Mittaustekniikan perusteet / luento 6 Perusmittalaitteet 4 Kellot, taajuuslähteet Kellon (taajuuslähteen) epävarmuus riippuu käytetystä referenssistä Taajuusreferenssejä: Kvartsikiteet Mekaaninen värähtelijä Kuva: Kvartz Kellot ja signaalilähteet Cesiumin perustilan ylihienorakenne Csatomikellot Primäärinormaali (SIsekunti) Rubidiumin perustilan ylihienorakenne Rbatomikellot Vedyn perustilan ylihienorakenne Hmaser RFspektroskopia Maser 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 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 sarjaresonanssipiiri rinnakkaisresonanssipiiri Kuvat: HewlettPackard, application note AN2002 Kiteen ominaiskäyrästö Kide saadaan värähtelemään kuvan mukaisesti sarjaresonanssissa tai rinnakkaisresonanssialueella Oskillaattorin hyvyys luku Q = (2πf S C 1 R 1 ) 1, kuvaa resonanssipiikin leveyttä Kuva: Queen s university, Kiderakenne dept. of chemistry 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: HewlettPackard, application note AN2002
Esimerkkejä värähtelymoodeista (eri leikkaukset) Esim: CMAC HC49 10 MHz ATcut, fundamental mode Koko: ~150 µm 8 mm Sähköinen sijaiskytkentä Kiteen fyysiset ominaisuudet määräävät sijaiskytkennän komponenttien arvot Hajakapasitanssit: elektrodit, pidike, johdot... Kuva: HewlettPackard Taajuus määräytyy fyysisistä mitoista Pyöreät, thikness shear moodissa toimivat kiteet tuottavat hyvälaatuisen signaalin Kiinnitys: Kuva: HewlettPackard Kiteen reaktanssi lähenee nollaa sarjaresonanssissa Kiteen Qarvon suuruusluokka 45 000 Mekaaniset vakiot, mm. massa, dimensiot Häviöt Kuva: HewlettPackard, application note AN2002 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. Kuvat: HewlettPackard, application note AN2002 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 Kuva: HewlettPackard, application note AN200
Sähköinen teho Kiteille on määritelty maksimiteho tätä suuremmilla tehoilla jännitykset voivat ylittää kiteen keston. Riippuvuus: ~1 10 9 /µw Gravitaatio Kiteen taajuus riippuu sen orientaatiosta gravitaation aiheuttaman rasituksen kautta (mm. kiinnitys). Riippuvuus: ~1 10 9 /G Sama ilmiö näkyy mikäli kide altistetaan kiihtyvyyksille Käynnistyskertojen välinen vaihtelu (retrace) Sammutettaessa ja uudelleen käynnistettäessä kideoskillaattorin taajuus voi muuttua ~1 10 8 Tärinä ja iskut Riippuvuus kuten gravitaatiolle Kestävyys: ~ 30 G 10 ms pulssi Tärinän vaikutus keskiarvoistuu pitkällä ajalla, mutta näkyy taajuuskohinassa Yhteenveto: Kuva: HewlettPackard, application note AN2002 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 Epävarmuus Eri lämpötilakompensointimenetelmille Kuva: HewlettPackard, application note AN200
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 Tulevaisuuden komponentti esim. kännyköissä Tutkitaan aktiivisesti Mikronovassa (Prof. I. Tittonen) Periaate: takaisinkykentä Atomikellot jännitesäädettävä (kide) oskillaattori atomaarinen referenssi ulostulo Referenssinä yleensä Cs tai Rb Yksi elektroni uloimmalla kuorella Ylihienorakennetilojen energiaero suuri Suuri höyrynpaine Csatomikello Csatomikello Sekunti on 9192631770 kertaa sellaisen säteilyn jakson aika, joka vastaa cesium 133 atomin siirtymää perustilan ylihienorakenteen kahden energiatason välillä Eli: taajuus saadaan Cs atomin valenssielektronin spinin kääntämiseen tarvittavan kvantin energiasta: E=h f F=4 6 2 S 1/2 9.192 GHz Kalium 39:n perustilan BreitRabi kaavio RF Detector C Oven A B Oven = uuni, josta cesiumsuihku lähtee, A & B = tilanvalintamagneetit, C = heikko magneettikenttä ja Detector = ilmaisin SternGerlach magneetti Ramseyjuovakuvio f f 0 Hz 100 = 10 10 GHz 9 F=3 Kuva: S. Svanberg, Atomic and Molecular Spectroscopy
Csatomikello Rb oskillaattori Maailman ensimmäinen (ajan ylläpidossa käytetty) Csatomikello NPL (Englanti) 1955. Epävarmuus n. 1 s / 300 vuotta Menetelmä demonstroitiin NBS:ssä 1951 Moderni kaupallinen atomikello Agilent 1998. Epävarmuus n. 1 s / 1 400 000 vuotta (~10 13 ) Tutustutaan laboratoriotöissä Paras hinta/laatu suhde verrattuna muihin oskillaattoreihin Toiminta hyvin samanlainen kuin Cs atomikellolla paitsi että käytetään absorptiota Taajuuden siisrtoformaatit Taajuuslähtöjä, esim. 5 MHz, 10 Mhz Kuva: Science museum Sekuntipulssi (1 pps) GPS kellot GPS satelliiteissa on Cs tai Rb atomikellot GPS signaalista saa purettua UTC ajan <1 µs 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) 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