Kellot ja signaalilähteet

Samankaltaiset tiedostot
Kellot, taajuuslähteet. Kellot, taajuuslähteet. Mittaustekniikan perusteet / luento 6 Perusmittalaitteet 4. Kideoskillaattorit

Kellot, taajuuslähteet. Mittaustekniikan perusteet / luento 6 Perusmittalaitteet 4. Kellot, taajuuslähteet. Kideoskillaattorit

Kellot, taajuuslähteet. Mittaustekniikan perusteet / luento 6 Perusmittalaitteet 4. Kellot, taajuuslähteet. Kideoskillaattorit

HARJOITUSTYÖ: Mikropunnitus kvartsikideanturilla

Radioamatöörikurssi 2013

Lähettimet ja vastaanottimet. OH3TR:n radioamatöörikurssi

Radioamatöörikurssi 2015

Tervetuloa. S Mittaustekniikan perusteet A S Mittaustekniikan perusteet Y. Pe 14:15-15:45 E111-salissa. Mittaustekniikan perusteet

Tervetuloa. Luennointi ja tiedotus. Mittaustekniikan perusteet. Suorittaminen. Suorittaminen

Lähettimet ja vastaanottimet

Flash AD-muunnin. Ominaisuudet. +nopea -> voidaan käyttää korkeataajuuksisen signaalin muuntamiseen (GHz) +yksinkertainen

Radioamatöörikurssi 2014

SI-järjestelmä uudistuu

Opetuskalvot aiheesta pietsokontrollerit

Tervetuloa. Luennot ja tiedotus. Mittaustekniikan perusteet. Suorittaminen. Suorittaminen

Referenssit ja näytteenotto VLBI -interferometriassa

Radioamatöörikurssi 2017

RATKAISUT: 22. Vaihtovirtapiiri ja resonanssi

Radioamatöörikurssi 2018

Pietsoelementtien sovelluksia

Varauspumppu-PLL. Taulukko 1: ulostulot sisääntulojen funktiona

Perusmittalaitteet 2. Yleismittari Taajuuslaskuri

3 Taajuuslaskuri. 3.1 Yleistä digitaalisista mittareista. 3.2 Taajuuslaskuri Yleistä. Työn tavoitteet

Radioamatöörikurssi 2016

Dynatel 2210E kaapelinhakulaite

FYSP105/2 VAIHTOVIRTAKOMPONENTIT. 1 Johdanto

FYSP105/2 VAIHTOVIRTAKOMPONENTIT. 1 Johdanto. 2 Teoreettista taustaa

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

Ongelmia mittauksissa Ulkoiset häiriöt

PHYS-C0240 Materiaalifysiikka (5op), kevät 2016

Kvantittuminen. E = hf f on säteilyn taajuus h on Planckin vakio h = 6, Js = 4, evs. Planckin kvanttihypoteesi

S Elektroniset mittaukset ja elektroniikan häiriökysymykset. Petri Kärhä 27/01/2004 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 1

= vaimenevan värähdysliikkeen taajuus)

Liitännät ja lisälaitteet

SI-mittayksiköt. Martti Heinonen VTT MIKES. FINAS-päivä National Metrology Institute VTT MIKES

Radioamatöörikurssi 2016

PYP I / TEEMA 4 MITTAUKSET JA MITATTAVUUS

Vahvistimet ja lineaaripiirit. Operaatiovahvistin

Spektri- ja signaalianalysaattorit

A/D-muuntimia. Flash ADC

PYP I / TEEMA 8 MITTAUKSET JA MITATTAVUUS

Perusmittalaitteet 3. Yleismittari. Mittaustekniikan perusteet / luento 5. Digitaalinen yleismittari. Digitaalinen yleismittari.

Nimi: Muiden ryhmäläisten nimet:

S OPTIIKKA 1/10 Laboratoriotyö: Polarisaatio POLARISAATIO. Laboratoriotyö

Fononit. Värähtelyt lineaarisessa atomiketjussa Dispersiorelaatio Kaksi erilaista atomia ketjussa Fononit kolmessa dimensiossa

Käytännön radiotekniikkaa: Epälineaarinen komponentti ja signaalien siirtely taajuusalueessa (+ laboratoriotyön 2 esittely)

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

Petri Kärhä 04/02/04. Luento 2: Kohina mittauksissa

12. Eristeet Vapaa atomi

Jos sinulla on kysyttävää 10. Vastaanotin toimi.

Lähettimet ja vastaanottimet

FYS206/5 Vaihtovirtakomponentit

Lähettimet ja vastaanottimet. OH3NE:n radioamatöörikurssi

521124S Anturit ja mittausmenetelmät (5 op/3 ov) Koe

Elco elektroninen termostaatti ELTH

12. Eristeet Vapaa atomi. Muodostuva sähköinen dipolimomentti on p =! " 0 E loc (12.4)

LOPPURAPORTTI Lämpötilahälytin Hans Baumgartner xxxxxxx nimi nimi

Wien R-J /home/heikki/cele2008_2010/musta_kappale_approksimaatio Wed Mar 13 15:33:

Infrapunaspektroskopia

Antureiden aika Elektroniikkainsinöörien seura EIS 80 vuotta Hannu Martola toimitusjohtaja VTI Technologies Oy

Kondensaattorin läpi kulkeva virta saadaan derivoimalla yhtälöä (2), jolloin saadaan

Tervetuloa. Mittausteknikka. Mittaustekniikan perusteet. Mittaustekniikka. Mittaustekniikka

Vahvistimet. A-luokka. AB-luokka

Luento 13: Periodinen liike. Johdanto Harmoninen värähtely Esimerkkejä F t F r

Kapasitiivinen ja induktiivinen kytkeytyminen

FRANCKIN JA HERTZIN KOE

S Elektroniikan häiriökysymykset. Laboratoriotyö, kevät 2010

Jakso 6: Värähdysliikkeet Tämän jakson tehtävät on näytettävä viimeistään torstaina

Mikrofonien toimintaperiaatteet. Tampereen musiikkiakatemia Studioäänittäminen Klas Granqvist

Induktiivisuus WURTH ELEKTRONIK. Induktiivisuuden ABC

Radioastronomian käsitteitä

REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 KERTAUSTA

DEE Aurinkosähkön perusteet

Chem-C2400 Luento 4: Kidevirheet Ville Jokinen

Antti Gröhn TESTIVERKON KELLOSYNKRONOINTI

Kaksi yleismittaria, tehomittari, mittausalusta 5, muistiinpanot ja oppikirjat. P = U x I

BY-PASS kondensaattorit

Yksikkömuunnokset. Pituus, pinta-ala ja tilavuus. Jaana Ohtonen Språkskolan/Kielikoulu Haparanda-Tornio. lördag 8 februari 14

1240eV nm. 410nm. Kun kappaleet saatetaan kontaktiin jännite-ero on yhtä suuri kuin työfunktioiden erotus ΔV =

Alikuoret eli orbitaalit

Pinces AC/DC-virtapihti ampèremetriques pour courant AC

Radioamatöörikurssi 2014

U-REMIX USB RF 2 RF 1 POWER

Varavoiman asiantuntija. Marko Nurmi

VIM RM1 VAL / SKC VIBRATION MONITOR RMS-MITTAUSJÄRJESTELMÄLLE KÄSIKIRJA. VIM-RM1 FI.docx / BL 1(5)

Televerkon synkronointi

2. Fotonit, elektronit ja atomit

OPERAATIOVAHVISTIN. Oulun seudun ammattikorkeakoulu Tekniikan yksikkö. Elektroniikan laboratoriotyö. Työryhmä Selostuksen kirjoitti

Kondensaattorin läpi kulkeva virta saadaan derivoimalla yhtälöä (2), jolloin saadaan. cos sin.

PUOLIJOHTEISTA. Yleistä

MICRO-CAP: in lisäominaisuuksia

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA 1

SÄHKÖENERGIATEKNIIIKKA. Harjoitus - luento 6. Tehtävä 1.

Ch4 NMR Spectrometer

KOHINA LÄMPÖKOHINA VIRTAKOHINA. N = Noise ( Kohina )

Fysiikka 8. Aine ja säteily

a) I f I d Eri kohinavirtakomponentit vahvistimen otossa (esim.

2.1 Ääni aaltoliikkeenä

1 f o. RC OSKILLAATTORIT ja PASSIIVISET SUODATTIMET. U r = I. t τ. t τ. 1 f O. KAJAANIN AMMATTIKORKEAKOULU Tekniikan ja liikenteen ala

Transkriptio:

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

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

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 45 000 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

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: ~1 10 9 / W 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 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

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 9192631770 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 1/2 9.192 GHz F=3 Kuva: S. Svanberg, Atomic and Molecular Spectroscopy

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) 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 ) SternGerlach magneetti Ramseyjuovakuvio f f 0 Hz 100 10 10 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

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)

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