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
(Gp:) 3-34
(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?
3-35
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
(Gp:) Cristal de reloj de pulsera
(Gp:) Cilíndro de 2mm de diámtero y 6 mm de largo
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
? 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
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
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
? 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
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
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
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
(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
4-67
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
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
4-17
Ruido de
amplitud
Inestabilidad
en frecuencia
Ruido
de fase
– Voltaje +
0
Tiempo
Señal de un oscilador de cuarzo
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
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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