2-16
La mayoría de los usuarios requieren salidas sinusoidales, TTL, CMOS, ECL. Las últimas tres pueden ser generadas a partir de señales sinusoidales. Las cuatro salidas se ilustran abajo, las lineas punteadas representan las señales de alimentación. (No hay un voltaje de alimentación “estándar” para salidas sinusoidales. El voltaje de alimentación para las salidas tipo CMOS típicamente están en el intervalo de 3 V a 15 V.)
+15V
+10V
+5V
0V
-5V
Sine TTL CMOS ECL
Salidas típicas de osciladores de cuarzo
El cuarzo es el único material conocido que posee las siguientes propiedades:
piezoeléctrico
corte de coeficiente de temperatura cero
corte de compensación de esfuerzo
bajo costo (alto Q)
Fácilmente procesable
Abundante en la naturaleza, de crecimiento rápido con alto nivel de pureza.
Propiedades del cuarzo
3-18
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
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
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
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
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