Pourquoi les cristaux de 1 Hz ne sont-ils pas utilisés pour mesurer les secondes?

Olin Lathrop

2013-04-06 02:50:49 UTC

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La raison principale est qu'un cristal de 1 Hz devrait être physiquement très gros. Un cristal est un morceau de quartz qui vibre mécaniquement à la fréquence spécifique. Puisque les quarts présentent un effet piézoélectrique assez fort, ces vibrations provoquent également des signaux électriques et vice versa.

Obtenir un petit cristal physiquement réduit à une fréquence de résonance de 33 kHz était une véritable rupture il n'y a pas si longtemps. L'astuce consiste à façonner le quartz comme un diapason. Cela permet des oscillations beaucoup plus lentes qu'un bloc solide de quartz de même taille. Cependant, étendre cet ordre de grandeur supplémentaire de 3½ va rendre le cristal beaucoup plus grand.

Il est difficile d'imaginer à quoi servirait un cristal de 1 Hz, compte tenu de la facilité et du bon marché de commencer avec un cristal. fréquence plus rapide, puis divisez avec un compteur. 33 kHz est déjà si lent que vous n'obtiendrez aucune économie d'énergie significative en exécutant la logique plus lentement. En fait, filtrer les harmoniques à partir d'une onde carrée de 1 Hz et toujours fournir le lecteur pour le cristal de taille qu'il faudrait pour fabriquer cette fréquence prendrait beaucoup plus de puissance. Cela n'a tout simplement pas de sens. En d'autres termes, un cristal de 33 kHz avec son circuit de commande et un compteur numérique est plus petit, moins cher et consomme moins d'énergie qu'un cristal de 1 Hz avec le circuit de commande dont il aurait besoin.

Eh bien, nous pourrions obtenir une grosse masse et l'accrocher au bout d'une longue tige. Ensuite, laissez-le se balancer d'avant en arrière. Oui, c'est tout ... et nous pouvons construire une armoire pour cela et le monter juste en dessous de l'horloge.

@gbarry J'ai vu une horloge construite en 1877 qui se trouve dans un clocher d'église de 85 pieds.Il a un pendule qui ressemble à un concombre de 2 pieds de long, pèse environ 100 livres.L'horloge est en fait assez précise, changeant d'environ 1 minute par mois.Ils ajoutent ou enlèvent des sous en plus du poids pour ajuster le taux en cours de l'été à l'hiver.J'ai tellement ri en lisant ton commentaire!

Scott Seidman

2013-04-06 02:22:12 UTC

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Mis à part les aspects pratiques de la fabrication d'un cristal 1 Hz, chaque cristal va avoir un certain degré de gigue. Si vous avez un cristal de 1 Hz pour générer des ticks de 1 seconde, chaque bit de cette gigue se manifeste comme une erreur dans votre horloge. Si vous commencez avec une fréquence plus élevée et que vous divisez par le bas, cette erreur est minimisée.

Par exemple, un cristal de 1 Hz avec 1% de gigue vous donnerait 1 sec +/- 1% de ticks. Une horloge à 1 kHz avec 1% de gigue passant par trois divisions par 10 puces vous donnera 1 sec +/- 0,001% de ticks.

EDIT: http://www.silabs.com/Support% 20Documents / TechnicalDocs / Clock-Division-WP.pdf montre une excellente discussion à ce sujet. Regardez en particulier la réduction du bruit de phase à mesure que la division augmente dans la figure 6, et le tableau suivant, qui montre la gigue exprimée en temps comme restant constante.

En fait, ce n'est pas correct, je pense: une erreur de 5 parties par million resterait de 5 PPM, peu importe combien vous la divisez. De même avec les pourcentages.

@AnindoGhosh (et ses votants positifs). Non, ce n'est pas ainsi que cela fonctionne. Parce que la gigue est moyennée. Si vous convertissez une horloge de 1 kHz en 1 Hz, vous prenez 1000 cycles instables pour faire un seul cycle. La gigue de 1% dans un cycle court est calculée en moyenne sur mille cycles.

5 ppm en FRÉQUENCE passeraient à travers. 5ppm JITTER serait en moyenne

Alors oui, s'il y avait une imprécision systématique dans l'horloge, comme une dérive globale de 1%, alors bien sûr cela se traduit également par une erreur de 1% dans l'horloge divisée. Mais c'est de la gigue, donc c'est différent.

@AnindoGhosh, regarde les choses de cette façon. 1% de gigue sur une horloge à 1 KHz sera de 0,01 ms. Maintenant, pensez à cela en déclenchant un décompte jusqu'à 1000 999 fois, pour atteindre une gigue moyenne proche de zéro. Maintenant, ce 1000ème tick peut toujours être +/- le même 0,01 ms, ou 0,001% d'un cycle de 1 s. Plus vous divisez, moins votre gigue effective sera - QED. Est-ce suffisant pour effacer les votes négatifs?

Point @ScottSeidman noté et apprécié. Ce n'est pas une erreur en soi, c'est une gigue moyenne dont vous parlez. Merci.

@ScottSeidman: Je pense qu'une façon plus simple de le voir est d'observer que si l'on essaie d'utiliser une horloge à 32768 Hz pour générer un intervalle d'une seconde, le timing exact (et donc toute gigue) de la première impulsion et de la 32 769e impulsion seraimportant, mais toute gigue sur les impulsions intermédiaires sera ignorée et non pertinente, à condition seulement qu'elle ne soit pas suffisamment grave pour empêcher de compter avec précision les 32 767 d'entre elles.

Andy aka

2013-04-06 02:58:27 UTC

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La plus grande partie de la "physicalité" de la vie n'affectera pas un xtal 32k. Nous vivons physiquement dans les basses dizaines de Hz maximum (sauf l'audition) et un xtal 1Hz va entrer pour quelques bosses résonnantes. Étant donné que c'est près d'un quart de mille de long (selon Brian Drummond), cela règle l'argument pour moi.

OK peut-être que les chauves-souris peuvent perturber un xtal 32k?

Il semble peu intuitif que quelque chose de vraiment grand soit perturbé par des impacts environnementaux, mais quelque chose de minuscule ne l'est pas.

Pensez à la résonance mécanique.

Passerby

2013-04-06 03:30:27 UTC

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Il y a aussi le problème de la dérive, dû à des problèmes environnementaux. Depuis le wiki:

La caractéristique de fréquence d'un cristal dépend de la forme ou de la «coupe» du cristal. Un cristal de diapason est généralement coupé de telle sorte que sa fréquence sur la température est une courbe parabolique centrée autour de 25 ° C. Cela signifie qu'un oscillateur à cristal de diapason résonnera près de sa fréquence cible à température ambiante, mais ralentira lorsque la température augmente ou diminue par rapport à la température ambiante. Un coefficient parabolique commun pour un cristal de diapason de 32 kHz est −0,04 ppm / ° C².

Dans une application réelle, cela signifie qu'une horloge construite à l'aide d'un cristal de diapason régulier de 32 kHz gardera le bon temps à température ambiante, perdez 2 minutes par an à 10 degrés Celsius au-dessus (ou en dessous) de la température ambiante et perdez 8 minutes par an à 20 degrés Celsius au-dessus (ou en dessous) de la température ambiante à cause du cristal de quartz.

Concrètement, un cristal à 1 Hz signifie que le moindre changement de température entraînera une horloge rapide ou lente de quelques minutes par jour, au lieu de nanosecondes. Sur un an, cela en ferait l’une des horloges les plus inexactes de tous les temps, sans ajustement quotidien.

Et ce n’est que la température. La pression (et l'altitude), l'humidité et les vibrations entrent également en jeu. Donc, à moins que le cristal ne se trouve dans un environnement complètement contrôlé, il est tout simplement impraticable pour une utilisation quotidienne courante.

Peut-être que je suis super dense, mais pouvez-vous expliquer pourquoi 1 cycle par 1 seconde avec une dérive de 0,04 ppm diffère de 1000 cycles par 1 seconde avec une dérive de 0,04 ppm. Contrairement à la gigue, la dérive s'additionne, non?

Un cristal de diapason de 33 kHz mis à l'échelle pour faire résonner un 1 Hz peut être peu pratique, mais je ne vois pas en quoi son erreur fractionnaire en fonction de la température devrait être différente.1 PPM équivaut toujours à 32 secondes par an, qu'il soit dérivé d'un oscillateur de 33 kHz, d'un oscillateur de 1 Hz ou de toute autre chose.

HappyTinfoil Cat

2014-10-23 00:41:47 UTC

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Il existe des oscillateurs 1Hz, seulement ils sont fabriqués à l'aide de la technologie MEMS (bye quartz).

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

Le SiT544 est un oscillateur 32KiHz programmable: "Programmé en usine entre 1 et 32.768 kHz en puissances de 2".Il y a juste un tas de tongs à bascule à diviser par 2.