Klicka här för att komma till AEF:s Startsida! 


Operativ Tidsperiod

 


Fler, större bilder med förklarande text finns i Bildbilagan.

 

Noggranna kvartsoscillatorer

 

 

Kvartskristall

Kvartskristall

 

Kvartskristallens optiska kristallaxlar

Kvartskristallens optiska kristallaxlar

 

Kvartskristall f0 =10.000Hz.

Kvartskristall f0 =10000Hz.
 

Kvartskristallen

I mätteknik och sändareteknik tolereras inte större frekvensvariationer än en eller annan miljondel. Lågförlustutförande och stabilisering av likspänningar räcker då inte längre till. Oscillatorn måste då styras av ett tillståndselement, som binder frekvensen vid ett uppgivet värde. Ett sådant element är kvartskristallen.


En kristallstyrd oscillator är beroende av återkopplingsverkan från ytladdningarna på kvartsskivan för att kunna svänga. Denna återkoppling måste vara tillräcklig i resonans. Oscillatorns frekvens låses då vid skivans mekaniska resonansfrekvens, som bestäms genom kvartsskivans slipning.

 

Kvartskristallens snitt

En kvartskristall med de optiska kristallaxlarna Z-Z, X-X och Y-Y framgår av bilden bredvid. Kristallen tillhör det hexagonala systemet och har därför tre diagonalaxlar X-X i tvärsektionen s.k. elektriska axlar. Kristallskivor för oscillatorer utsågas vinkelrätt mot en sådan axel (X- snitt). Genom att såga ut och slipa skivor med andra orienteringar i kristallen fås s.k. AT-snitt, BT-snitt, CT-snitt etc. (T står för temperaturkompenserat snitt). Dessa snitt har olika temperaturberoende inom olika frekvensområden. Värme utvecklas i kristallskivan under vibrationer på grund av inre friktion. Där stora fordringar ställs på stabil frekvens, måste kristallen temperaturkompenseras eller inneslutas i en temperaturreglerad ugn.


Transversellt svängande X-snitt används vid relativt låga frekvenser, såsom 50-500 kHz. Longitudinellt svängande specialsnitt svänger högre upp i radiofrekventa området 1-15 MHz. AT-snitt används vid relativt höga frekvenser. Vid frekvenser över 15-20 MHz utnyttjar man i regel kristallskivans högre harmoniska svängningar (övertonskristaller). Mekaniska resonansfrekvensen är omvänt proportionellt mot skivtjockleken d. Kristallskivan måste då slipas ned, om dess resonansfrekvens skall höjas.

Till slut blir skivan så tunn att hållfastheten inte räcker till under svängningen. Tunna skivors ekvivalentkretsar har Q- värden upp till 30 000.

En viss tillsatsdämpning förorsakas av luftmotståndet och kristallens kontakttryck. Kristaller i evakuerade kåpor eller rör ger ett Q- värde  upp till 200 000. 


Andra syntetiska material än kvarts används också som keramiska oscillatorer och de blir allt vanligare.

 

 

 

Ekvivalent krets för  kvartskristall.

Ekvivalent krets för  kvartskristall.

 

 

 

HC49 HC51

HC49                  HC51

Kvartskristaller utan kåpor.

 

 

 

Reaktansdiagram för kristall

Reaktansdiagram för kristall

 

 

 

 

TCXO, f0 = 26MHz

TCXO, f0 = 26MHz

 

 

Resonansmoder

En kvartskristall ger både serie och parallellresonans. Vid resonansfrekvenser under 30 MHz kan den drivas i antingen som serie eller parallellresonans. Vid frekvenser över 30 MHz (upp till >200MHz) drivs den i serieresonans.

 

Utfrekvensen från oscillatorn är antingen kristallens resonansfrekvens (grundfrekvens) eller en multipel av resonansen (övertonsfrekvens). Högfrekventa                  kristalloscillatorer är konstruerade för att arbeta på tredje, femte, eller sjunde övertonen. Att tillverka kristaller tunna nog för resonansfrekvenser >30MHz är svårt och de blir då mycket mekaniskt spröda och ömtåliga.

 

Temperaturberoende

En kristalls temperaturkarakteristik är beroende av vilket snitt kristallen har och vilket Q-värde. Faktorer, som påverkar Q- värdet, är graden av drivning, ytfinishen (poleringen), limning och montering, defekter i kristallen och elektrodernas anslutningar (s.k. bindning).

Yttre miljöeffekter som temperatur, fukt, tryck, vibration, stötar etc. påverkar resonansfrekvensen hos kvartskristallen.

Vid höga krav på kvartsoscillatorns långtidsstabilitet och åldrande måste oscillatorn monteras i ett hermetiskt tillslutet glasrör eller metallkåpa. Behållaren fylls vanligtvis med kväve- eller heliumgas och i vissa fall undertryck (vakuum). Hela behållaren placeras sedan i en noggrant temperaturstabiliserad ugn. Ugnen kan sedan monteras på stötdämpare för att förhindra påverkan av externa mekaniska  vibrationer och stötar. Ugnen och oscillatorkretsen måste också ha stabila matningsspänningar.

Långtidsstabiliteten begränsas sedan av åldrandet av kristallen. (Främmande atomer diffunderar in i kristallen eller   vandrar ut).

 

Oscillator med utmärkt kortsiktlig stabilitet är TCXO (temperaturkompenserad oscillator). Begränsningarna i stabilitet beror här på oscillatorkretsens ingående komponenters temperaturberoende (temperaturstabilitet).

Problemet med temperaturkompenseringen av TCXO är att kristallens temperaturkoefficient inte är linjär. Detta innebär att utformningen av kompenseringskretsarna blir komplicerad.

TCXOs effektförlust är större än en vanlig oscillator, som beror på att det krävs flera komponenter. TCXO används allmänt där stabila frekvenskällor behövs.

De är billigare och mindre än en ugnsstabiliserad      oscillator. (De är idealiska för många bärbara enheter, som kräver en någorlunda stabil frekvenskälla.)

 

Tidbasoscillatorn 

Tre olika typer av kristalloscillatorer för olika krav är:

  • UCXO Standardoscillator (10-1 ppm)

  • TCXO Temperaturkompenserad oscillator (1-0,1 ppm)

  • OCXO Ugnsstabiliserad oscillator (0,01-0,001 ppm)

Kristallstyrd oscillator med triod

Kristallstyrd oscillator med triod

 

Övertonoscillator med pentod

Övertonoscillator med pentod.

 

Kristallstyrda oscillatorkopplingar 

I kristallstyrda oscillatorer utgörs den frekvensbestämmande komponenten av en kvartskristall. Då det i det ekvivalenta schemat för en kristall ingår en parallellresonanskrets med högt Q-värde (>10 000) genereras en frekvens med hög frekvensstabilitet.

 

Kristallstyrd oscillator med triod

Denna koppling är grundkoppling för alla typer av kristallstyrda oscillatorer. Oscillatorfrekvensen bestäms av kristallens egenfrekvens. Resonansfrekvensen för den avstämda anodkretsen (LC) måste ligga något högre än kristallens frekvens för att svängning skall uppstå.

 

Kristallstyrd övertonsoscillator med pentod

Kopplingen är i figuren en kristallstyrd oscillator, lämplig för alstring av udda övertoner, 3:e, 5:e, 7:e tonen etc. Avstämningskretsen C1 L1 i oscillatorrörets katodkrets inställs på något högre frekvens än kristallens egenfrekvens. Anodkretsens avstämningskrets C2 L2 inställs på önskad överton.

Frekvensräknarens kristalloscillator
Frekvensräknarens kristalloscillator

Kristalloscillatorn i evakuerad glasbehållare.

Kristalloscillatorn i evakuerad glasbehållare.

Kristalloscillator utan glasbehållare.

Kristalloscillator utan glasbehållare.

 

Frekvensräknare med stabil klockpulsgenerator (tidbasoscillator). 

Under 1960-talet utvecklade och tillverkade Hewlett Packard en frekvensräknare modell HP 5245L, som används som ”arbetsnormal” i flygvapnet under många år (1960-1980). Med den kan man mäta frekvenser från 0-50 MHz, periodtider från 1µs till 10s, periodmedeltid och förhållandet mellan två frekvenser (fasförskjutning).

Modell 5245L:s noggrannhet bestäms av två faktorer. Den ena faktorn är åldrande av klockpulsgeneratorn 1 MHz-kristall,  vilken är mindre än 3x10-9 per 24 timmar (efter 72 timmars kontinuerlig uppvärmning). Den andra faktorn s.k. korttidsfel (kortsiktig stabilitet), som är ±1 enhet på sista siffran och eventuell yttre elektrisk och mekanisk påverkan. Ostabilitet kan också förorsakas av triggerfel och brus- eller brummodulering.

För att uppnå den låga åldringsdriften har kristalloscillatorn placerats i en noggrann temperaturstabiliserad ugn. Sådan precisionsoscillator med frekvensen 1MHz är tidbasoscillator i frekvensräknare HP5245L. För att skapa en högre stabil tidbas på 10MHz, multipliceras 1MHz-frekvensen först med x2 och sedan med x5 i avstämda övertonsförstärkare.

 

 

Precisionsoscillator

Oscillatorn utgörs av två svagt konvexa runda skivor och själva kristallen är placerad mellan skivorna. Kristallen är upphängd i åldrade silkestrådar och hela oscillatorn är monterad i en evakuerad glasbehållare. Kristallen har AT-snitt och ett Q-värde >106, serieresistans är ≤ 10 Ω och resonansfrekvens f0= 1MHz. Oscillatorn förvaras tillsammans med några temperaturkänsliga komponenter i en noggrann temperaturstabiliserad ugn.


Oscillatorugn invändigt
Oscillatorugn invändigt

Oscillatorugn utvändigt.
Oscillatorugn utvändigt.

Kopplingsschema på temperaturstabiliserad ugn.
Kopplingsschema på temperaturstabiliserad ugn.
 

Ugnens placering i räknaren.


Ugnens placering i räknaren.
Frekvensräknare HP5245L.
Frekvensräknare HP5245L
.

 

 

Temperaturstabiliserad ugn 

I den temperaturstabiliserade ugnen är kvartskristalloscillatorn och den temperaturkänsliga bryggan inneslutna. Ugnen är likströmsmatad och utgör en elektriskt uppvärmd ”termosflaska”. Den temperaturkänsliga motståndsbryggan är likströmsmatad och känner av temperaturen inuti ugnen. Obalans i bryggan ger en ”felspänning” som förstärks och tillförs värmespiralen. Temperaturstabiliteten är bättre än ±1/100 ºC, under varierande yttre miljöförhållanden.

Åldringshastigheten, som funktion av temperaturen, är mindre än ±2x10-10 per °C från -20°C till +55°C.

 

 

 

 

Läs mer:

Skrivet och sammanställt av Göran Gustafsson, AEF

 

Källor:

  • Norstedts, Elektriska tillämpningar

  • Nordisk Rotogravyr,

  • Radioteknisk uppslagsbok

  • Wikipedia

Bilder:

Göran Gustafsson och AEF:s bildarkiv
Senast uppdaterad: 2015-09-20

 

 

Fler, större bilder med förklarande text finns i Bildbilagan.