اسیلاتور کریستالی

یک اسیلاتور کریستالی مداری الکترونیکی است که از رزونانس مکانیکی یک کریستال در حال لرزش پیزوالکتریکی بهره می برد تا سیگنال الکتریکی با فرکانس بسیار دقیقی بوجود آورد. این فرکانس معمولا برای داشتن حسی از زمان (مانند در ساعت های مچی کوارتز) استفاده می شود تا سیگنال ساعتی پایدار برای مدارت مجتمع دیجیتال فراهم کند و نیز فرکانس ها را در فرستنده های رادیویی پایدار (Stable) کند.                      
استفاده از تقویت کننده و فیدبک فرم دقیقی از یک اسیلاتور الکترونیکی است. به کریستال استفاده شده در آن برخی مواقع "کریستال زمان سنجی (timing crystal)" گفته می شود. در دیاگرام های شماتیکی، گاهی کریستال را با XTAL نمایش می دهند.

کریستال های برای اهداف زمان سنجی
یک کریستال 4MHz کوچک کوارتز که داخل پکیج هم اندازه ی خود (HC-49/US) واقع شده است

 یک کریستال جامدی است که در آن اجزای تشکیل دهنده، اتم ها، مولکول ها، یا یون ها در یک ترتیب منظمی بسته بندی شده اند و الگوی تکراری خود را در هر سه بعد فضایی گسترش می دهند.
تقریبا هر چیزی که از مواد الاستیک ساخته شده می تواند مانند کریستال مورد استفاده قرار گیرد، با ترنسدیوسرهای (مبدل ها) متناسب، زیرا تمامی اجسام دارای فرکانس رزونانس طبیعی لرزش هستند. برای مثال، فولاد الستیسیته بالایی دارد و سرعت صوت در آن بالاست. این اغلب در فیلترهای مکانیکی، قبل از کوارتز، استفاده می شد. فرکانس رزونانس به اندازه، شکل، الاستیسیته و سرعت صوت در آن ماده بستگی دارد. کریستال های فرکانس بالا معمولا به شکل صفحه مستطیلی ساده ای بریده می شوند. کریستال های فرکانس پایین، مثل آن هایی که در ساعت های دیجیتالی استفاده می شود، به شکل یک دیاپازون (tuning fork) بریده می شوند. برای کاربردهایی که زمان سنجی بسیار دقیقی نمی خواهند از یک رزونانس کننده سرامیکی ارزان به جای کریستال کوارتز استفاده می شود.

 وقتی که یک کریستال کوارتز به طور صحیح بریده و سوار شد، می توانیم با قرار دادن آن در یک میدان الکتریکی (اعمال ولتاژ به الکترودی نزدیک یا روی کریستال) باعث خم شدن آن شویم. این ویژگی به نام پیزوالکتریک بودن (piezoelectricity) معروف است. وقتی میدان برداشته شود، کوارتز با بازگشت به شکل اولیه اش یک میدان الکتریکی تولید می کند که این می تواند یک ولتاژ تولید کند. این رفتار کریستال کوارتز شبیه مداری متشکل از یک سلف، خازن و مقاومت (RLC Circuit) با فرکانس رزونانسی دقیق است. 
کوارتز مزیت دیگری نیز دارد و آن کم بودن تغییرات اندازه آن با تغییرات دما است. لذا فرکانس رزونانس صفحه ی مان که به اندازه ی آن وابسته است، تغییر چندانی نمی کند. این یعنی که ساعت کوارتز، فیلتر یا اسیلاتر دقیق خواهد ماند. برای کاربردهای حساس اسیلاتور کوارتز در ظرفی که دمای آن کنترل شده است (به نام اجاق کریستال crystal oven) سوار می شود، و همچنین می تواند روی جذب کننده های ضربه shock absorbers ، که برای جلوگیری از اختلال هایی که ناشی از لرزش های مکانیکی خارجی است، قرار بگیرد.
 
کریستال های کوارتز زمان سنجی برای فرکانس های از ده ها کیلوهرتز تا ده ها مگاهرتز ساخته می شوند. سالانه بیشتر از دو میلیارد (2×109) کریستال تولید می شود. اکثر آن ها برای استفاده در ساعت های مچی، ساعت ها، و مدارات الکترونیکی هستند. هر چند، کریستال کوارتز داخل ابزارهای تست و اندازه گیری مثل شمارنده ها، سیگنال ژنراتورها و اسیلوسکوپ ها نیز پیدا می شود.

 کریستال ها و فرکانس

مدار اسیلاتور کریستالی نوسان را با گرفتن سیگنال ولتاژی از رزونانس کننده ی کوارتز، تقویت آن و فیدبک کردن آن به رزونانس کننده، نگه می دارد. سرعت خم و راست شدن کوارتز فرکانس رزونانس است و توسط برش اندازه کریستال تعیین می شود.

 یک کریستال معمول زمان سنجی از دو صفحه ی رسانا با یک برش (slice) یا دیاپازونی از کریستال کوارتز که بین آنها ساندویچ شده تشکیل شده است. هنگام راه اندازی به مدار حول کریستال سیگنال نویز اتفاقی ac اعمال می شود و کاملا بسته شانس کسر اندکی از آن در فرکانس رزونانس کریستال خواهد بود. بنابراین کریستال شروع به نوسان کردن همگام با آن سیگنال می کند. اسیلاتور سیگنال خروجی از کریستال را تقویت می کند و لذا فرکانس کریستال محکم تر می شود و سرانجام خروجی غالب اسیلاتور را شامل می شود. فرکانس طبیعی در مدار و در کریستال کوارتز تمام فرکانس های ناخواسته را فیلتر می کند.                  یکی از مهمترین خصوصیات اسیلاتورهای کریستالی کوارتز این است که نویز در فاز بسیار کمی نشان می دهند. به زبانی دیگر سیگنال تولیدی آن ها یک تون خالص (pure tone) است. این آن ها را در مخابرات پر کاربرد می کند، جایی که سیگنال های پایدار مورد نیاز هستند. و همچنین در وسایل علمی که مرجع دقیق زمانی مورد نیاز است.
فرکانس خروجی یک اسیلاتور کوارتز یا فرکانس اصلی رزونانس آن یا یک ضریبی از فرکانس رزونانس آن به نام فرکانس اور تون (overtone) است.

 Q (ضریب کیفیت) معمول برای یک اسیلاتور کوارتز بین 10^4 تا 10^6 تغییر می کند. Q ماکزیمم برای یک اسیلاتور کوارتز بسیار پایدار می تواند به اینگونه تقریب زده شود که f فرکانس رزونانس به MHz است: Q = 1.6 × 107/f
تغییرات محیطی دما، رطوبت، فشار و لرزش می تواند فرکانس رزونانس یک کریستال کوارتز را تغییر دهد اما طراحی های گوناگونی وجود دارند که این اثرهای محیطی را کاهش می دهند. این ها شامل TCXO، MCXO و OCXO هستند مه در یادداشت توضیح داده شده اند. این طرح ها (به ویژه OCXO) وسایلی با پایداری کوتاه مدت عالی ایجاد می کنند. محدودیت هایی که در پایداری کوتاه مدت وجود دارد عمدتا به دلیل نویز اجزای الکترونیکی در مدار اسیلاتور است. پایداری بلند مدت با پیری کریستال محدود می شود.

به دلیل پیری و فاکتورهای محیطی چون دما و لرزش، نگه داشتن فرکانس آنها درون یک از 10^-10 فرکانس نامی آن ها، حتی برای بهترین اسیلاتورهای کوارتز، بدون تنظیم مستمر بسیار سخت خواهد بود. به همین علت اسیلاتورهای اتمی (atomic oscillators) برای کاربردهایی که نیاز به پایداری و دقت بهتری دارند استفاده می شوند.
اگر چه کریستال ها می توانند برای هر فرکانس رزونانسی ساخته شوند، به دلیل محدودیت های فنی، در عمل مهندسان مدار اسیلاتور کریستالی در حوالی فرکانس های استاندارد کمی طراحی می کنند مانند 10MHz، 20MHz و 40MHz. استفاده از مدار های مقسم فرکانس، چند برابر کننده ی فرکانس و phase locked loop برای سنتز کردن (ساختن) هر فرکانس دلخواه از فرکانس مرجع امکان پذیر است.

 مراقب باشید و تنها از یک اسیلاتور کریستالی در طراحی مدارات خود استفاده کنید تا از وقوع نمونه های ظریفی از خطاهای خودپایداری در الکترونیک (metastability in electronics) جلوگیری کنید. اگر این ممکن نیست تعداد کریستال اسیلاتورهای مجزا (PLLها) و دامنه های ساعتی متحد با آن های بایستی به شدت کم شوند با تکنیک هایی چون نصف کردن کلاک (Clock) موجود به جای استفاده از یک منبع جدید کریستالی. هر منبع مجزای کریستالی باید دقیقا توجیه شود زیرا هر کدام حالت های خطای محتمل غیر قابل رفعی را به علت برهم کنش چند کریستالی در وسیله، ایجاد می کنند

آشکار سازهای مادون قرمز :

دو نوع آشکازساز مادون قرمز وجوددارد . اشکارسازهای حرارتی که به آنها بولومتر (Bolometer) گفته می شود اشعه مادون قرمز را تبدیل به حرارت می کنند و سپس حرارت تبدیل به یک سیگنال الکتریکی متناسب با اشعه ماون قرمز می گردد . دسته دوم آشکارسازها ی فتوالکتریک می باشد که اشعه مادون قرمز را مستقیما تبدیل به سیگنال الکتریکی می کنند .

آشکارسازهای حرارتی :

در این آشکارسازها یک ترمیستور بعنوان عنصر حساس بکار می رود . ترمیستور یک مقاومت الکتریکی است که با ازدیاد حرارت ناشی از نور کاهش می یابد . بعبارت دیگر حرارت ناشی از نور مادون قرمز دریافتی ، مقاومت ترمیستور را کاهش می دهد ، در نتیجه مقدار جریان افزایش یافته و یک پالس الکتریکی تولید می شود . آشکارسازهای حرارتی در تمام طول موجهای مادون قرمز بطور یکسان عمل می کنند . آشکارسازهای مادون قرمز حرارتی دارای یک تأخیر زمانی می باشند به این ترتیب که از زمان دریافت مادون قرمز تا تبدیل آن به سیگنال الکتریکی یک فاصله کوتاه زمانی وجود دارد که این بخاطر اینست که ابتدا مادون قرمز تبدیل به حرارت و سپس تبدیل به سیگنال الکتریکی می گردد . بعلاوه حساسیت آشکارسازهای حرارتی نسبت به آشکارسازهای فتو الکتریکی به اندازه صد برابر کمتر است

آشکارسازهای فتو الکتریک:

این آشکارسازها از یک نیمه هادی تشکیل شده اند که بر اثر تابش مادون قرمز یک جریان و یا ولتاژ الکتریکی ایجاد می کنند . این آشکارسازها خیلی حساس تر از آشکارسازهای حرارتی می باشند ولی پاسخ آنها تا یک طول موج خاص می باشد . حساسیت این آشکارسازها با کمتر کردن درجه حرکت مولکولها ی نیمه هادی کمتر شده و در نتیجه مقدار اغتشاشات خود آشکارساز کاهش می یابد .

طراحی آشکارسازهای مادون قرمز :

تا اینجا با شدت امواج مادون قرمز ، اثر فسفر برروی این امواج و آشکارسازهای آن آشنا شدیم . حال می خواهیم ببینیم که برای طراحی آشکار ساز مادون قرمز باید چه پارامترهایی را در نظر گرفت . فرض کنیم که بدنه داغ هواپیما مورد نظر ماست و می خواهیم توسط امواج مادون قرمزی که از بدنه هواپیما ی مافوق صوت خارج می شود هدف را کشف کنیم . می دانیم که ماکزیمم دامنه امواج در این حالت در روی 4 میکرون است . از طرفی این طول موج بخوبی از آتمسفر عبور می کند بنابراین لازم نیست که طول موجهای مجاور را انتخاب کنیم ( در صورتیکه جذب اتمسفر روی 4 میکرون زیاد باشد باید امواج حوالی 4 میکرون را که آتمسفر جذب کمتری روی آنها دارد انتخاب شوند . ) مرحله ی بعدی انتخاب نوع آشکارساز است . سولفید سرب و فلورید سرب روی 4 میکرون حساسیت خوبی دارند . بنابراین هر کدام از اینها می توانند انتخاب شوند . یک نکته که در مورد آشکارسازها قابل اهمیت است این که این آشکارسازها فقط روی امواج کوتاه حساسیت زیادی دارن د و در طول موجهای بالاتر نمی توان از آن ها استفاده نمود ، بعلاوه در امواج کوتاه نیز این آشکارسازها باید خنک شنود بنابراین سنگین و گران قیمت می شوند . به همین جهت است که در بعضی از موارد آشکارسازها ی حرارتی که حساسیت کمتری دارند ولی در عوض سبکتر و ارزانتر می باشند ، ترجیح داده می شوند .

هدایت توسط مادون قرمز :

سیستم های هدایت توسط مادون قرمز غیر فعال می باشند ، بعبارت دیگر تنها گیرنده امواج مادون قرمز هستند و خود موجی را نمی فرستند . به همین جهت از سیستم های هدایت راداری بسیار ساده تر می باشند . در یک سیستم هدایت مادون قرمز ساده امواج مادون قرمز دریافتی توسط آینه سهموی روی کانون متمرکز می گردد و در روی کانون آشکارساز مادون قرمز قرار دارد . معمولا در این قسمت مجموعه ای از آینه ها و عدسیهای مرکب بکار می رود که ماکزیمم مقدار اشعه مادون قرمز بدست می آید . امواج مادون قرمز دریافتی تبدیل به سیگنالهای الکتریکی شده و توسط تقویت کننده تقویت می شود . سیستم کنترل این امواج دریافتی را تبدیل به فرمان های مناسب برای اصلاح مسیر موشک می کند بطوریکه همواره موشک ماکزیمم امواج مادون قرمز را از هدف دریافت کند.