|
[[Pilt:3Com_OfficeConnect_ADSL_Wireless_11g_Firewall_Router_2012-10-28-0866.jpg|pisi|25 MHz kvartsostsillaator [[WiFi]]-[[ruuter]]is]]
'''Kristallostsillaator''' on [[ostsillaator]], mille võnkesagedust määravaks elemendiks on kvarts[[resonaator]] või keraamiline resonaator. Niisuguse ostsillaatori signaali kasutatakse stabiilse [[taktsagedus]]ena [[mikroprotsessor]]ites ja muudes digitaalelektroonika seadmetes (sealhulgas arvutites ja kvartskellades) ning raadiosignaali [[kandesagedus]]e stabiliseerimiseks raadioseadmetes. ▼ [[File:Quartz resonators-01.jpeg|thumb|Kristallostsillaatoreis kasutatavad kvartsresonaatorid]]
==Kvartsresonaator==
Kvartsresonaator on [[kvarts]][[kristall]]ist kindla nurga all väljalõigatud õhuke ümmargune või ristkülikukujuline plaat, mis on kinnitatud hoidikusse kahe metallplaadi ‒ [[elektrood]]i ‒ vahele. Resonaatori resonantsisagedusel toimub võnkumise genereerimine elektromehaaniliselt: kristalli elektroodidele rakendatud [[elektripinge]] kutsub [[piesoelekter|piesoelektrilise pöördefekti]] tulemusena esile elektroodide vahekauguse muutumise; kui kristallile väljastpoolt rakendatud elektripinge muutub nulliks (vahelduvvoolu korral läbib pingekõver nulli), taastab kristall oma esialgse kuju, kusjuures kristalli elektroodide vahel tekib elektripinge (piesoefekt!). Kui seda pinget kasutada [[võimendi|võimenduslülituses]] positiivse [[tagasiside]] signaalina, saadakse katkematute siinusvõnkumiste [[generaator]] ‒ [[ostsillaator]], millel on väga kõrge [[hüvetegur]] ja stabiilne [[võnkesagedus]].
▲'''Kristallostsillaator''' on [[ostsillaator]] ([[siinusvõnkumine |siinusvõnkumise]] [[elektrongeneraator]]), mille võnkesagedust määravaks elemendiks on kvarts[[ piesoelektriline resonaator]] (kvartsresonaator või keraamiline resonaator ). NiisuguseNiisuguste ostsillaatoriostsillaatorite signaalikindla sagedusega elektrisignaali kasutatakse stabiilse [[taktsagedus]] enae saamiseks [[ mikroprotsessorarvuti]]tes, [[kontroller]]ites , [[kell]]ades ja muudes digitaalelektroonika seadmetes , (sealhulgas arvutites ja kvartskellades) ningsamuti raadiosignaali [[kandesagedus]]e stabiliseerimiseks raadioseadmetes[[raadiosaatja]]tes.
Kvartsi oluliseks eeliseks on samuti resonantsisageduse väike sõltuvus temperatuurist. Aja möödudes kristalli sagedus siiski veidi muutub; seda omadust nimetatakse vananemiseks. Põhjuseks võib olla näiteks see, et elektroodidest difundeeruvad aatomid kristallivõresse, seda moonutades, ka võib elektroodide surve kristallile nõrgeneda.
== Kristallostsillaatori väljundsagedus == ▼Kvartsresonaatori resonantsisagedus on määratud tema mõõtmete ja lõike orientatsiooniga, s.t millise nurga all kristalli ''x-y-z''-telgede suhtes plaat on välja lõigatud. Valmistatakse kvartsresonaatoreid resonantsisagedusega mõnest kilohertsist sadade megahertsideni. Ligikaudu 1 MHz sagedusega kvartsresonaatorid on kõige stabiilsemad.
Kristallostsillaatori väljundsagedus võib olla kas kvartskristalliresonaatori [[põhisagedus]] (resonantsisagedus) või siis selle sageduse kordne, s.t mõni [[ülemheli|ülemtoon]] ehkkõrgem harmooniline. Ostsillaatorid sagedusega kuni 30 MHz töötavad tavaliselt resonaatoriiresonaatori põhisagedusel, sageduselkui aga väljundsagedus on üle 30 MHz , siis kolmandal, viiendal või seitsmendal harmoonilisel (alati paaritu arv). Harmoonilisi sagedusi kasutatakse sellepärast, et kuna kvartsi võnkesagedus sõltub tema paksusest , muutuksid sagedustel üle 30 MHz kristallid nii õhukeseks, et nende tootmine oleks väga keeruline ja kulukas. TootjadSeepärast kalibreerivad ülemtoonistootjad kristallidresonaatori ülemtoonimõnel kõrgemal harmoonilisel sagedusel, mitte põhisagedusel. Näiteks , kui onkvarts põhisagedusega 30 MHz kvarts, mis on kalibreeritud kolmandal ületoonilharmoonilisel, siis kui see panna kristalli põhisagedusele mõeldud ostsillaatori vooluringi, võib väljundsageduseks olla hoopis 10 MHz (30/ 3MHz3 MHz). <ref name="SpecifyingQuartz" /> ▼
Kristallresonaatorite resonantsisagedused pole standardiseeritudstandarditud, aga on välja kujunenud mõned rohkem kasutatavad sagedused, näiteks 3,579545 MHz, 10 MHz, 14,318 MHz, 20 MHz, 33,33 MHz, ja 40 MHz. Sagedus 3,579545 MHz on saanud populaarseks oma madala hinna tõttu sellest ajast, kui neid hakati kasutama Põhja- ja Kesk-Ameerikas värvitelerites . Sagedusjagurite ja -kordistite abil on võimalik saada algsagedusest muid vajalikke sagedusi. ▼===Resonaatori elektriline aseskeem===
Kvartsresonaatori elektrilise aseskeem koosneb järgmistest elementidest:
*''C''<sub>0</sub> ‒ staatiline [[mahtuvus]] metallelektroodide vahel, enamasti mõni [[piko-|piko]][[farad]];
*''C''<sub>1</sub> ‒ dünaamiline mahtuvus [[võnkering]]i jadavõnkesagedusel; sõltub kristalli elektroodide suurusest ja mõõdetakse [[femto-|femto]][[farad|faradites]];
*''L''<sub>1</sub> ‒ dünaamiline [[induktiivsus]] jadavõnkesagedusel;
''R''<sub>1</sub> ‒ [[takistus]] jadavõnkesagedusel.
Sagedusjagurite ja -kordistite abil on võimalik saada algsagedusest muid vajalikke sagedusi.
Resonaator on samaväärne jada[[võnkering]]iga ''C''<sub>1</sub>''L''<sub>1</sub>''R''<sub>1</sub>, millega on rööbiti elektroodide mahtuvus ''C''<sub>0</sub>. Kuna suhe ''L''<sub>1</sub>/''C''<sub>1</sub> on suur ja kaotakistus ''R''<sub>1</sub> väike, on kvartsgeneraatori [[hüvetegur]] väga suur, ulatudes sadade tuhandeteni.
== Kristallostsillaator arvutistaktgeneraatorina == ▼===Kvartsresonaatori ajaloost===
ArvutitesArvutitehnikas kasutatakse kristallostsilaatoreid [[taktgeneraator]]ina eri komponentide töö sünkroonimiseks. Arvuti [[emaplaat|emaplaadil]] asetsev taktgeneraator annab taktsagedust kõigile arvuti põhikomponentidele nende töö sünkroonimiseks. Tüüpiliselt genereeritakse eraldi signaalid protsessorile (õigemini siinile, mis protsessorit ühendab), graafikakaardile, mäludele ja erinevatelemuudele siinidele. ▼Piesoelektrilised omadused teatud materjalide puhul avastas 1880. aastal Jacques ja Pierre Curie. Esimese maailmasõja ajal uurisid Paul Langevin ja Constantin Chilowski kvartsi võnkeomadusi allveelaevu tuvastava sonari väljatöötlemiseks. 1917. aastal ehitas Alexander M. Nicholson, kes töötas Belli Laboratooriumides esimese kristalli sisaldava ostsillaatori, milles oli kasutusel Rochelle'i soola kristall.<ref name="Nicholson" /> Neli aastat hiljem valmistas Walter Guyton Cady, esimese kvartskristallostsillaatori<ref name="Marrison1948" />.
[[Pilt:Inside QuartzCrystal-Tuningfork.jpg|pisi| 200150 px| KellakvartsiKella mikrofotodmikrokvarts]] ▼Aastal 1926 hakati kvartskristalle kasutama raadiosaatjais, need muutusid väga populaarseks ka raadioamatööride hulgas. 1928. a. töötas Warren Marrison välja esimese kvartskella. Sellest ajast hakati aja arvestamisel toetuma kvartskristalli naturaalsele vibratsioonile, mis parandas täpsust 1 sekundini 30 aasta jooksul (viga 33 millisekundit aastas).
== Kella kristallostsillaator == ▼1969. aastal tõi Jaapani kellatootja Seiko turule esimese kvartskäekella, mis küll ei osutunud kuigi populaarseks peamiselt kalli hinna tõttu (see oli võrdne auto hinnaga). Sellegipoolest märkis [[Elektri- ja Elektroonikainseneride Instituut|IEEE]] selle ära ühe olulisema saavutusena elektro- ja elektroonikatehnika vallas.<ref name="IEEEMilestones" />
Elektronkellades kasutatakse taktgeneraatorina miniatuurset, nn. mikrokvartsresonaatorit. Resonaatori omavõnkesagedus võib olla näiteks 65 536 Hz = 2<sup>16</sup> Hz. Seda sagedust poolitatakse 16 järjestikuse [[triger]]iga sageduseni 1 Hz, mis osutitega kellas käivitab spetsiaalse [[samm- mootorimootor]]i.<ref name="R8q6o" /> . Resonaatori võnkesageduse lubatud hälve võib olla näiteks ±20 ppm (miljondikosa) resonantsisagedusest temperatuuril 25 °C ja sageduse muutus esimese aasta jooksul kuni ±5 ppm, edaspidi sagedus stabiliseerub. ▼
==Piesokeraamiline resonaator==
*[[Resonaator]]
Piesokeraamiline resonaator valmistatakse piesoelektriliste omadustega keraamilisest materjalist ja kasutatakse nagu kvartsresonaatorit peamiselt kompaktsetes ostsillaatorites. Keraamilised resonaatorid jäävad sageduse täpsuselt ja ka stabiilsuse poolest kvartsresonaatoreist tunduvalt maha, ent on mõõtmeilt väiksemad ([[SMD-komponent|SMD-komponendid]] nt 1,2×3,2 mm), mehaaniliselt tugevamad ja märksa odavamad toota. Resonaatori valmistamisel moodustatakse ka kaks võnkesagedust määravat kondensaatorid, mistõttu lihtsustub ostsillaatori skeem.
*[[Piesoresonaator]]
{| class="wikitable"
|[[File:Filtres céramique.jpg|150px]]|| [[Pilt:Schaltsymbol-Keramikresonator.svg|75px]]||[[Pilt:Resonator-Ersatzschaltung.svg|100px]]||[[Pilt:Pierce-Oszillatorschaltung-3.png|200px]]
|-
|colspan=4|Keraamiliste resonaatorite pilt, tingmärk (mahtuvusharundiga), aseskeem ja resonaatoriga (Keramikresonator) ostsillaator.
|}
Keraamilised resonaatorid valmistatakse mitmeastmelise termilise ja mehaanilise töötlemise käigus ferromagnetiliste materjalide graanulite peeneks jahvatatud segust. Peamised lähtematerjalid on plii-tsirkonaat-titanaadid, plii-magneesium-niobaadid ja kaalium-naatrium-niobaadid koos muude metallide lisanditega.
Resonantsisageduse tolerants jääb etteantud temperatuurivahemikus piiresse ±(0,1 ‒ 0,5) %; see on keskmiselt 50 korda suurem kui kvartsresonaatoril. Resonantsisagedus ajaliseks muutuseks annavad tootjad ±0,3 % 10 aasta jooksul.
▲==Kristallostsillaatori väljundsagedus==
▲Kristallostsillaatori väljundsagedus võib olla kas kvartskristalli [[põhisagedus]] või siis selle sageduse kordne, s.t mõni [[ülemheli|ülemtoon]] ehk harmooniline. Ostsillaatorid sagedusega kuni 30 MHz töötavad tavaliselt resonaatorii põhisagedusel, sagedusel üle 30 MHz kolmandal, viiendal või seitsmendal harmoonilisel (alati paaritu arv). Harmoonilisi sagedusi kasutatakse sellepärast, et kuna kvartsi võnkesagedus sõltub tema paksusest muutuksid sagedustel üle 30 MHz kristallid nii õhukeseks, et nende tootmine oleks väga keeruline ja kulukas. Tootjad kalibreerivad ülemtoonis kristallid ülemtooni sagedusel, mitte põhisagedusel. Näiteks, kui on 30 MHz kvarts, mis on kalibreeritud kolmandal ületoonil, siis kui see panna kristalli põhisagedusele mõeldud ostsillaatori vooluringi, võib väljundsageduseks olla hoopis 10 MHz (30/3MHz). <ref name="SpecifyingQuartz" />
▲Kristallresonaatorite resonantsisagedused pole standardiseeritud, aga on välja kujunenud mõned rohkem kasutatavad sagedused, näiteks 3,579545 MHz, 10 MHz, 14,318 MHz, 20 MHz, 33,33 MHz, ja 40 MHz. Sagedus 3,579545 MHz on saanud populaarseks oma madala hinna tõttu sellest ajast, kui neid hakati kasutama Põhja- ja Kesk-Ameerikas värvitelerites. Sagedusjagurite ja -kordistite abil on võimalik saada algsagedusest muid vajalikke sagedusi.
▲ [[Pilt:Inside QuartzCrystal-Tuningfork.jpg|pisi|200 px|Kellakvartsi mikrofotod]]
▲==Kella kristallostsillaator ==
▲Elektronkellades kasutatakse taktgeneraatorina miniatuurset, nn. mikrokvartsresonaatorit. Resonaatori omavõnkesagedus võib olla näiteks 65 536 Hz = 2<sup>16</sup> Hz. Seda sagedust poolitatakse 16 järjestikuse [[triger]]iga sageduseni 1 Hz, mis osutitega kellas käivitab spetsiaalse samm-mootori<ref name="R8q6o" />. Resonaatori võnkesageduse lubatud hälve võib olla näiteks ±20 ppm (miljondikosa) resonantsisagedusest temperatuuril 25 °C ja sageduse muutus esimese aasta jooksul kuni ±5 ppm, edaspidi sagedus stabiliseerub.
[[Pilt:ICS 952018AF.jpg|right|thumb|Kristallresonaator KTS14,3TI, mis töötab sagedusel 14,318 MHz, ja taktgeneraator ICS952001]]
▲==Kristallostsillaator arvutis==
▲Arvutites kasutatakse kristallostsilaatoreid [[taktgeneraator]]ina eri komponentide töö sünkroonimiseks. Arvuti [[emaplaat|emaplaadil]] asetsev taktgeneraator annab taktsagedust kõigile arvuti põhikomponentidele nende töö sünkroonimiseks. Tüüpiliselt genereeritakse eraldi signaalid protsessorile (õigemini siinile, mis protsessorit ühendab), graafikakaardile, mäludele ja erinevatele siinidele.
{{viited|allikad=
<ref name="Nicholson">{{cite web|last=Nicholson|first=Alexander M.|title=Generating and transmitting electric currents|work=US Patent No. 2212845|publisher=[http://www.uspto.gov/patft/ Online patent database, US Patent and Trademark Office]|url=http://patimg1.uspto.gov/.piw?Docid=02212845&homeurl=http%3A%2F%2Fpatft.uspto.gov%2Fnetacgi%2Fnph-Parser%3FSect1%3DPTO2%2526Sect2%3DHITOFF%2526p%3D1%2526u%3D%25252Fnetahtml%25252FPTO%25252Fsearch-bool.html%2526r%3D1%2526f%3DG%2526l%3D50%2526co1%3DAND%2526d%3DPALL%2526s1%3D2212845.PN.%2526OS%3DPN%2F2212845%2526RS%3DPN%2F2212845&PageNum=&Rtype=&SectionNum=&idkey=NONE&Input=View+first+page}}, filed April 10, 1918, granted August 27, 1940</ref>
<ref name="Marrison1948">{{cite journal|last=Marrison|first=Warren|title=The Evolution of the Quartz Crystal Clock|year=1948|journal=Bell System Technical Journal|publisher=AT&T|volume=27|pages=510–588|url=http://www.ieee-uffc.org/main/history.asp?file=marrison}}</ref>
<ref name="IEEEMilestones">[http://www.ieeeghn.org/wiki/index.php/Milestones:List_of_IEEE_Milestones Nimekiri IEEE poolt määratud ajaloolistest verstapostidest]</ref>
<ref name="SpecifyingQuartz">[http://www.maxim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/726 Specifying Quartz Crystals]</ref>
<ref name="R8q6o">Thanassis Speliotis et al.: ''Micro-motor with screen-printed rotor magnets''. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Volume 316, Issue 2, September 2007,S. 120–123</ref>
}}
*[[Ostsillaator]]
*[[Hüvetegur]]
{{Mall:Elektroonika}}
| 