی تولید می كند كه این می تواند یك ولتاژ تولید كند. این رفتار كریستال كوارتز شبیه مداری متشكل از یك سلف، خازن و مقاومت (RLC Circuit) با فركانس رزونانسی دقیق است.
 
كوارتز مزیت دیگری نیز دارد و آن كم بودن تغییرات اندازه آن با تغییرات دما است. لذا فركانس رزونانس صفحه ی مان كه به اندازه ی آن وابسته است، تغییر چندانی نمی كند. این یعنی كه ساعت كوارتز، فیلتر یا اسیلاتر دقیق خواهد ماند. برای كاربردهای حساس اسیلاتور كوارتز در ظرفی كه دمای آن كنترل شده است (به نام اجاق كریستال crystal oven) سوار می شود، و همچنین می تواند روی جذب كننده های ضربه shock absorbers ، كه برای جلوگیری از اختلال هایی كه ناشی از لرزش های مكانیكی خارجی است، قرار بگیرد.
 

كریستال های كوارتز زمان سنجی برای فركانس های از ده ها كیلوهرتز تا ده ها مگاهرتز ساخته می شوند. سالانه بیشتر از دو میلیارد (2×109) كریستال تولید می شود. اكثر آن ها برای استفاده در ساعت های مچی، ساعت ها، و مدارات الكترونیكی هستند. هر چند، كریستال كوارتز داخل ابزارهای تست و اندازه گیری مثل شمارنده ها، سیگنال ژنراتورها و اسیلوسكوپ ها نیز پیدا می شود.

 
 كریستال ها و فركانس
CrystalOsc
نماد شماتیك و مدار معادل یك كریستال كوارتز در یك اسیلاتور

مدار اسیلاتور كریستالی نوسان را با گرفتن سیگنال ولتاژی از رزونانس كننده ی كوارتز، تقویت آن و فیدبك كردن آن به رزونانس كننده، نگه می دارد. سرعت خم و راست شدن كوارتز فركانس رزونانس است و توسط برش اندازه كریستال تعیین می شود.

 یك كریستال معمول زمان سنجی از دو صفحه ی رسانا با یك برش (slice) یا دیاپازونی از كریستال كوارتز كه بین آنها ساندویچ شده تشكیل شده است. هنگام راه اندازی به مدار حول كریستال سیگنال نویز اتفاقی ac اعمال می شود و كاملا بسته شانس كسر اندكی از آن در فركانس رزونانس كریستال خواهد بود. بنابراین كریستال شروع به نوسان كردن همگام با آن سیگنال می كند. اسیلاتور سیگنال خروجی از كریستال را تقویت می كند و لذا فركانس كریستال محكم تر می شود و سرانجام خروجی غالب اسیلاتور را شامل می شود. فركانس طبیعی در مدار و در كریستال كوارتز تمام فركانس های ناخواسته را فیلتر می كند.
 
یكی از مهمترین خصوصیات اسیلاتورهای كریستالی كوارتز این است كه نویز در فاز بسیار كمی نشان می دهند. به زبانی دیگر سیگنال تولیدی آن ها یك تون خالص (pure tone) است. این آن ها را در مخابرات پر كاربرد می كند، جایی كه سیگنال های پایدار مورد نیاز هستند. و همچنین در وسایل علمی كه مرجع دقیق زمانی مورد نیاز است.

فركانس خروجی یك اسیلاتور كوارتز یا فركانس اصلی رزونانس آن یا یك ضریبی از فركانس رزونانس آن به نام فركانس اور تون (overtone) است.

  Q (ضریب كیفیت) معمول برای یك اسیلاتور كوارتز بین 10^4 تا 10^6 تغییر می كند. Q ماكزیمم برای یك اسیلاتور كوارتز بسیار پایدار می تواند به اینگونه تقریب زده شود كه f فركانس رزونانس به MHz است: Q = 1.6 × 107/f
تغییرات محیطی دما، رطوبت، فشار و لرزش می تواند فركانس رزونانس یك كریستال كوارتز را تغییر دهد اما طراحی های گوناگونی وجود دارند كه این اثرهای محیطی را كاهش می دهند. این ها شامل TCXO، MCXO و OCXO هستند مه در یادداشت توضیح داده شده اند. این طرح ها (به ویژه OCXO) وسایلی با پایداری كوتاه مدت عالی ایجاد می كنند. محدودیت هایی كه در پایداری كوتاه مدت وجود دارد عمدتا به دلیل نویز اجزای الكترونیكی در مدار اسیلاتور است. پایداری بلند مدت با پیری كریستال محدود می شود.

به دلیل پیری و فاكتورهای محیطی چون دما و لرزش، نگه داشتن فركانس آنها درون یك از 10^-10 فركانس نامی آن ها، حتی برای بهترین اسیلاتورهای كوارتز، بدون تنظیم مستمر بسیار سخت خواهد بود. به همین علت اسیلاتورهای اتمی (atomic oscillators) برای كاربردهایی كه نیاز به پایداری و دقت بهتری دارند استفاده می شوند.

اگر چه كریستال ها می توانند برای هر فركانس رزونانسی ساخته شوند، به دلیل محدودیت های فنی، در عمل مهندسان مدار اسیلاتور كریستالی در حوالی فركانس های استاندارد كمی طراحی می كنند مانند 10MHz، 20MHz و 40MHz. استفاده از مدار های مقسم فركانس، چند برابر كننده ی فركانس و phase locked loop برای سنتز كردن (ساختن) هر فركانس دلخواه از فركانس مرجع امكان پذیر است.

 مراقب باشید و تنها از یك اسیلاتور كریستالی در طراحی مدارات خود استفاده كنید تا از وقوع نمونه های ظریفی از خطاهای خودپایداری در الكترونیك (metastability in electronics) جلوگیری كنید. اگر این ممكن نیست تعداد كریستال اسیلاتورهای مجزا (PLLها) و دامنه های ساعتی متحد با آن های بایستی به شدت كم شوند با تكنیك هایی چون نصف كردن كلاك (Clock) موجود به جای استفاده از یك منبع جدید كریستالی. هر منبع مجزای كریستالی باید دقیقا توجیه شود زیرا هر كدام حالت های خطای محتمل غیر قابل رفعی را به علت برهم كنش چند كریستالی در وسیله، ایجاد می كنند
 

نوشته شده در تاریخ دوشنبه 19 مهر 1389    | توسط: asad kavir asad kavir    | طبقه بندی: مقالات برق،     | نظرات()