Đồng hồ đeo tay thạch anh
Dao động tinh thể là mạch dao động điện tử sử dụng cộng hưởng cơ học của tinh thể dao động của vật liệu áp điện để tạo ra tín hiệu điện với tần số chính xác và ổn định cao.[1][2][3] Tần số này thường được sử dụng để theo dõi thời gian, như trong đồng hồ đeo tay thạch anh, để ổn định tần số cho các máy phát và thu sóng vô tuyến chuyên nghiệp, và phần lớn là để cung cấp xung nhịp (Clock signal) ổn định cho các mạch tích hợp kỹ thuật số như trong máy tính, thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân, điện thoại di động, và có mặt ở tất cả các khối điều khiển điện tử ở các thiết bị công nghiệp và gia dụng.
Loại cộng hưởng áp điện phổ cập nhất được sử dụng là tinh thể thạch anh, do đó những mạch xê dịch phối hợp chúng được gọi là giao động tinh thể. [ 1 ] Tuy nhiên những vật tư áp điện khác gồm có gốm đa tinh thể được sử dụng trong những mạch như vậy. [ 4 ] [ 5 ]
X-tal có độ ổn định cỡ 10−6. Độ ổn định này có thể cảm nhận được từ các đồng hồ đeo tay hay treo tường chạy pin có dùng Quartz 32768 Hz do các hãng uy tín của Nhật hay Âu Mỹ sản xuất, chỉ sai chưa tới 1 sec sau 1 năm (không phải hàng rổm đang bán nhiều ở Việt Nam).
Thạch anh tinh thể[sửa|sửa mã nguồn]
Nhóm những tinh thể thạch anh tự nhiên, từ Brasil
Thạch anh là một loại oxide silic ( SiO2 ) dạng pha lê. Oxy và silic là những nguyên tố sống sót nhiều nhất trên toàn cầu, trong đó cát và đá có thành phần hầu hết là SiO2 .
Cát đá thì có khắp nơi, nhưng để có thạch anh thì phải có oxide silic tinh khiết và cho kết tinh theo một quá trình thích hợp. Trong tự nhiên nó xảy ra ở vùng núi lửa.
Tương tự, silic được dùng nhiều trong các con chip và trong công nghệ phần cứng, nhưng phải lọc luyện từ cát thạch anh đến độ gần như nguyên chất, tức là tạp chất ở mức “1 cái kim khâu trong sân bóng đá”.
Thạch anh là một vật chất cứng, trong suốt, có khối lượng riêng 2.649 kg / m3 ( 1.531 oz / in3 ), nhiệt độ nóng chảy ở 1750 °C ( 3182 °F ). Thạch anh có tính giòn cao, tính dẻo thấp và đó cũng là một đặc thù thuận tiện cho những ứng dụng với chúng .Thạch anh được sử dụng sản xuất những thiết bị tạo ra xung nhịp để ứng dụng trong ngành điện tử, cũng hoàn toàn có thể dùng để tạo những tần số mẫu để hiệu chỉnh cho những dụng cụ âm nhạc .
Những tinh thể thạch anh đầu tiên được sử dụng bởi chúng có tính chất “áp điện”, có nghĩa là chúng chuyển các dao động cơ khí thành điện áp và ngược lại, chuyển các xung điện áp thành các dao động cơ khí. Tính chất áp điện này được Jacques Curie phát hiện năm 1880 và từ đó chúng được sử dụng vào trong các mạch điện tử do tích chất hữu ích này.
Một đặc tính quan trọng của tinh thể thạch anh là nếu tác động bằng các dạng cơ học đến chúng (âm thanh, sóng nước…) vào tinh thể thạch anh thì chúng sẽ tạo ra một điện áp dao động có tần số tương đương với mức độ tác động vào chúng, do đó chúng được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực. Chẳng hạn kiểm soát những sự rung động trong các động cơ xe hơi để kiểm soát sự hoạt động của chúng.
Lần tiên phong Walter G. Cady ứng dụng thạch anh vào một bộ trấn áp dao động điện tử vào năm 1921. Ông công bố tác dụng vào năm 1922 và đến năm 1927 thì Warren A. Marrison đã ứng dụng tinh thể thạch anh vào tinh chỉnh và điều khiển sự hoạt động giải trí của những đồng hồ đeo tay .
Mảnh cắt tinh thể thạch anh được sử dụng để tạo ra linh kiện Cộng hưởng thạch anh hay X-tal. Thành phần chính của linh kiện X-tall là mảnh cắt tinh thể áp điện có phương cắt và kích thước xác định.
Các mảnh cắt thường có phương cắt thường là 45° tính từ trục chính tinh thể. Trong quá trình chế tạo thì các mảnh cắt được mài có giám sát tần số cộng hưởng đến khi đạt được giá trị tần cộng hưởng định mức. Vì thế lúc đầu chúng là linh kiện đắt tiền, và chỉ từ giữa những năm 1980 giá thành mới giảm xuống do các dây chuyền tự động làm linh kiện xuất hiện. Các mảnh được đóng gói kín vỏ kim loại ở hai dạng chính:
- Mảnh cắt đơn thuần để lắp ráp vào mạch dao động, như X-tal 16 MHz vỏ HC-49/S.
- Mạch tích hợp là modul mạch dao động hoàn chỉnh cấp ra dao động xung vuông theo chuẩn logic hiện hành, như IC dao động tinh thể 1 MHz vỏ DIL-14.
Ký hiệu và sơ đồ tương tự của X-tal trong mạch giao động
Mạch xê dịch X-tal lập bằng cổng NOT
Dao động Butler[sửa|sửa mã nguồn]
Dao động Butler là mạch dao động tinh thể sử dụng ổn tần ở tần số gần với điểm cộng hưởng nối tiếp của tinh thể.[6]
Mạch do Butler F. đưa ra năm 1946. Mạch gồm có một khuếch đại số lượng giới hạn biên độ, tiếp nối đuôi nhau một mạng bộ lọc được đặt xen kẽ giữa tầng khuếch đại điện áp và tầng phối hợp trở kháng trong bộ tạo giao động Butler. Điều này được cho phép cả tiến trình khuếch đại điện áp và tiến trình phối hợp trở kháng được quản lý và vận hành ở chính sách tuyến tính mọi lúc, bảo vệ rằng một tinh thể áp điện được liên kết giữa những quá trình được liên kết trong một đường trở kháng tương đối thấp, liên tục và được điều khiển và tinh chỉnh bởi dạng sóng hình sin, không bị biến dạng, để bảo vệ sự không thay đổi tần số tối đa .
Mạch Dao động Pierce
Dao động Pierce[sửa|sửa mã nguồn]
Mạch Dao động Pierce sử dụng cổng hòn đảo CMOS ở chính sách khuếch đại cùng với phản hồi tinh thể tiếp nối đuôi nhau để tạo giao động. Mạch do George W. Pierce ( 1872 – 1956 ) đưa ra. [ 7 ] [ 8 ]Sơ đồ Dao động Pierce gần như thống trị trong phong cách thiết kế xê dịch tinh thể trong kỹ thuật số .
Dao động tinh thể và lịch sử vẻ vang overclocking[sửa|sửa mã nguồn]
Trong máy tính thì có từ vài đến hàng tá mạch giao động X-tal phân phối tín hiệu nhịp ( clock ) cho mạng lưới hệ thống hoặc từng nhóm mạch .Những chiếc máy tính AT của IBM tiên phong sử dụng bộ xê dịch tinh thể để quản lý và vận hành bộ giải quyết và xử lý. Hai mạng lưới hệ thống XT của máy tính IBM dùng những bộ xê dịch tinh thể thạch anh có tần số 12 Mhz và 16 Mhz. Các chip trấn áp xung nhịp chia xê dịch đó cho 2, và hiệu quả là những bộ giải quyết và xử lý đó hoạt động giải trí ở xung nhịp 6 Mhz và 8 Mhz. Những overclocker tiên phong đã sử dụng những tiểu xảo bằng cách thay thế sửa chữa những bộ giao động tinh thể 12 Mhz và 16 Mhz bằng những linh phụ kiện giao động tinh thể 18 Mhz và 20 Mhz để những mạng lưới hệ thống máy tính này hoạt động giải trí ở vận tốc cao hơn : 9 Mhz và 10 Mhz .Những hành vi overclock này đã được 1 số ít công ty cho sinh ra những mạch được cho phép đổi khác sự xê dịch mà không phải sửa chữa thay thế từng linh phụ kiện một trong mạng lưới hệ thống thời bấy giờ. Thiết bị này có những nấc tinh chỉnh và điều khiển để đổi khác những xê dịch tinh thể ( hình dạng của nó gần giống với những đồng hồ đeo tay vạn năng thời nay ). XCELX là tên một thiết bị như vậy hoàn toàn có thể được cho phép biến hóa xung nhịp của những máy tính IBM bắt đầu những xung nhịp từ 6,5 Mhz đến 12,7 Mhz. Đây là những hành vi ép xung tiên phong .
Dao động tinh thể trong những máy tính cá thể[sửa|sửa mã nguồn]
Bo mạch chủ của máy tính cá thể thường sử dụng hai bộ tinh thể : một dành cho trấn áp sự hoạt động giải trí của bo mạch chủ, một dành cho trấn áp thời hạn thực ( RTC ). Dao động tinh thể để trấn áp bo mạch chủ có tần số : 14,31818 MHz, với tinh thể dùng cho trấn áp thời hạn thực sử dụng tần số : 32,768 KHz .
Con số 14,31818 Mhz được xuất phát từ những máy tính IBM đầu tiên sử dụng năm 1981, khi này máy tính chạy ở tốc độ 4.77 MHz là được bộ chia tần số chia 3 lần. Các máy tính ngày nay vẫn sử dụng các bộ dao động tinh thể ở 14,31818 Mhz chỉ đơn giản như một sự kế thừa.
Ngoài ra thì tại những khối công tác làm việc đều hoàn toàn có thể có xê dịch tinh thể, là nguồn cấp xung nhịp không thay đổi tại chỗ. Điều này dẫn đến về toàn diện và tổng thể số x-tal trong một máy tính cá thể lến đến cỡ 1 tá .
- Scott Mueller; Upgrading and Repairing Pcs, 17th Edition.
Liên kết ngoài[sửa|sửa mã nguồn]
X-tal 16 MHz vỏ HC-49 / S
