Spørg Scientariet: Hvordan ved en computer, hvad klokken er?
Morten Udengaard vil gerne vide, hvordan computeren kan vide, hvad klokken er:
Hvordan kan en computer klokken? Altså, hvordan tæller en computer sekunder?
Den ved selvfølgelig, at 1 minut er 60 sekunder og 60 minutter er en time og så videre. Men hvordan ved den, hvor lang tids interval der skal være imellem tik og tak? På forhånd tak.
Poul-Henning Kamp, blogger og fagmedarbejder på ing.dk svarer:
Computeren bruger et lille stykke kvarts-krystal, der svinger ved en frekvens, som er bestemt af dets geometri. Det samme gør dit elektriske armbåndsur, vækkeur og alle andre ure og computere, du ser omkring dig.
Det siger sig selv, at computersoftwaren er nødt til at kende frekvensen for at kunne vide, hvor mange svingninger, der går på et sekund, men da krystaller er både præcise og stabile, er det et designspørgsmål.
Typisk er frekvensen til urbrug 32768 Hz, altså 2 i femtende potens, og krystallet er udformet som en lille bitte stemmegaffel i en lille metalcylinder, 1-2 millimeter diameter og 3-5millimeter længde.
Til en computers clockfrekvens, anvendes en flad plade af kvarts, typisk cirka 1 x 3 millimeter, der svinger med en frekvens i 10-50 MHz området.
Af historiske årsager er frekvensen oftest 14.31818... MHz.
(Se: mit blogindlæg om dette)
At dette i det hele taget kan lade sig gøre, skyldes at kvarts besidder en unik kombination af seks egenskaber:
1. Der er masser af det: Groft sagt halvdelen af jorden består af det.
2. Det er nemt at dyrke og forædle krystallerne industrielt: Lav opløselighed i alt andet end koncentreret flussyre (fluor-syre), og krystallerne er hårde men ikke skøre.
3. Det er piezoelektrisk: hvis man klemmer et kvartskrystal, opstår der en spænding over det, og omvendt.
4. Det har lavt mekanisk tab, så en mekanisk svingning er lang tid om at uddø. Det giver et højt elektrisk "Q" på cirka 10.000.000.
5. Der findes krystalsnit, hvis frekvens er ufølsom for moderate
temperatursvinginger.
6. Der findes stress-kompenserede krystalsnit, der er mekanisk robuste.
Uden alle disse seks egenskaber, havde den elektroniske verden set meget anderledes ud.
Den piezoelektriske effekt blev opdaget af Madamme Curies mand, Pierre, og hans bror Jacques i 1880. I 1917 fik Alexander McLean Nicholson den ide, at bruge et kvartskrystal til at lave en stabil frekvensgenerator med. I 193'erne erstattede kvartsure pendulurenes rolle som tidsnormaler i verdens målelaboratorier, og i starten af anden
verdenskrig hældte USA nogle millioner i grams for at starte en "krystalbranche", for at få bedre radiomodtagere til tropperne.
Den tidligere formand for IEEE, John R. Vig, har glemt mere om kvartskrystaller og frekvensstyring, end vi andre kan håbe på nogen
sinde at huske. Heldigvis er hans definitive "Quartz Tutorial"
online på nettet i flere udgaver. Den nyeste version, jeg kender, er på 288 sider og kan blandt andet findes her (pdf-dokument):
Spørg Scientariet er i dag redigeret af Tine Havkrog, thb@ing.dk
Nu får forbrugerne klar besked om dårlige mobilantenner
Kan man isolere ydervæggene i et hus på begge sider?
