Vad är en kvartsoscillator?
En kvartsoscillator är en elektronisk krets som genererar en signal med en frekvens bestämd av en kvartskristall bildad av kisel och syre. Den piezoelektriska egenskapen hos kvarts gör den till en mycket bra resonator från tiotals Kilohertz (KHz) till hundratals Megahertz (MHz). En kvartskristalloscillator är vanligtvis utformad för att endast fungera med en enda exakt frekvens. Dessa oscillatorer används för att skapa stabila frekvenser i mobiltelefoner, GPS-mottagare (Global Positioning System) och tvåvägsradio. De används också för exakt tidtagning i klockor, datorer och annan elektronisk utrustning.
En kristall av piezoelektriskt material såsom kvarts kan ändra form något när en spänning appliceras på en elektrod på kristallen. När denna spänning har tagits bort kan kristallen återgå till sin ursprungliga form och generera en spänning när den gör det. Denna egenskap upptäcktes 1880 och kallades piezoelektricitet och är avgörande för driften av en oscillator. Experiment utfördes med olika kristallmaterial över tiden och den första kvartsoscillatorn monterades i slutet av 1910-talet. Sedan 1920-talet har kvartskristalloscillatorer ofta använts i klockor såväl som amatör, kommersiell och militär radioutrustning.
När en kvartsoscillator först startas, introducerar kretsen en slumpmässig brussignal till kristallen. En del av det bullret kommer alltid att vara vid kristallens resonansfrekvens, vilket får kristallen att svänga. Spänningen som produceras av kristallen när den ändrar form förstärks av kvartsoscillatorkretsen och matas tillbaka till kristallresonatorn. När denna process upprepas kommer signalerna inom kristallets begränsade frekvensband att bli starkare medan andra frekvenser filtreras ut. När denna "uppvärmningsperiod" är klar, kommer oscillatorn att fungera exakt med sin utformade frekvens.
Formen, storleken och snittet på en kvartskristall avgör hur snabbt det expanderar och drar sig ihop. En kvartsoscillator kan arbeta med denna hastighet, kallad resonansfrekvens. Den kan också arbeta med en översignalfrekvens, som är en multipel av resonansfrekvensen. Medan kvartskristaller förekommer naturligt i miljön, tillverkas ett mycket stort antal för att öka utbytet och utbudet av fysiskt användbara kristaller.
Frekvensutgången från en kvartsoscillator kan påverkas av en rad externa faktorer inklusive temperatur och till och med plötslig acceleration. Strålning påverkar också frekvensen, oavsett om det är från kosmiska strålar i ett rymdskepp, röntgenstrålar eller en puls av joniserande strålning. Vissa av dessa faktorer kan kompenseras med extra kretsar som övervakar förhållandena och justerar oscillatorutgången därefter. Vissa kvartsoscillatorer har en exakt kontrollerad ugn med kristallen inuti för att kompensera för temperaturförändringar. Kvartskristaller kan också "svepas" eller härdas mot strålning genom att baka dem i en specialiserad atmosfär och elektriskt fält.