Tại sao sự xuất hiện của dao động cơ học trong các mạch điện tử?

Các nguồn đồng hồ trong các thiết bị điện tử hiện đại dường như đến từ các bộ dao động thạch anh và MEMS, cả hai đều tạo ra các rung động cơ học. Biên độ và tần số của rung động là thứ tự của các cường độ khác với các rung động cơ học hàng ngày tôi quan sát thấy, nói, các nhạc cụ. Tuy nhiên, điều đáng ngạc nhiên với tôi là chúng ta không lấy nguồn đồng hồ trực tiếp trong miền điện từ, nói rằng sử dụng các yếu tố điện dung hoặc quy nạp.

Tôi biết rằng cuộn cảm đặc biệt khó sản xuất mà không mất ký sinh trùng. Nhưng tôi sẽ mong đợi các bộ dao động cơ học là không lý tưởng là tốt.

Bạn có thể sử dụng độ trễ lan truyền của điện, nhưng sau đó thật khó để tạo ra một bộ dao động nhỏ hoạt động ở tần số chậm.

Có thực sự đúng chúng ta có thể làm cho các thiết bị rung siêu nhỏ lý tưởng hơn chúng ta có thể tạo ra các thành phần dao động điện?

oscillator physics mems

— Gus
nguồn

Chỉ cần lưu ý - Tinh thể thạch anh là bộ điều khiển tần số mới, tốt hơn cho radio trở lại trong những năm 1920. Tôi có các tạp chí radio nghiệp dư từ năm 1928, nơi chúng đã là một công nghệ đã được thiết lập (mặc dù lớn hơn ngày nay). Trong một thời gian, chúng là tiêu chuẩn kiểm soát tần số tốt nhất cần có, chỉ bị vượt qua bởi các đồng hồ nguyên tử trong (tôi nghĩ) những năm 1940 hoặc 1950. Vì vậy, câu trả lời thực tế cho câu hỏi của bạn là bởi vì chúng hoạt động tốt hơn và rẻ hơn, và không ai có thể làm tốt hơn mà không tốn kém hơn nhiều.

— TimWescott

Cảm ơn cho lưu ý đó. Thực tế sang một bên, nó làm bạn ngạc nhiên? Nếu ai đó nói với tôi rằng tham chiếu điện áp trong mạch đến từ một máy phát được kết nối với tham chiếu vận tốc không đổi. (hoặc thậm chí tốt hơn, từ biên độ của dòng điện hoặc điện áp được tạo ra bởi tinh thể thạch anh), tôi sẽ nghĩ rằng điều đó hơi buồn cười. Tôi đã biết rằng các bộ dao động tinh thể là cơ học trong một thời gian, nhưng ngày nay, điều kỳ lạ là nó thực sự tốt trong thực tế. Miền điện dường như giành chiến thắng để xử lý tín hiệu, truyền năng lượng, giao tiếp, v.v.

— Gus

Nếu tôi vẫn còn ngạc nhiên bởi mọi thứ không có ý nghĩa ngay lập tức, tôi sẽ không thể ra khỏi giường vào buổi sáng trong sự ngạc nhiên của tôi rằng mặt trời lên và trọng lực vẫn hoạt động. Tôi cho rằng điều đó thật đáng ngạc nhiên, nhưng nó sẽ đòi hỏi nghiên cứu rất sâu để tìm ra "lý do" thực sự tốt. Tôi có xu hướng không tin tưởng vào bất cứ điều gì glib; Tôi không chắc chắn rằng thực sự có một lời giải thích tốt, đúng 100% và ngắn gọn cho việc này.

— TimWescott

Quartz đơn giản là tuyệt vời . Đó là hiệu ứng áp điện rất lớn (liên kết giữa các tính chất cơ / điện của nó). Hệ số nhiệt độ vốn có của nó là rất nhỏ. Bất kỳ hiệu ứng nhiệt độ còn lại có thể được giảm bằng cách quay các mặt phẳng tinh thể. Nghiền / lapping có thể được thực hiện với độ chính xác cao. Đôi khi, vũ trụ chỉ cho bạn một món quà như vậy.

— glen_geek

Là một nhà điều hành đài phát thanh nghiệp dư mới vào giữa những năm 1950, FCC YÊU CẦU tôi sử dụng các tinh thể thạch anh. May mắn thay, tôi đã tìm thấy một nguồn tinh thể giá rẻ khoảng 6,5 MHz và có thể nghiền lại chúng thành khoảng 7,15 MHz.

— richard1941

Câu trả lời:

Bởi vì các thiết bị cơ khí ổn định hơn nhiều so với các đối tác điện của chúng. Hãy so sánh một bộ dao động tinh thể với một bộ dao động LC:

Pha lê:

Có Q. rất cao Theo wikipedia , một bộ dao động tinh thể có Q điển hình là 10.000-1.000.000.
Ổn định với nhiệt độ. Nhiều tinh thể được chỉ định ở mức <50ppm trong phạm vi nhiệt độ của chúng và các tinh thể được bù hoặc kiểm soát nhiệt độ cũng có sẵn, xuống tới ~ 1ppm với nhiệt độ
Sản xuất đến một dung sai chặt chẽ. Các tinh thể giá rẻ thường được chỉ định là ~ 25ppm, nhưng dung sai chặt chẽ hơn có sẵn

LC hoặc RC:

Không có sẵn như một thiết bị tích hợp, do đó phải được lắp ráp từ các thành phần của kệ (trừ khi được tích hợp vào mcu hoặc tương tự)
Q thấp, thật khó để tạo ra một cuộn cảm có Q cao hơn vài trăm
Nhạy cảm với nhiệt độ - làm cho cuộn cảm ổn định nhiệt độ là khó khăn
Nhạy cảm với điện áp - điện áp ngưỡng và điện áp sạc trong mạch phản hồi thường phụ thuộc vào điện áp.

Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa là bộ dao động điện không bao giờ được sử dụng, chỉ là chúng không được sử dụng khi cần độ chính xác cao. Tuy nhiên, chúng có một số lợi thế so với các bộ dao động tinh thể:
Chúng có thể dễ dàng tích hợp vào một IC khác. Nhiều bộ vi điều khiển hiện nay đi kèm với một bộ dao động tích hợp
Họ (đôi khi) sử dụng ít năng lượng hơn. Thông thường, một bộ vi điều khiển sẽ bao gồm bộ tạo dao động công suất thấp để chạy bộ định thời watchdog, sử dụng ít năng lượng hơn tinh thể tốc độ cao (MHz) và đôi khi ít năng lượng hơn tinh thể tốc độ thấp (32.768kHz).
Vì chúng có thể được tích hợp vào IC, chúng có thể được sử dụng ở những nơi mà một tinh thể quá lớn
Chúng có thể được điều chỉnh khá dễ dàng. Một tinh thể chỉ thực sự có thể được dịch chuyển một vài kHz khỏi tần số hiệu chỉnh của nó, nhưng bằng cách điều chỉnh điện dung của mạch LC (như với một diode biến thiên), tần số có thể được điều chỉnh trong một phạm vi khá rộng. Điều này có nghĩa là bộ tạo dao động LC có thể được sử dụng trong các mạch như PLL hoặc VCO, thậm chí có thể bị khóa với một tham chiếu tinh thể.

Dao động phi cơ học được sử dụng trong nhiều thiết bị, chỉ không ở những nơi cần thời gian chính xác.

— C_Esans
nguồn

Độ nhạy của dao động đối với nhiễu tỷ lệ nghịch với Q. Đó là một phần lý do tại sao mạch RC sẽ kém hơn mạch LC - mạch LC có thể có Q từ 100 trở lên, mạch RC có Q ít hơn hơn một, luôn luôn

— TimWescott

Q cao cũng liên quan đến mức độ ổn định của hệ thống. Bộ tạo dao động Q cao có nhiễu pha ít hơn mức Q thấp, điều này rất quan trọng đối với các mạch vô tuyến và thời gian nhạy cảm (như điều khiển đồng hồ ADC hoặc DAC)

— C_Elegans 27/11/18

"Tôi nghĩ rằng tôi đã giả định rằng chúng ta có thể xây dựng, với chi phí tương tự, một tham chiếu điện áp chính xác hơn so với một bộ dao động cơ học". Chỉ khi bạn có một chiếc đồng hồ nguyên tử tiện dụng. Và một số nitơ lỏng. Xem liên kết này .

— TimWescott

"Tôi đã nghĩ rằng với bất kỳ giá trị nào của giảm xóc và bất kỳ giá trị nào của khối lượng, bạn có thể chọn một lò xo" ... Vâng, nhưng việc tăng tốc độ lò xo sẽ làm tăng Q, trừ khi bạn tăng giảm xóc để phù hợp.

— TimWescott

10^{- 10}

$10^{-10}$

Nó không thực sự cho dù cuộn cảm và tụ điện có thể được chế tạo chính xác hơn một bộ dao động cơ học. Đó là liệu các thành phần đó có thể hoạt động ổn định trong phạm vi điện áp / nhiệt độ. Trừ khi bạn muốn thiết kế tất cả các mạch của mình để có tham chiếu điện áp khoảng cách dải, nhiệt kế và mạch sưởi để giữ điện áp / nhiệt độ không đổi, bạn không thể để cuộn cảm và tụ điện hoạt động ở bất cứ nơi nào gần như ổn định như tinh thể .

Để điều chỉnh một tinh thể theo tần số chính xác trong quá trình sản xuất, tôi cho rằng họ chỉ có thể đánh bóng nó cho đến khi nó có kích thước phù hợp. Bạn cũng có thể sản xuất mũ và cuộn cảm chính xác như bạn cần. Vấn đề là nó sẽ không ở lại đó.

— horta
nguồn

Điều quan trọng là nguồn đồng hồ phải ổn định trong phạm vi điện áp? Tôi đã hình dung rằng các thiết bị điện tử hiện đại, như điện thoại di động của bạn, có tham chiếu điện áp chính xác (do có khe hở băng tần). Sự ổn định về nhiệt độ có ý nghĩa hơn. Có dao động tinh thể điều khiển lò, vì vậy chúng phải nhạy cảm với nhiệt độ, nhưng ở mức độ thấp hơn?

— Gus

Dải điện áp @Gus sẽ không quan trọng bằng nhiệt độ. Đối với công cụ thực sự chính xác, nó có ý nghĩa để kiểm soát tạm thời một tinh thể.

— horta

Điện thoại di động GSM được cắt theo tần số, vì vậy các gói không bị trôi theo thời gian; điều này đảm bảo luôn có thời gian tăng tốc và tăng tốc dự đoán giữa các gói và không bao giờ thiếu hoặc xung đột các gói đồng thời.

— analogsystemsrf