Co to jest oscylator kwarcowy?

Oscylator kwarcowy to układ elektroniczny, który generuje sygnał o częstotliwości określonej przez kryształ kwarcu utworzony z krzemu i tlenu. Piezoelektryczna właściwość kwarcu sprawia, że ​​jest to bardzo dobry rezonator od dziesiątek kiloherców (KHz) do setek megaherców (MHz). Oscylator kwarcowy jest zwykle zaprojektowany do pracy tylko z jedną precyzyjną częstotliwością. Oscylatory te są wykorzystywane do tworzenia stabilnych częstotliwości w telefonach komórkowych, odbiornikach globalnego systemu pozycjonowania (GPS) i radiotelefonach. Są również używane do precyzyjnego pomiaru czasu w zegarkach, komputerach i innym sprzęcie elektronicznym.

Kryształ materiału piezoelektrycznego, takiego jak kwarc, może nieznacznie zmienić kształt, gdy napięcie zostanie przyłożone do elektrody na krysztale. Po usunięciu tego napięcia kryształ może powrócić do swojego pierwotnego kształtu i generować napięcie. Odkryta w 1880 r. I nazywana piezoelektrycznością, ta właściwość ma kluczowe znaczenie dla działania oscylatora. Z czasem przeprowadzono eksperymenty z różnymi materiałami krystalicznymi, a pierwszy oscylator kwarcowy został zamontowany pod koniec lat 1910-tych. Od lat dwudziestych oscylatory kwarcowe były często stosowane w zegarach, a także w amatorskich, komercyjnych i wojskowych urządzeniach radiowych.

Po pierwszym włączeniu oscylatora kwarcowego obwód wprowadza losowy sygnał szumu do kryształu. Część tego szumu zawsze będzie miała częstotliwość rezonansową kryształu, co powoduje, że kryształ oscyluje. Napięcie wytwarzane przez kryształ podczas zmiany kształtu jest wzmacniane przez obwód oscylatora kwarcowego i podawane z powrotem do rezonatora kwarcowego. Gdy proces ten się powtarza, sygnały w ograniczonym paśmie częstotliwości kryształu będą silniejsze, podczas gdy inne częstotliwości zostaną odfiltrowane. Po zakończeniu okresu „rozgrzewania” oscylator będzie działał dokładnie z częstotliwością projektowaną.

Kształt, rozmiar i cięcie kryształu kwarcu decydują o tym, jak szybko się rozszerza i kurczy. Oscylator kwarcowy może pracować z tą prędkością, zwaną częstotliwością rezonansową. Może także działać z częstotliwością nadtonową, która jest wielokrotnością częstotliwości rezonansowej. Podczas gdy kryształy kwarcu występują naturalnie w środowisku, wytwarzana jest bardzo duża ich liczba w celu zwiększenia wydajności i podaży kryształów nadających się do użytku fizycznego.

Na częstotliwość wyjściową oscylatora kwarcowego mogą wpływać różne czynniki zewnętrzne, w tym temperatura, a nawet nagłe przyspieszenie. Promieniowanie wpłynie również na częstotliwość, niezależnie od tego, czy pochodzi ono od promieni kosmicznych w statku kosmicznym, promieni rentgenowskich, czy też z impulsu promieniowania jonizującego. Niektóre z tych czynników można skompensować za pomocą dodatkowego obwodu, który monitoruje warunki i odpowiednio dostosowuje moc wyjściową oscylatora. Niektóre kwarcowe oscylatory zawierają precyzyjnie kontrolowany piec z kryształem w środku, aby kompensować zmiany temperatury. Kryształy kwarcu można również „zamiatać” lub utwardzać pod wpływem promieniowania, wypiekając je w specjalnej atmosferze i polu elektrycznym.