Kellot ja signaalilähteet

Transkriptio

1 Mittaustekniikan perusteet / luento 10 Kellot ja signaalilähteet Määritellään kello Kello = Oskillaattori + Laskuri Figure: Pierre Dube, NRC (Canada) Heiluri > Kideoskillaattori > Optinen kello (taajuusstabiloitu laser) Resoluutio, tarkkuus ja stabiilius paranevat taajuuden kasvaessa Kellot, taajuuslähteet Kellon (taajuuslähteen) epävarmuus riippuu käytetystä referenssistä Taajuusreferenssejä: Kvartsikiteet Cesiumin perustilan ylihienorakenne Csatomikellot Primäärinormaali (SIsekunti) Rubidiumin perustilan ylihienorakenne Rbatomikellot Vedyn perustilan ylihienorakenne Hmaser Mekaaninen värähtelijä RFspektroskopia Maser Kuva: Kvartz Atomikellot Kellot, taajuuslähteet ovat ylivoimaisesti käytetyin taajuusreferenssi Otettu käyttöön 1920luvulla Kehittyvät edelleen Atomikelloissa kideoskillaattorin taajuus lukitaan takaisinkytkennällä atomaariseen referenssiin Atomaarinen referenssi poistaa pitkän ajan taajuusryöminnän kideoskillaattorista Kideoskillaattorin taajuusryömintä voidaan poistaa myös lukitsemalla sen taajuus GPSsignaaliin Edullinen kello, jonka suorituskyky on vain vähän atomikelloja heikompi

2 Pietsosähköinen ilmiö Kideoskillaattorin toiminnan perusta + + Määritelmä: mekaanisen jännityksen tiettyihin kideluokkiin kuuluvissa kiteissä synnyttämä sähköinen polarisaatio, joka on verrannollinen jännitykseen ja jonka etumerkki riippuu jännityksen suunnasta Sähköinen polarisaatio havaitaan jännitteenä kiteen yli Kiteen yli kytketty jännite aiheuttaa muodonmuutoksen Kuva: HewlettPackard Kiteiden muita sovelluksia Puristus generoi jännitteen Mikrofoni Paineanturi Kiihtyvyysanturi Jännite generoi muodonmuutoksen Aktuaattori (siirrin) Kvartsikide oskillaattoripiirissä: Mekaaninen värähtelymoodi määrää kiteen taajuuden Sähköisesti kide näyttää resonaattoripiiriltä Kun kide kytketään oskillaattoripiiriin, osa vahvistimen ulostulon tehosta kytketään takaisin kiteelle, mikä saa sen värähtelemään Mekaaninen värähtely stabiloi taajuuden Voidaan virittää säädettävällä kapasitanssilla Voi olla sähköisesti säädettävä VCO Kiteen ominaiskäyrästö Kide saadaan värähtelemään kuvan mukaisesti sarjaresonanssissa tai rinnakkaisresonanssialueella sarjaresonanssipiiri rinnakkaisresonanssipiiri Kuvat: HewlettPackard, application note AN2002 Oskillaattorin hyvyys luku Q = (2 f S C 1 R 1 ) 1, kuvaa resonanssipiikin leveyttä

3 Kiderakenne Kvartsikide on kiteistä piidioksidia, jonka kiderakenne on trigonaalisymmetrinen Kideoskillaattori valmistetaan leikkaamalla kvartsikiteestä sen symmetriaakseleihin nähden määrätyissä kulmissa oleva pala Valitut kulmat määräävät kiteen sähköiset ja mekaaniset ominaisuudet, esim. värähtelymoodin ja lämpötilariippuvuuden Kuva: Queen s university, dept. of chemistry Esimerkkejä värähtelymoodeista (eri leikkaukset) Taajuus määräytyy fyysisistä mitoista Pyöreät, thikness shear moodissa toimivat kiteet tuottavat hyvälaatuisen signaalin Kiinnitys: Kuva: HewlettPackard Kuva: HewlettPackard Esim: CMAC HC49 10 MHz ATcut, fundamental mode Koko: ~150 m 8 mm Kuva: HewlettPackard, application note AN2002 Sähköinen sijaiskytkentä Kiteen fyysiset ominaisuudet määräävät sijaiskytkennän komponenttien arvot Kiteen reaktanssi lähenee nollaa sarjaresonanssissa Hajakapasitanssit: elektrodit, pidike, johdot... Kiteen Qarvon suuruusluokka Taajuuden riippuvuudet Lämpötila tärkein taajuuteen vaikuttava tekijä, mikäli kide joutuu alttiiksi lämpötilanvaihtelulle Lämpötilariippuvuuden määrää kiteen leikkaus Hystereesi ATleikkaus. Käyrät kuvaavat kiteitä, joiden leikkauskulmat poikkeavat toisistaan joitain kaarisekunteja. Mekaaniset vakiot, mm. massa, dimensiot Häviöt Kuva: HewlettPackard, application note AN2002 Kuvat: HewlettPackard, application note AN2002

4 Aika: pitkän ajan stabiilius Kideoskillaattorin taajuus muuttuu vähitellen Syitä: kiteen ominaisuuksien muutos, atomien tai molekyylien kiinnittyminen tai irtoaminen kiteen pinnasta, kiinnityksen ominaisuuksien muutos Jotta taajuuden epävarmuus pysyisi pienenä, kideoskillaattoria täytyy säännöllisesti säätää. Aika: lyhyen ajan stabiilius taajuuskohina Taajuuskohinan synty oskillaattorissa on väistämätöntä Ympäristotekijät, esim. tärinä, voivat lisätä kohinaa Stabiilius ilmoitetaan yleensä ns. Allanvarianssin neliöjuurena Sähköinen teho Kiteille on määritelty maksimiteho tätä suuremmilla tehoilla jännitykset voivat ylittää kiteen keston. Riippuvuus: ~ / W Gravitaatio Kiteen taajuus riippuu sen orientaatiosta gravitaation aiheuttaman rasituksen kautta (mm. kiinnitys). Riippuvuus: ~ /G Sama ilmiö näkyy mikäli kide altistetaan kiihtyvyyksille Käynnistyskertojen välinen vaihtelu (retrace) Sammutettaessa ja uudelleen käynnistettäessä kideoskillaattorin taajuus voi muuttua ~ Kuva: HewlettPackard, application note AN200 Tärinä ja iskut Riippuvuus kuten gravitaatiolle Kestävyys: ~ 30 G 10 ms pulssi Tärinän vaikutus keskiarvoistuu pitkällä ajalla, mutta näkyy taajuuskohinassa Yhteenveto: Termejä ja lämpötilastabilointimenetelmiä X = Xtal = Crystal (vrt. Xmas = Christmas, Xover = crossover) RTXO = Room Temperature Crystal Oscillator Kiteen leikkaus ja viimeistely siten, että lämpötilan vaikutus vähäinen TCXO = Temperature Compensated Crystal Oscillator Kompensointi ulkoisilla komponenteilla (C, NTC, PTC) jotka kumoavat lämmön muutoksen vaikutusta Uunilla stabiloitu lämpötila On/off tyyppinen lämmitys PIDtyyppinen säätö Kuva: HewlettPackard, application note AN2002

5 Epävarmuus Eri lämpötilakompensointimenetelmille Mikromekaaniset oskillaattorit (MEMS) Aktiivisena rakenteena esim. Jousitettu piipalkki, jonka dimensiot määräävät resonanssitaajuuden +Mahdollisuus integroida piille +Pienempiä kuin kideoskillaattosit Qarvot (hyvyyssluku) toistaiseksi heikompia kuin kideoskillaattorilla, mutta tekniikka paranee Tutkitaan aktiivisesti Mikronovassa (Prof. I. Tittonen) Kuva: HewlettPackard, application note AN200 Atomikellot Csatomikello Periaate: takaisinkykentä jännitesäädettävä (kide) oskillaattori ulostulo Sekunti on kertaa sellaisen säteilyn jakson aika, joka vastaa cesium 133 atomin siirtymää perustilan ylihienorakenteen kahden energiatason välillä Kalium 39:n perustilan BreitRabi kaavio atomaarinen referenssi Referenssinä yleensä Cs tai Rb Yksi elektroni uloimmalla kuorella Ylihienorakennetilojen energiaero suuri Suuri höyrynpaine Eli: taajuus saadaan Cs atomin valenssielektronin spinin kääntämiseen tarvittavan kvantin energiasta: E=h f F=4 6 2 S 1/ GHz F=3 Kuva: S. Svanberg, Atomic and Molecular Spectroscopy

6 Csatomikello RF Detector C Oven A B Oven = uuni, josta cesiumsuihku lähtee, A & B = tilanvalintamagneetit, C = heikko magneettikenttä ja Detector = ilmaisin Csatomikello Maailman ensimmäinen (ajan ylläpidossa käytetty) Csatomikello NPL (Englanti) Epävarmuus n. 1 s / 300 vuotta Menetelmä demonstroitiin NBS:ssä 1951 Moderni kaupallinen atomikello Agilent Epävarmuus n. 1 s / vuotta (~10 13 ) SternGerlach magneetti Ramseyjuovakuvio f f 0 Hz GHz 9 Kuva: Science museum Optiset kellot Figure: Pierre Dube, NRC (Canada) Parhaat mittaustarkkuudet saavutetaan nykyisin optisilla kelloilla Laser, jonka taajuus stabiloidaan atomaariseen referenssiin Siirtyminen optiselta terahertsialueelta sähköisille taajuuksille taajuuskammalla Sratomikello Kehitetään MIKESVTT:llä Yksi 88 Sr+ ioni jäähdytetään muutaman millikelvinin lämpötilaan ja loukutetaan elektrodien väliin Punainen kellolaser virittää ionin tietyllä tarkalla taajuudella Kellolaserin taajuutta voidaan säätää, kun atomin viritys havaitaan

7 Taajuuskampa Idea: pulssijono aikatasossa viivaspektri, jonka viivat ovat toistotaajuuden päässä toisistaan Csatomikelloon synkronoidulla taajuudella katkotaan laserin valoa Optiselle alueelle muodostuu viivaspektri, jossa viivojen väli on verrannollinen Cskellon taajuuteen f n n f rep Sitä roinan määrää Taajuuskampa Optinen taajuus Cskelloon verrannollinen taajuus Taajuuspoikkeama Kuva: D. J. Jones et al., Science 28, 635 (2000). Kuva: D. J. Jones et al., Science 28, 635 (2000). Rboskillaattori GPSkellot Tutustuttiin laboratoriotöissä Paras hinta/laatu suhde verrattuna muihin oskillaattoreihin Toiminta hyvin samanlainen kuin Csatomikellolla, paitsi että käytetään absorptiota Taajuuden siirtoformaatit Taajuuslähtöjä, esim. 5 MHz, 10 Mhz Sekuntipulssi (1 pps) GPSsatelliiteissa on Cs tai Rbatomikellot GPSsignaalista saa purettua UTC ajan <1 s tarkkuudella Vastaanottimissa myös 1 pps lähtöjä Rb ja kvartsioskillaattorien tahdistamiseen Halvin tapa päästä käsiksi atomikelloon! Käytetään mm. tietoverkkojen synkronoinnissa Myös maanpäällisiä lähettimiä saatavilla (US atomic clock, MIKESillä 25 MHz lähetin)

8 Ajanhetki Koordinoitu maailmanaika UTC (TAI UTC) Ylläpidetään sadoilla eri puolilla maailmaa toimivilla atomikelloilla. Välitetään pääasiassa GPSsatelliittien kautta. Esim: 50 Cstaajuusnormaalia jatkuvasti käytössä U.S. naval observatoryssä. Epävarmuus n. 20 ns. Kuvat: Agilent