Domanda:
Perché i cristalli da 1Hz non vengono utilizzati per misurare i secondi?
JohnnyStarr
2013-04-06 02:03:08 UTC
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Secondo Wikipedia:

Molti orologi utilizzano un cristallo da 32,768 KHz. È perché il cristallo è più piccolo di un cristallo da 1 Hz?

Se 1,0 Hz == 1,0 secondo. Allora, perché la necessità della divisione?

Data la velocità del suono nei solidi tipici, un cristallo da 1 Hz fabbricato allo stesso modo dei cristalli di un orologio sarebbe probabilmente lungo circa mille piedi ...
Questa è una buona ragione quindi :)
@BrianDrummond suona come una risposta ...
Se è così, allora come aiuta la divisione? Un 32.768 kHz non sparerebbe più di 32 migliaia di volte al secondo? Cos'è che controlla l'onda? Devi accoppiarli con una resistenza o un cappuccio?
Non credo proprio. I cristalli ad alta frequenza possono funzionare in modo analogo a una canna d'organo, ma i cristalli di orologi funzionano in modo analogo a un diapason. Si può ridurre la frequenza di un diapason senza cambiarne la lunghezza spostando la massa verso le estremità dei denti o rendendola meno rigida. Più si va con quello, tuttavia, minore è l'accelerazione esterna che il diapason sarà in grado di accettare senza danni. Rendere il diapason più grande consentirà di ridurre la sua frequenza senza renderlo più fragile, ma ovviamente significherà che è più grande.
@JohnnyStarr 32768 è 2 ^ 15, ciò significa che ogni 2 secondi il tuo orologio va in overflow se è un timer a 16 bit.
Solo poche cose sono più semplici della divisione per due in elettronica.
Cinque risposte:
Olin Lathrop
2013-04-06 02:50:49 UTC
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Il motivo principale è che un cristallo da 1 Hz dovrebbe essere fisicamente molto grande. Un cristallo è un pezzo di quarzo che vibra meccanicamente alla frequenza specifica. Poiché i quarti esibiscono un effetto piezoelettrico abbastanza forte, quelle vibrazioni causano anche segnali elettrici e viceversa.

Ottenere un cristallo fisicamente piccolo fino a una frequenza di risonanza di 33 kHz è stato un bel passo avanti non molto tempo fa. Il trucco è modellare il quarzo come un diapason. Ciò consente oscillazioni molto più lente rispetto a un solido blocco di quarzo della stessa dimensione. Tuttavia, estendere altri 3 ordini e mezzo di grandezza renderà il cristallo molto più grande.

È difficile immaginare quale sarebbe l'uso di un cristallo da 1 Hz, considerando quanto sia economico e facile iniziare con un frequenza più veloce e poi dividere con un contatore. 33 kHz è già così lento che non si otterrà alcun risparmio energetico significativo eseguendo la logica più lentamente. In effetti, filtrare le armoniche da un'onda quadra da 1 Hz e fornire comunque la spinta per il cristallo di dimensioni che sarebbe necessario per ottenere quella frequenza richiederebbe molta più potenza. Semplicemente non ha senso. In altre parole, un cristallo da 33 kHz con il suo circuito di pilotaggio e un contatore digitale è più piccolo, più economico e richiede meno energia di un cristallo da 1 Hz con il circuito di pilotaggio che richiederebbe.

Bene, potremmo prendere una grande massa e appenderla all'estremità di una lunga canna. Quindi, lascia che oscilli avanti e indietro. Sì, è così ... e possiamo costruire un armadio per questo e montarlo proprio sotto l'orologio.
@gbarry Ho visto un orologio costruito nel 1877 che si trova in un campanile di una chiesa di 85 piedi.Ha un pendolo che sembra un cetriolo lungo 2 piedi, pesa circa 100 libbre.L'orologio è in realtà abbastanza preciso, cambia di circa 1 minuto al mese.Aggiungono o rimuovono i penny in cima al peso per regolare la tariffa corrente dall'estate all'inverno.Ho riso così tanto quando ho letto il tuo commento!
Scott Seidman
2013-04-06 02:22:12 UTC
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A parte gli aspetti pratici della realizzazione di un cristallo da 1 Hz, ogni cristallo avrà un certo grado di jitter. Se hai un cristallo da 1Hz per generare tick di 1 secondo, ogni bit di quel jitter si manifesta come errore nel tuo orologio. Se inizi con una frequenza più alta e dividi per difetto, l'errore viene ridotto al minimo.

Ad esempio, un cristallo da 1 Hz con jitter dell'1% ti darebbe 1 sec +/- 1% di tick. Un clock da 1 kHz con un jitter dell'1% che attraversa tre divisioni per 10 chip ti darà 1 sec +/- 0,001% di tick.

EDIT: http://www.silabs.com/Support% 20Documents / TechnicalDocs / Clock-Division-WP.pdf mostra una grande discussione su questo. Guarda in particolare la riduzione del rumore di fase all'aumentare della divisione nella figura 6 e nella tabella seguente, che mostra il jitter espresso nel tempo come costante.

In realtà, non è corretto, credo: un errore di 5 parti per milione rimarrebbe 5 PPM, non importa quanto lo dividi. Allo stesso modo con le percentuali.
@AnindoGhosh (e i suoi sostenitori). No, non è così che funziona. Perché il jitter viene mediato. Se converti un clock da 1kHz in 1Hz, stai impiegando 1000 cicli jitter per fare un singolo ciclo. Il jitter dell'1% in un ciclo breve è calcolato in media su un migliaio di cicli.
5 ppm in FREQUENZA andrebbero avanti. 5 ppm JITTER sarebbe nella media
Quindi sì, se c'era un'inesattezza sistematica nell'orologio, come una deriva complessiva dell'1%, ovviamente ciò si traduce in un errore dell'1% anche nell'orologio diviso. Ma questo è jitter, quindi è diverso.
@AnindoGhosh, la guarda in questo modo. Il jitter dell'1% su un clock da 1 KHz sarà di 0,01 ms. Ora pensa a che inneschi un conteggio fino a 1000 999 volte, per un jitter medio vicino allo zero. Ora, quel millesimo tick può ancora essere +/- lo stesso 0,01 ms, o 0,001% di un ciclo di 1 secondo. Più dividi, minore sarà il tuo jitter effettivo - QED. È sufficiente per cancellare i voti negativi?
Punto @ScottSeidman notato e apprezzato. Non è un errore di per sé, è un jitter medio a cui ti riferisci. Grazie.
@ScottSeidman: Penso che un modo più semplice di vederlo sia osservare che se si sta tentando di utilizzare un clock di 32768Hz per generare un intervallo di un secondo, la tempistica esatta (e quindi qualsiasi jitter) del primo impulso e del 32.769esimo impulso saràimportante, ma qualsiasi jitter sugli impulsi intermedi sarà ignorato e irrilevante, a condizione che non sia così grave da impedire il conteggio accurato di tutti i 32.767 di essi.
Andy aka
2013-04-06 02:58:27 UTC
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La maggior parte della "fisicità" della vita non influenzerà un 32k xtal. Viviamo fisicamente nelle decine di Hz massimo (tranne l'udito) e un xtal da 1Hz arriverà per alcuni dossi risonanti. Dato anche che è lungo quasi un quarto di miglio (secondo Brian Drummond) risolve l'argomento per me.

OK forse i pipistrelli possono disturbare un 32k xtal?

Non sembra intuitivo che qualcosa di veramente grande sarebbe disturbato dagli impatti ambientali, ma qualcosa di piccolo non lo è.
Pensa alla risonanza meccanica.
Passerby
2013-04-06 03:30:27 UTC
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C'è anche il problema della deriva, a causa di problemi ambientali. Dal wiki:

La caratteristica di frequenza di un cristallo dipende dalla forma o "taglio" del cristallo. Un cristallo di diapason viene solitamente tagliato in modo tale che la sua frequenza rispetto alla temperatura sia una curva parabolica centrata intorno a 25 ° C. Ciò significa che un oscillatore a cristallo del diapason risuonerà vicino alla sua frequenza target a temperatura ambiente, ma rallenterà quando la temperatura aumenta o diminuisce rispetto alla temperatura ambiente. Un coefficiente parabolico comune per un cristallo di diapason da 32 kHz è −0,04 ppm / ° C².

In un'applicazione reale, questo significa che un orologio costruito usando un cristallo di diapason regolare da 32 kHz manterrà il tempo temperatura ambiente, perdi 2 minuti all'anno a 10 gradi Celsius sopra (o sotto) la temperatura ambiente e per 8 minuti all'anno a 20 gradi Celsius sopra (o sotto) la temperatura ambiente a causa del cristallo di quarzo.

In termini pratici, un cristallo da 1Hz significherà che al minimo cambiamento di temperatura, l'orologio sarà veloce o lento di minuti al giorno, invece che di nanosecondi. Più di un anno, questo lo renderebbe uno degli orologi più imprecisi di sempre, senza regolazioni giornaliere.

E questa è solo la temperatura. Anche la pressione (e l'altitudine), l'umidità e le vibrazioni entrano in gioco. Quindi, a meno che il cristallo non si trovi in ​​un ambiente completamente controllato, è semplicemente poco pratico per il normale utilizzo quotidiano del tempo.

Forse sono super denso, ma puoi spiegare perché 1 ciclo per 1 secondo con deriva di 0,04 ppm differisce da 1000 cicli per 1 secondo con deriva di 0,04 ppm. A differenza del jitter, la deriva si somma, giusto?
Un cristallo di diapason da 33 kHz scalato fino a risuonare a 1 Hz può essere poco pratico, ma non vedo come il suo errore frazionario in funzione della temperatura dovrebbe essere diverso.1 PPM è ancora di 32 secondi all'anno, sia derivato da un oscillatore a 33 kHz, da un oscillatore da 1 Hz o da qualsiasi altra cosa.
HappyTinfoil Cat
2014-10-23 00:41:47 UTC
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Ci sono oscillatori da 1Hz, solo che sono realizzati utilizzando la tecnologia MEMS (ciao al quarzo).

http://www.sitime.com/products/32-khz-oscillators/sit1544

Il SiT544 è un oscillatore programmabile a 32KiHz: `Programmato in fabbrica tra 1 e 32,768 kHz con potenze di 2`.C'è solo un mucchio di infradito da dividere per 2.


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Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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