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Introducción a los osciladores (página 2)




Enviado por Pablo Turmero



Partes: 1, 2

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Base
Clips de
montura
Área de
unión
Electrodos
Cuarzo
Cubierta
Sello
Pins
Cuarzo
Área de
unión
Cubierta
Clips de
montura
Sello
Base
Pins
Montura de dos puntos
Montura de tres y cuatro puntos
Vista superior
Monturas

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Q es proporcioanl al tiempo de decaimiento, y es inversamente proporcional al ancho de línea.

A mayor Q, mayor estabilidad de frecuencia y mayor potencial de exactitud en el resonador (un alto Q es una condición necesaria pero no suficiente). Por ejemplo, si Q = 106, entonces una exactitud de 10-10 requiere determinar el centro de la curva de resonancia a 0.01% del ancho de la línea, y la estabilidad (para un tiempo de promediación) de 10-12 requiere permanecer cerca del máximo de la curva de resonancia con 10-6 del ancho de línea.

Energía discipada por ciclo
Energía almacenada por ciclo
2
Q
p
º
Factor de calidad

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Oscillación
Inicio de
oscilación
Tiempo
del máximo de intensidad
2.7
1
1
e
=
Decaimiento de la oscilación del resonador
td
Intensidad
Máxima
BW
Intensidad máxima
Frecuencia
Curva de
resonancia
½ Intensidad máxima
Tiempo de decaimiento, ancho de línea, y Q

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Carcaterísticas:

Tamaño miniatura

Bajo consumo de energía

Bajo costo

Alta estabilidad

Estos requerimientos puden encontrarse en los osciladores de tenedor a 32,768 Hz
Resonadores de cuarzo para relojes de pulsera

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(Gp:) 32,768
16,384
8,192
4,096
2,048
1,024
512
256
128
64
32
16
8
4
2
1
(Gp:) 32,768 = 215

? En relojes analógicos, un motor de paso recibe un impulso por segundo para hacer avanzar la manecilla de los segundos
6o, esto es, 1/60th del círculo, cada segundo.

? Dividiendo 32,768 Hz por 2 a la 15 da como resultado 1 Hz.

? 32,768 Hz es una frecuencua que resulta del compromiso entre tamaño, potencia requerida (tiempo de vida de la batería) y estabilidad.

¿Porqué 32,768 Hz?

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Z
Y
X
Y’
0~50
Y
Z
X
base
arm
a) Caras naturales y ejes cristalográficos del cuarzo
Orientación cristalográfica del resonado
de tenedor
Modos de vibración del
resonador de tenedor
Resonador de tenedor

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(Gp:) Cristal de reloj de pulsera
(Gp:) Cilíndro de 2mm de diámtero y 6 mm de largo

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Precisión sin
exactitud
Sin precisión ni
exactitud
Con exactitud pero
sin precisión
Exacto y preciso
Tiempo
Tiempo
Tiempo
Tiempo
Estable pero sin
exactitud
Sin estabilidad ni
exactitud
Exacto pero no
estable
Estable y exacto
0
f
f
f
f
Exactitud, Precisión, y Estabilidad

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? Tiempo
ruido a corto plazo
• ruido a mediano plazo (por ejemplo, temperatura del oscilador)
• inestabilidades a largo plazo (por ejemplo: envejecimiento)

? Temperatura
• Dependencia estacionaria de la frecuencia respecto a la temperature
• Dependencia Dinámica de la frecuencia respecto a la temperature (periodo de calentamiento, impáctos térmicos)
i • memoría térmica ("histéresis")

? Acceleración
• Gravedad (2g inversión) • Ruido acústico
• Vibración • Impacto

? Radiación ionizante
• Photons (X-rays, ?-rays)
• Particles (neutrons, protons, electrons)

? Otros
• Variaciones de tensión • Humedad • Campo magnético
• Presión atmonférica • Impedancia de carga

Factores de influencia en la frecuencia de osciladores de cuarzo

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3
2
1
0
-1
-2
-3
t0
t1
t2
t3
t4
Discontinuidad
en temperatura
Vibración
Impacto
Apagado y
encendido
2-g
inversión
Tiempo
t5
t6
t7
t8
Envejecimiento
Apagado
Encendido
Inestabilidad
de corto plazo
Fluctuaciones de frecuencia en osciladores de cuarzo

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5
10
15
20
25
Tiempo (días)
Inestabilidad a corto plazo
(ruido)
?f/f (ppm)
30
25
20
15
10
Envejecimiento y estabilidad a corto plazo

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? Transferencia de masa por contaminación
Puesto que f ? 1/t, ?f/f = -?t/t; por ejemplo., f5MHz ? 106 capas moleculares, por lo tanto 1 monocapa en el cristal contribuye a la frecuencia en ?f/f ? 1 ppm

? Pérdida de fuerza en la montura y estructuras de unión,
electrodos, y en el cuarzo.

? Otros efectos
? Evaporación del cuarzo
? Efectos de difusión
? Efectos por reacciones químicas
? Cambios en la presión del resonador (fugas y evaporación)
? Envejecmiento de la circuitería
? Cambios en campo eléctrico
? Envejecimeitno de la circuitería de control del horno
Mecanismos de envejecimiento

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Los corrimientos de frecuencia son función de la magnitud y dirección de la aceleración. Dicho corrimiento es usualmente lineal cuando las magnitudes son hasta 50 veces la aceleración de la gravedad.
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
Cristal
Soportes
X’
Y’
Z’
G
O
Aceleración y cambios de frecuencia

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Eje 3
Eje 2
Eje 1
g
Eje 1
Eje 2
4
(Gp:) -2
(Gp:) -4

2
0
45
90
135
180
225
270
315
360
2
0
45
90
135
180
225
270
315
360
2
0
45
90
135
180
225
270
315
360
4
(Gp:) -2
(Gp:) -4

(Gp:) -2
(Gp:) -4

4
Inversión de la gravedad
Eje 3

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Tiempo
f0 – ?f f0 + ?f
f0 – ?f f0 + ?f
f0 – ?f f0 + ?f
f0 – ?f f0 + ?f
f0 – ?f f0 + ?f
Aceleración
Tiempo
Tiempo
Voltage
Vibración sinusoidal

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(Gp:) Ambiente

Edificios
Camión (3-80 Hz)
Armored personnel carrier
Barco – mar en calma
Barco – mar agitado
Avión de motor
Helicoptero
Avión tipo Jet
Missile – fase inicial
Ferrocarril

(Gp:) Aceleración
niveles típicos en g’s
0.02 rms
0.2 máximo
0.5 to 3 rms
0.02 to 0.1 máximo
0.8 máximo
0.3 to 5 rms
0.1 to 7 rms
0.02 to 2 rms
15 máximo
0.1 to 1 máximo

?f
x10-11
2
20
50 to 300
2 to 10
80
30 to 500
10 to 700
2 to 200
1,500
10 to 100

Los niveles de aceleración de un oscilador dependen del lugar y de la forma de la montura. Resonancias de la estructura pueden aumentar grandemente los niveles de aceleración en los osciladores.

Niveles de aceleración y sus efectos

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La fase de una señal modulada por una vibración sinusoidal es:
La desviación de fase máxima es:
Ejemplo: si oscillator con una señal de10 MHz está sujeto a una vibración sinusoidal de 10 Hz con una amplitud de 1g, la desviación de fase máxima inducida será de 1 x 10-3 radian. Si este oscilador es usado como una referencia en un sistema de radar de 10 GHz, la desviación de fase a 10 GHz será de 1 radian. Dicha desviación puede causar un desempeño catastrófico en algunos sistemas, tales como los de lazo de amarre en fase (phase locked loops, PLL).
Modulación de fase por vibraciones

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Frecuencia estable (oscilador ideal)
Frecuencia inestable (oscilador real)
Tiempo
?(t)
Tiempo
?(t)
V
1
-1
(Gp:) T1
(Gp:) T2
(Gp:) T3

1
-1
(Gp:) T1
(Gp:) T2
(Gp:) T3

V(t) = V0 sin(2??0t)
V(t) =[V0 + ?(t)] sin[2??0t + ?(t)]
?(t) = 2??0t
?(t) = 2??0t + ?(t)

V(t) = voltaje de salida del osc., V0 = Amplitud de voltaje
?(t) = Ruido de amplitud, ?0 = Frecuencia de la portadora
?(t) = Fase,
t

d
)
t
(
d
2
1
=

t

d
)
t
(
d
2
1

=

)
t
(
0
f
+
n
n
p
F
p

Frecuencia instantánea
V
Inestabilidades a corto plazo

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Ruido de
amplitud
Inestabilidad
en frecuencia
Ruido
de fase
– Voltaje +
0
Tiempo
Señal de un oscilador de cuarzo

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Limita la determinación de la frecuencia de operación de un oscilador
Limita la exactitud en sincronización y sintonización
En comunicaciones, limita la separación en canales, la selectivilidad, y favorece las interferencias
Causa problemas de sincronía [~??y(? )]
Causa probelmas en la comunicación digital
Limita la exactitud en sistemas de navegación
Limita la estabilización a líneas angostas de resonancia
Puede causar pérdida de amarre a señlaes de referencia

Impactos del ruido en osciladores

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fr = frecuencia de referencia
Frecuencia
t
Tiempo
1
2
3
t
1
2
3
fr
t
Frecuencia
Tiempo
t
fr
Frecuencia
Tiempo
t
t
fr
3
t
Tiempo
1
2
t
fr
1
2
3
Frecuencia
Error en frecuencia y error en tiempo

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