Dlaczego przewaga mechanicznych oscylatorów w obwodach elektronicznych?

Źródła zegara we współczesnej elektronice wydają się pochodzić niezmiennie z oscylatorów kwarcowych i MEMS, które generują drgania mechanicznie. Amplituda i częstotliwość wibracji są rzędami wielkości różniącymi się od codziennych wibracji mechanicznych, które obserwuję na przykład w instrumentach muzycznych. Niemniej zaskakuje mnie, że nie otrzymujemy źródeł zegara bezpośrednio w dziedzinie elektromagnetycznej, powiedzmy, używając elementów pojemnościowych lub indukcyjnych.

Wiem, że szczególnie cewki indukcyjne są trudne do wytworzenia bez strat pasożytniczych. Ale spodziewałbym się, że mechaniczne oscylatory również nie będą idealne.

Można użyć opóźnienia propagacji elektryczności, ale wtedy trudno byłoby stworzyć mały oscylator działający na niskich częstotliwościach.

Czy to naprawdę prawda, że możemy stworzyć mikroskopijne urządzenia wibracyjne bardziej idealnie niż możemy wytwarzać elektryczne elementy oscylacyjne?

oscillator physics mems

— Gus
źródło

Tylko uwaga - kryształy kwarcu były nową, lepszą kontrolą częstotliwości radiotelefonów w latach dwudziestych. Mam amatorskie czasopisma radiowe z 1928 r., W których są one już uznaną technologią (choć znacznie większą niż obecnie). Przez pewien czas były one najlepszym standardem kontroli częstotliwości, jaki wyprzedzają zegary atomowe w (chyba) latach czterdziestych i pięćdziesiątych. Więc praktyczna odpowiedź na Twoje pytanie jest, ponieważ działają one lepiej i taniej, i nikt nie był w stanie zrobić lepiej, nie będąc o wiele droższe.

— TimWescott,

Dzięki za tę notatkę. Pomijając praktyczność, czy wydaje ci się to zaskakujące? Gdyby ktoś powiedział mi, że napięcie odniesienia w obwodzie pochodzi z generatora podłączonego do źródła stałej prędkości. (lub jeszcze lepiej, z amplitudy prądu lub napięcia generowanego przez kryształ kwarcu), pomyślałbym, że to trochę zabawne. Wiedziałem, że oscylatory kwarcowe były przez pewien czas mechaniczne, ale dzisiaj dziwne było dla mnie to, że w rzeczywistości jest dobre. Wydaje się, że domena elektryczna wygrywa w przetwarzaniu sygnału, przesyłaniu energii, komunikacji itp.

— Gus

Gdybym miał pozostać tak zaskoczony wszystkim, co nie ma natychmiastowego sensu, nie byłbym w stanie wstać rano z łóżka ze zdziwieniem, że słońce wstaje i grawitacja nadal działa. Przypuszczam, że to trochę zaskakujące, ale wymagałoby to bardzo głębokich badań, aby znaleźć naprawdę dobre „dlaczego”. Mam tendencję do nieufności wobec wszystkiego, co się glib; Nie jestem pewien, czy naprawdę istnieje dobre, w 100% prawdziwe i krótkie wyjaśnienie tego.

— TimWescott,

Kwarc jest po prostu niesamowity . Jego efekt piezoelektryczny jest bardzo duży (związek między jego właściwościami mechanicznymi / elektrycznymi). Jego naturalny współczynnik temperaturowy jest bardzo mały. Pozostały wpływ temperatury można zmniejszyć, obracając płaszczyzny kryształów. Szlifowanie / docieranie można wykonywać z dużą precyzją. Czasami wszechświat daje ci taki dar.

— glen_geek

Jako początkujący amator radiowy w połowie lat 50. FCC WYMAGAŁA mi używania kryształów kwarcu. Na szczęście znalazłem źródło tanich kryształów około 6,5 MHz i udało mi się je zmielić do około 7,15 MHz.

— richard1941

Odpowiedzi:

Ponieważ urządzenia mechaniczne są znacznie bardziej stabilne niż ich elektryczne odpowiedniki. Porównajmy oscylator kwarcowy z oscylatorem LC:

Kryształ:

Ma bardzo wysokie Q. Według wikipedii , oscylator kwarcowy ma typowe Q wynoszące od 10 000 do 1 000 000.
Stabilny z temperaturą. Wiele kryształów jest określonych przy <50 ppm w ich zakresie temperatur, a dostępne są również kryształy z kompensacją temperatury lub kontrolowane, aż do ~ 1 ppm z temperaturą
Produkowane z ścisłą tolerancją. Tanie kryształy są zwykle określane na ~ 25 ppm, ale dostępne są węższe tolerancje

LC lub RC:

Niedostępne jako zintegrowane urządzenie, dlatego należy je montować z półki (chyba że zintegrowane z MCU lub podobnym)
Niskie Q, trudno jest zbudować cewkę o Q wyższym niż kilkaset
Wrażliwe na temperaturę - utrwalenie stabilnych temperaturowo induktorów jest trudne
Wrażliwe na napięcie - napięcie progowe i napięcie ładowania w obwodzie sprzężenia zwrotnego zwykle zależą od napięcia.

Nie oznacza to jednak, że oscylatory elektryczne nigdy nie są używane, tylko że nie są używane tam, gdzie potrzebna jest duża precyzja. Mają jednak pewne zalety w stosunku do oscylatorów kwarcowych:
Można je łatwo zintegrować z innym układem scalonym. Wiele mikrokontrolerów jest teraz wyposażonych w zintegrowany oscylator
Czasami zużywają mniej energii. Często mikrokontroler zawiera oscylator o niskiej mocy do uruchamiania timera watchdoga, który zużywa mniej energii niż kryształ o wysokiej prędkości (MHz), a czasem mniej mocy niż kryształ o niskiej prędkości (32,768 kHz).
Ponieważ można je zintegrować z układem scalonym, można je stosować w miejscach, w których kryształ byłby zdecydowanie za duży
Można je dostroić dość łatwo. Kryształ można tak naprawdę przesunąć tylko o kilka kHz w stosunku do jego skalibrowanej częstotliwości, ale regulując pojemność obwodu LC (jak w przypadku diody warystorowej), częstotliwość można regulować w dość szerokim zakresie. Oznacza to, że oscylatory LC mogą być stosowane w obwodach takich jak PLL lub VCO, być może nawet zablokowane na krystalicznej referencji.

Oscylatory niemechaniczne są stosowane w wielu urządzeniach, ale nie w tych, w których wymagany jest dokładny pomiar czasu.

— C_Elegans
źródło

Czułość oscylatora na szum jest odwrotnie proporcjonalna do Q. Jest to jeden z powodów, dla których obwód RC byłby gorszy niż obwód LC - obwód LC może mieć Q równy 100 lub więcej, obwód RC ma Q mniejszy niż jeden, zawsze.

— TimWescott,

Wysoka Q odnosi się również do stabilności systemu. Wysoki Q oscylator ma mniejsze szumy fazowe niż jednego niskim Q, co jest ważne dla układów radiowych i rozrządu wrażliwej rzeczy (jak kontrolowania zegara ADC lub DAC)

— C_Elegans

„Wydaje mi się, że założyłem, że za podobną cenę możemy zbudować dokładniejsze napięcie odniesienia niż oscylator mechaniczny”. Tylko jeśli masz pod ręką zegar atomowy. I trochę ciekłego azotu. Zobacz ten link .

— TimWescott,

„Myślałem, że dla dowolnej wartości tłumienia i dowolnej wartości masy można wybrać sprężynę” ... Tak, ale zwiększenie prędkości sprężyny zwiększa Q, chyba że zwiększysz tłumienie, aby dopasować.

— TimWescott,

10^{- 10}

$10^{-10}$

Nie jest tak naprawdę to, czy dławiki i kondensatory można wykonać precyzyjniej niż oscylator mechaniczny. To, czy te elementy mogą działać stabilnie w zakresie napięć / temperatur. O ile nie chcesz zaprojektować wszystkich obwodów w taki sposób, aby zawierały napięcie odniesienia pasma, termometr i obwód grzewczy w celu utrzymania stałego napięcia / temperatury, nie można uzyskać pracy cewek indukcyjnych i kondensatorów prawie tak stabilnych jak kryształ .

Aby dostroić kryształ do właściwej częstotliwości podczas produkcji, zakładam, że mogliby go wypolerować, aż osiągnie odpowiedni rozmiar. Możesz także produkować osłony i cewki indukcyjne tak dokładnie, jak potrzebujesz. Problem polega na tym, że po prostu tam nie zostanie.

— horta
źródło

Czy ważne jest, aby źródło zegara było stabilne w zakresie napięć? Doszedłem do wniosku, że współczesna elektronika, podobnie jak twój telefon komórkowy, ma dokładne napięcie odniesienia (z powodu przerwy w paśmie). Stabilność w stosunku do temperatury ma większy sens. Są kontrolowane przez piec oscylatory kryształowe, więc muszą być wrażliwe na temperaturę, ale w mniejszym stopniu?

— Gus

@Gus zakres napięcia nie będzie tak ważny jak temperatura. Dla naprawdę dokładnych rzeczy sensowne jest kontrolowanie temperatury kryształu.

— horta

Telefony komórkowe GSM są przycinane częstotliwościowo, więc pakiety nie dryfują w czasie; zapewnia to, że zawsze istnieje przewidywany czas rozpędzania i zwalniania między pakietami i nigdy nie brakuje równoczesnych pakietów lub nie występuje w nich konflikt.

— analogsystemsrf