فرن كريستالي
فرن الكريستال عبارة عن حجرة مضبوطة الحرارة تُستخدم للحفاظ على بلورة الكوارتز في مذبذبات الكريستال الإلكترونية عند درجة حرارة ثابتة، وذلك لمنع تغير التردد نتيجة لتغيرات درجة الحرارة المحيطة. يُعرف هذا النوع من المذبذبات باسم مذبذب الكريستال المُتحكم فيه بالفرن ( OCXO ، حيث "XO" اختصار قديم لـ "مذبذب الكريستال"). يحقق هذا النوع من المذبذبات أعلى استقرار ممكن للتردد باستخدام الكريستال. وتُستخدم عادةً للتحكم في تردد أجهزة الإرسال اللاسلكية ، ومحطات البث الخلوية ، ومعدات الاتصالات العسكرية، ولأغراض قياس التردد بدقة عالية.
وصف
تُستخدم بلورات الكوارتز على نطاق واسع في المذبذبات الإلكترونية للتحكم الدقيق في التردد الناتج. يعتمد تردد اهتزاز رنان بلورة الكوارتز على أبعاده الفيزيائية. يؤدي تغير درجة الحرارة إلى تمدد الكوارتز أو انكماشه بفعل التمدد الحراري ، مما يُغير تردد الإشارة الصادرة من المذبذب. على الرغم من أن معامل التمدد الحراري للكوارتز منخفض جدًا ، إلا أن تغيرات درجة الحرارة لا تزال السبب الرئيسي لتغير التردد في مذبذبات البلورات.
الفرن عبارة عن غلاف معزول حراريًا يحتوي على البلورة وعنصر تسخين كهربائي واحد أو أكثر . ولأن المكونات الإلكترونية الأخرى في الدائرة عرضة أيضًا لتغيرات درجة الحرارة، فعادةً ما تُحاط دائرة المذبذب بأكملها بالفرن. يُستخدم مستشعر حرارة من نوع الثرمستور في دائرة تحكم مغلقة للتحكم في الطاقة المُزوَّدة للسخان وضمان بقاء الفرن عند درجة الحرارة المطلوبة بدقة. ولأن الفرن يعمل عند درجة حرارة أعلى من درجة حرارة المحيط، فإن المذبذب يحتاج عادةً إلى فترة تسخين بعد توصيل الطاقة للوصول إلى درجة حرارة التشغيل. [ 1 ] خلال فترة التسخين هذه، لن يكون التردد مستقرًا تمامًا كما هو مُصنَّف.
تُختار درجة الحرارة المناسبة للفرن عندها يكون ميل منحنى تردد البلورة مقابل درجة الحرارة صفرًا، مما يُحسّن الاستقرار. تُستخدم بلورات AT-cut أو SC-cut (المُعوَّضة للإجهاد). تتميز بلورات SC-cut بنطاق درجة حرارة أوسع يُمكن عنده تحقيق معامل درجة حرارة قريب من الصفر، وبالتالي تقليل وقت التسخين. [ 2 ] عادةً ما تُستخدم ترانزستورات الطاقة للتسخين بدلًا من عناصر التسخين المقاومة . يتناسب خرج الطاقة فيها طرديًا مع التيار، وليس مربعه، مما يُحسّن خطية كسب حلقة التحكم. [ 2 ]
تبلغ درجة الحرارة الشائعة لفرن الكريستال 75 درجة مئوية ، [ 3 ] ولكن قد تختلف درجة الحرارة بين 30 و80 درجة مئوية حسب الإعداد. [ 4 ]
تُحدد معظم البلورات التجارية القياسية لدرجة حرارة بيئية تتراوح بين 0 و70 درجة مئوية ، بينما تُحدد الإصدارات الصناعية عادةً لدرجة حرارة تتراوح بين -40 و+85 درجة مئوية . [ 5 ]
استقرار
نظرًا للطاقة اللازمة لتشغيل السخان، تتطلب مذبذبات التحكم الحراري بالبلورة (OCXOs) طاقةً أكبر من المذبذبات التي تعمل في درجة حرارة الغرفة، كما أن الحاجة إلى السخان والكتلة الحرارية والعزل الحراري تعني أنها أكبر حجمًا. لذلك، لا تُستخدم في التطبيقات التي تعمل بالبطاريات أو التطبيقات المصغرة، مثل الساعات . مع ذلك، يُحقق مذبذب التحكم الحراري بالبلورة أفضل استقرار تردد ممكن من البلورة. يبلغ استقرار التردد قصير المدى لمذبذبات التحكم الحراري بالبلورة عادةً 1 × 10⁻¹² خلال بضع ثوانٍ، بينما يقتصر الاستقرار طويل المدى على حوالي 1 × 10⁻⁸ (10 جزء في المليار ) سنويًا بسبب تقادم البلورة. [ 1 ] يتطلب تحقيق استقرار أفضل التحول إلى معيار تردد ذري ، مثل معيار الروبيديوم أو معيار السيزيوم أو الميزر الهيدروجيني . ثمة بديل آخر أقل تكلفة وهو ضبط مذبذب البلورة بإشارة توقيت نظام تحديد المواقع العالمي (GPS ) ، مما يُنتج مذبذبًا مضبوطًا بنظام تحديد المواقع العالمي ( GPSDO ). باستخدام جهاز استقبال GPS يمكنه توليد إشارات زمنية مستقرة (حتى ~30 نانوثانية من التوقيت العالمي المنسق )، يمكن لجهاز GPSDO الحفاظ على استقرار التذبذب بمقدار 10 −13 لفترات زمنية ممتدة.
تُستخدم أفران البلورات أيضًا في مجال البصريات. في البلورات المستخدمة في البصريات غير الخطية ، يكون توافق الطور حساسًا لدرجة الحرارة، وبالتالي يتطلب تثبيت درجة الحرارة، خاصةً مع تسخين شعاع الليزر للبلورة. بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم غالبًا إعادة ضبط البلورة بسرعة. في هذا التطبيق، يجب أن تكون البلورة والمقاومة الحرارية على اتصال وثيق للغاية، ويجب أن يتمتع كلاهما بأقل سعة حرارية ممكنة. لتجنب كسر البلورة، يجب تجنب التغيرات الكبيرة في درجة الحرارة خلال فترات زمنية قصيرة.
مقارنة بمعايير التردد الأخرى
| نوع المذبذب * | استقرار ** | التقدم في السن / 10 سنوات | قوة | الكتلة (غ) |
|---|---|---|---|---|
| مذبذب بلوري (XO) [ 6 ] | من 10⁻⁵ إلى 10⁻⁴ | 10...20 جزء في المليون | 20 ميكروواط | 20 |
| مذبذب بلوري معوض حرارياً (TCXO) [ 6 ] | 10 −6 | 2...5 جزء في المليون | 100 ميكروواط | 50 |
| مذبذب بلوري معوض بواسطة حاسوب صغير (MCXO) [ 6 ] | من 10⁻⁸ إلى 10⁻⁷ | 1...3 جزء في المليون | 200 ميكروواط | 100 |
مذبذب بلوري يتم التحكم فيه بواسطة الفرن (OCXO) [ 6 ]
| 2 × 10 −8 5 × 10 −7 | 2 × 10 −8 إلى 2 × 10 −7 2 × 10 −6 إلى 11 × 10 −9 | 1...3 واط | 200...500 |
| معيار التردد الذري للروبيديوم (RbXO) [ 6 ] | 10 −9 | من 5 × 10⁻¹⁰ إلى 5 × 10⁻⁹ | 6...12 غرب | 1500...2500 |
| معيار التردد الذري للسيزيوم [ 6 ] | من 10⁻¹² إلى 10⁻¹¹ | من 10⁻¹² إلى 10⁻¹¹ | 25...40 واط | 10000...20000 |
| نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) [ 7 ] [ 8 ] | من 4 × 10⁻⁸ إلى 10⁻¹¹ | 10 −13 | 4 واط | 340 |
| إشارة التوقيت الراديوي ( DCF77 ) [ 9 ] [ 10 ] | 4 × 10 −13 | — | 87 |
* تتراوح الأحجام والتكاليف من أقل من 5 سم مكعب وأقل من 5 دولارات أمريكية لمذبذبات الكريستال، إلى أكثر من 30 لترًا و 40000 دولار أمريكي لمعايير السيزيوم . ** يشمل ذلك تأثيرات البيئات العسكرية وسنة واحدة من التقادم.
مراجع
- 1 2 "OCXO" . مسرد المصطلحات . قسم الزمن والتردد، المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا. 2008. مؤرشف من الأصل بتاريخ 15-09-2008 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 07-08-2008 .
- 1 2 مارفن إي. فريركينج (1996). "خمسون عامًا من التقدم في معايير تردد بلورات الكوارتز" . وقائع ندوة IEEE للتحكم في التردد لعام 1996. معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. الصفحات 33-46 . مؤرشف من الأصل في 12 مايو 2009. تم الاسترجاع في 31 مارس 2009 .
- ↑ "جهاز تحكم بدرجة الحرارة لفرن الكريستال" . freecircuitdiagram.com . مخطط الدائرة الكهربائية المجاني. 2 مايو 2009. تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 نوفمبر 2009 .
- ↑ "فرن البلورات غير الخطية TK7" . شركة EKSMA للبصريات . مؤرشف من الأصل بتاريخ 18 يونيو 2012. تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 نوفمبر 2009 .
- ↑ "مذبذب تجاري IQXO-350، -350I" (ملف PDF) . surplectronics.com . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 30 مارس 2012. تم الاطلاع عليه بتاريخ 18 نوفمبر 2009 .
- 1 2 3 4 5 6 "دليل توليد الترددات الدقيقة باستخدام معايير OCXO والروبيديوم الذرية مع تطبيقات في المجالات التجارية والفضائية والعسكرية والبيئات الصعبة، فرع IEEE لونغ آيلاند، 18 مارس 2004" (ملف PDF) . ieee.li. تاريخ الاسترجاع: 16 نوفمبر 2009 .
- ↑ "الوقت والتردد - بالطريقة التي تحتاجها بالضبط" (ملف PDF) . spectruminstruments.net . تم الاطلاع عليه بتاريخ 18-11-2009 .
- ↑ "جهاز استقبال مرجعي للوقت والتردد لنظام تحديد المواقع العالمي (ملف PDF) " . leapsecond.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 18-11-2009 .
- ↑ "المؤتمر التاسع والعشرون لعلوم الراديو التابع للاتحاد الدولي لعلوم الراديو/معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات، إسبو، فنلندا، 1-2 نوفمبر 2004" (ملف PDF) . vtt.fi. تاريخ الاطلاع: 18 نوفمبر 2009 .
- ↑ "ETH - IfE-Wearable Computing - مستشعر حركة صغير الحجم يُحمل في الجيب مع ساعة DCF77" . wearable.ethz.ch . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2011-07-06 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2009-11-18 .
للمزيد من القراءة
- مارفن إي. فريركينج (1996). "خمسون عامًا من التقدم في معايير تردد بلورات الكوارتز" . وقائع ندوة IEEE للتحكم في التردد لعام 1996. معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. الصفحات 33-46 . مؤرشف من الأصل بتاريخ 12 مايو 2009. تم الاطلاع عليه بتاريخ 31 مارس 2009 .
روابط خارجية
- المذبذبات الإلكترونية
- تطبيقات الليزر