Счетчик с кварцевым генератором

КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ SMD

Кварцевые генераторы это источники опорной частоты и тактового сигнала во многих электронных схемах. Следовательно, они должны быть точными и стабильными. Конечно «идеальный» генератор существует только в теории, поэтому проблема состоит в том, чтобы выбрать правильный компонент, отвечающий требованиям конструкции. Радиолюбителю необходимо найти компонент, который обеспечивает баланс между производительностью, стоимостью, стабильностью, размером, мощностью, размерами и интерфейсом для связанных схем. Для этого нужно понимать как работает кварцевый генератор и его основные характеристики.

Как работают кварцевые генераторы

В КГ используется пьезоэлектрический резонатор с высокой добротностью, который является частью резонансного контура и включен в контур обратной связи. Используемый элемент и технология его изготовления определяют электрические и механические параметры.

Кристалл кварца с пьезоэлектрическим эффектом действует как стабильный и точный резонансный элемент с высокой добротностью

Много лет генераторы создавались с использованием ламп, затем транзисторов и теперь интегральных микросхем. Схема была адаптирована к так называемому углу среза кристалла кварца и его характеристикам, а также необходимым параметрам применения. В настоящее время попытки самостоятельно сконструировать кварцевые генераторы очень редки, поскольку получение хороших результатов требует времени и точного измерительного оборудования. Вместо этого просто покупаем небольшой готовый модуль SMD, который содержит как кварцевый резонатор, так и схему генератора и выходной драйвер. Это снижает затраты и время на разработку, и гарантирует получение элемента с известными параметрами.

Кстати, радиолюбители часто используют слово «кварц», хотя на самом деле говорят обо всей схеме генератора. Обычно это не проблема, поскольку предполагаемое значение можно понять из контекста. Но иногда это может привести к путанице, поскольку можно также купить кварцевый резонатор как отдельный компонент, а затем добавить к нему отдельно схему генератора.

Параметры кварцевых генераторов

Производительность кварцевого генератора определяется набором важных параметров, таких как:

Рабочая частота — может быть от десятков кГц до сотен МГц. Генераторы для высоких частот, то есть выше основного диапазона резонатора, например в диапазоне гигагерц, обычно используют контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) в качестве умножителя для увеличения основной частоты.

Стабильность частоты — определяет отклонение выходной частоты от исходного значения из-за внешних условий, поэтому чем оно меньше, тем лучше. Есть много факторов которые влияют на стабильность генерируемой частоты, и многие производители указывают их в спецификациях, например изменение температуры по сравнению с номинальной частотой при 25?C. К другим факторам относятся долговременная стабильность к старению, а также влияние процесса пайки, колебания напряжения и изменения выходной нагрузки. Для высокоточных продуктов она обычно выражается в частях на миллион (ppm) или частях на миллиард (ppb) в зависимости от номинальной выходной частоты.

Джиттер во временной области и фазовый шум в частотной области — два равных параметра, характеризующих одни и те же недостатки

Фазовый шум и джиттер — два показателя одного класса производительности. Фазовый шум характеризует колебания в частотной области, а джиттер во временной. Фазовый шум обычно определяется как отношение шума в полосе частот 1 Гц при определенном сдвиге частоты fM к амплитуде сигнала генератора на частоте fO. Фазовый шум ухудшает точность, разрешение и отношение сигнал / шум (SNR) в синтезаторах частот, в то время как джиттер вызывает ошибки синхронизации и, таким образом, способствует увеличению частоты ошибок по битам (BER) при передаче данных.

Фазовый шум рассеивает спектр генерируемой частоты и отрицательно влияет на разрешение и отношение сигнал / шум

Джиттер (под этим словом имеется ввиду дрожание фронтов) во временной области вызывает ошибки выборки в аналого-цифровых преобразователях, также влияет на отношение сигнал / шум (SNR) и результаты последующего анализа сигналов в частотной области с использованием быстрого преобразования Фурье (FFT).

К примеру семейство генераторов MultiVolt ECS обеспечивает базовую стабильность до ± 20 ppm, а версии SMV — до ± 5 ppm. Еще лучше продукты TCXO со стабильностью ± 2,5 ppm в версии с выходами HCMOS и ± 0,5 ppm для моделей с так называемыми выходами усеченной синусоиды.

Фазовый шум и джиттер всегда являются важным критерием выбора в усовершенствованном проектировании и должны учитываться при оценке ошибок. Обратите внимание, что существует множество типов джиттера, включая абсолютный, межцикловый, фазовый, долговременный и периодический. Для фазового шума также существуют различные диапазоны и типы интеграции, включая белый и другие шумы.

Понимание специфики колебаний частоты и фазового шума в генераторе и того, как они влияют на производительность, часто может быть проблемой. Также важно иметь хорошее представление о различных определениях параметров, используемых производителями для количественной оценки характеристик генератора и оценки общей погрешности.

Тип выходного сигнала и выходной драйвер — должны быть адаптированы к нагрузке. Две популярные топологии конфигурации выходов — несимметричная и дифференциальная.

Различные конфигурации выхода генератора

Генераторы с несимметричным выходом проще в использовании, но они более чувствительны к шуму и обычно подходят только до нескольких сотен мегагерц. Среди типов выходов доступны следующие драйверы:

  • TTL с логикой от 0,4 до 2,4 В,
  • CMOS от 0,5 до 4,5 В,
  • HCMOS (быстрая CMOS) от 0,5 до 4,5 В,
  • LVCMOS (низковольтная CMOS) от 0,5 до 4,5 В.

Дифференциальные выходы труднее использовать, но они обеспечивают лучшую производительность на высоких частотах, так как шум, общий для дифференциальных трактов, нейтрализуется. Типы дифференциальных выходов:

  • PECL от 3,3 до 4,0 В,
  • CML от 0,4 до 1,2 В и от 2,6 до 3,3 В,
  • LVPECL (низковольтный PECL) от 1,7 до 2,4 В,
  • LVDS от 1,0 до 1,4 В,
  • HCSL от 0,0 до 0,75 В

Форма выходного сигнала генератора может быть классической одночастотной синусоидальной волной или синусоидальной волной с обрезанными пиками. Чистый синус наименее подвержен дрожанию и колебаниям по сравнению с версией с ограничением компаратора, поскольку он добавляет шум и дрожание и, таким образом, ухудшает качество. А подрезанная синусоида похожа на прямоугольную волну и может быть напрямую введена в цифровую логику.

Усеченная синусоида имеет форму прямоугольной волны с небольшим дрожанием или фазовым шумом

Напряжение и ток питания: потребление энергии значительно снизилось в последние годы, напряжение питания становится ниже, что соответствует потребностям современных устройств с батарейным питанием. Большинство генераторов могут работать с напряжением питания 1,8, 2,5, 3,0 и 3,3 В.

Размер корпуса: корпуса генератора также становятся меньше. Многие производители сохраняют стандартные размеры для версии с несимметричным выходом (для которой требуется только четыре контакта), в то время как версии с дифференциальным выходом имеют шесть контактов и, следовательно, более крупные корпуса с размерами: 1612 1,6 х 1,2 мм, 2016 2,0 х 1,6 мм, 2520 2,5 х 2,0 мм, 3225 3,2 х 2,5 мм, 5032 5,0 х 3,2 мм, 7050 7,0 х 5,0 мм.

Диапазон температур. Наибольшее влияние на работу генераторов оказывает температура. Даже если потребляемая мощность мала и самонагревание практически незначительно, температура окружающей среды влияет на рабочую частоту, поскольку эти изменения влияют на механические размеры и силы механического напряжения в кристалле кварца. Важно проверить работу выбранного генератора на крайних значениях ожидаемых диапазонов.

Для некоторых конструкций учитывается не только стабильность как функция температуры, но и необходимость удовлетворения других требований к надежности. Например, ECS-2016MVQ — миниатюрный SMD-генератор с выходом HCMOS с напряжением от 1,7 до 3,6 В. Керамический корпус размера 2016 (2,0 х 1,6 мм) имеет высоту всего 0,85 мм. Он разработан для требовательных промышленных устройств и сертифицирован AEC-Q200 (автомобильная промышленность) класса 1. Он доступен с частотами от 1,5 до 54 МГц с четырьмя степенями стабильности, от ± 20 до ± 100 частей на миллион в диапазоне от -40°C до + 85°С. Его фазовый джиттер очень мал, всего 1 пс в диапазоне от 12 кГц до 5 МГц.

Чипы ECS-2016MVQ и ECS-TXO-32CSMV — кварцевый генератор с обрезанной синусоидой на выходе и встроенной температурной компенсацией

Кварцы TCXO имеют более сложную конструкцию по сравнению с базовой версией, но потребляют значительно меньше энергии, чем OCXO со встроенным нагревателем, который обычно требует нескольких ватт. Кроме того, TCXO лишь немного больше, чем некомпенсированный блок, и значительно меньше, чем OCXO.

ECS-TXO-32CSMV — это пример TCXO с синусоидальным выходом в корпусе SMD из серии MultiVolt (питание от 1,7 до 3,465 В), доступный для диапазона частот от 10 до 52 МГц. Керамический корпус размером 3,2 x 2,5 x 1,2 мм идеально подходит для портативных и беспроводных устройств, где стабильность имеет решающее значение. Спецификация говорит об очень высокой температурной стабильности, с изменениями напряжения питания, различной нагрузкой и старением, а также низким потреблением тока ниже 2 мА.

Низкое энергопотребление в КГ

Мобильная электроника и область Интернета вещей (IoT) создают большой спрос на низкочастотные кварцевые генераторы, необходимые для схем с чрезвычайно низким энергопотреблением. Для таких целей подходит микросхема ECS-327MVATX в SMD-версии (корпуса с 2016 по 7050) с фиксированной частотой 32,768 кГц. Она потребляет всего 200 мкА и имеет выход CMOS. Она идеально подходит для использования с часами реального времени (RTC) и Интернетом вещей, обеспечивая стабильность частоты в диапазоне от ± 20 ppm до ± 100 ppm в диапазоне температур от -40 до + 85 C.

Чтобы свести к минимуму энергопотребление, многие генераторы допускают отключение. Например, ECS-5032MV с выходом CMOS в керамическом корпусе 5032. Дополнительный блокирующий контакт позволяет снизить ток питания с 35 мА в активном состоянии до 10 мкА в состоянии ожидания. Время запуска 5 мс.

В общем решение о выборе правильного кварцевого генератора — это больше, чем очевидное рассмотрение частоты, питания, стабильности и фазового шума. Разработчик также должен убедиться, что драйвер КГ совместим с нагрузкой. Вот несколько общих рекомендаций:

  • Для выхода LVDS требуется только один согласующий резистор в приемнике сигнала, в то время как LVPECL требует его как в передатчике, так и в приемнике.
  • LVDS, LVPECL и HCSL обеспечивают более крутые наклоны, чем CMOS, но потребляют больше энергии и лучше всего подходят для высокочастотных проектов.
  • CMOS или LVDS — лучший выбор для самого низкого энергопотребления на частотах выше 150 МГц.
  • LVPECL, LVDS, затем CMOS обеспечивают самый небольшой джиттер на низких частотах.

Справочник по кварцевым генераторам

А здесь вы можете скачать PDF справочник по современным кварцевым генераторам, включая их характеристики и подробное описание.

Кварцевые генераторы на биполярных и полевых транзисторах, а также

Параметр стабильности LC-генератора при условии качественного исполнения данного узла, наличия высокодобротных катушек и конденсаторов с подобранными ТКЕ может достигать достаточно высоких значений. Это даёт возможность радиолюбителю, не направляя свой взгляд в сторону цифровых аксессуаров, вести комфортный приём/передачу однополосных сигналов в частотном диапазоне работы ГПД до 10-15Мгц.
Можно, конечно, попытаться залезть и повыше, но ненамного — начинают возникать нюансы. С одной стороны, чем дальше влез, тем больше интерес, с другой — становится всё труднее удержать частоту генератора в сфере своего влияния. А при частотах колебаний свыше 30МГц, долговременная относительная нестабильность генератора становится таковой, что «голос любителя, радостно вещающего однополосным SSB сигналом о преимуществах «Яги» перед «Двойным квадратом», начинает плавно глиссандировать от убедительного баритона Левитана до легкомысленного тенора оперной дивы».
И вот тут уже — жить без кварцевого резонатора становится сложновато. Причём окварцованный генератор может использоваться как готовый гетеродин на фиксированную частоту, так и в качестве опорника для цифрового синтезатора частоты.

Кварцевый резонатор (кварц) — радиоэлемент, в котором явление механического резонанса используются для построения высокодобротного резонансного элемента электронной схемы.
Добротность кварцевых резонаторов во много раз превышает добротность резонаторов на LC-контурах и составляет 10 4 . 10 6 . Долговременная относительная нестабильность частоты — не хуже чем 10 -6 . 10 -8

Для того, чтобы понять принцип работы кварцевого резонатора в схемах генераторов, надо рассмотреть его эквивалентную схему:

а частота параллельного:
.

Произведя несложные математические манипуляции, получаем:

Поскольку на практике Сo≫Ck, то расхождение между частотами параллельного и последовательного резонансов невелико — максимальная разность близка к 0,4% от паспортной частоты кварца. Также не составит особого труда заметить, что Fпар всегда > Fпосл.

Читайте также  Авр для генератора элитеч

Для интересующихся приведу некоторые типичные значения параметров эквивалентной схемы кварцевых резонаторов.

F (Мгц) Lk (мГн) Ck (пФ) Rk (Ом) Cо (пФ)
1 1910 13,3×10 -3 200 5
10 28,6 8,86×10 -3 12 4
12 24 7,368×10 -3 12 4
20 11,94 5,3×10 -3 10 3,5

Переходим к некоторым расхожим схемам генераторов с кварцевой стабилизацией частоты.

В ёмкостной трехточке по схеме Пирса (Рис.2) биполярный транзистор включен по схеме с общим эмиттером.
Резисторы R1 и R2 задают режим работы транзистора T1 по постоянному току, и выбираются исходя из тока покоя транзистора 1-5мА в зависимости от частоты генерируемого сигнала.

При возбуждении кварцевого резонатора на нечётных механических гармониках кварца, вместо резистора R3 включают катушку индуктивности L1 (Рис.3).
Параметры контура следует выбирать так, чтобы его собственная частота составляла 0,7. 0,8 от частоты генерации. В результате контур имеет ёмкостную проводимость на частоте необходимой гармоники, что исключает возможность генерации на низших гармониках и основной частоте.

Значительно большим фазовым запасом для возникновения условий генерации обладают схемы ёмкостных трёхточек Пирса, выполненные на полевых транзисторах, либо КМОП микросхемах, в том числе и цифровых. Объясняется это высоким входным сопротивлением подобных устройств, что, в свою очередь, создаёт более правильные условия для работы цепей фазовращателя.

Схемы, выполненные на полевых транзисторах (Рис.4,5), аналогичны схемам свох биполярных аналогов.
Резистор R3 определяет режим работы Т1 по постоянному току, и выбирается исходя из необходимого тока покоя транзистора (1-5мА).

Генераторы Пирса вполне заслуженно считаются генераторами с наилучшей кратковременной стабильностью частоты, однако обладают определённым набором недостатков — как то: относительная сложность, необходимость качественной стабилизации базового тока транзистора, а также то, что ни один из выводов кварцевого резонатора не подключён к шине корпуса.

Отчасти указанных недостатков лишён генератор Колпитца — схемотехническое решение ещё одного трехточечного кварцевого генератора, в котором транзистор активного элемента по переменному току включён по схеме с общим коллектором. При этом кварцевый резонатор, имеющий индуктивный характер реактивного сопротивления, входит в состав параллельного резонансного контура, один из выводов которого может быть подключён к земляной шине.

На Рис.7 приведена базовая схема кварцевого генератора Колпитца при условии возбуждения резонатора на основной частоте.

Схема для возбуждения кварцевого генератора на 3-5 механической гармонике кварца (Рис.9) была замечена в datasheet-е на буржуйскую микросхему SA612A.

На высоких частотах, вплоть до 300МГц, целесообразно применять однокаскадные схемы генераторов с общей базой (Рис.11).

Рис.11Рис.12 Рис.13 Рис.14

Схемы, приведённые на Рис.11 и Рис.12 функционально абсолютно идентичны, хотя первая из них представляет индуктивную трёхточку с кварцевым резонатором, выполненную по схеме Хартли, а вторая ёмкостную — по схеме Колпитца.
Для возникновения колебаний необходимо, чтобы колебательный контур был настроен на частоту кварцевого резонатора, либо на частоту, равную кратной основной частоте гармоники.
Дальнейшего улучшения условия самовозбуждения этих автогенераторов на высоких частотах можно добиться, включив параллельно кварцу дополнительную катушку индуктивности L2 (Рис.13 и Рис.14). Контур, образованный параллельной ёмкостью кварца Со и катушкой L2, настраивают на частоту используемой гармоники.
Точно также как и в предыдущих случаях, биполярный транзистор лёгким движением руки может быть заменён на полевой с соответствующими цепями смещения.

ВАЖНО!
1. К источнику питания любые ВЧ генераторы, в том числе и окварцованные, следует подключать через интегрирующую RC цепочку, представляющую из себя резистор номиналом несколько сотен Ом (в зависимости от рабочего тока транзистора) и конденсатор, идущий одним выводом на землю, ёмкостью 0,1МкФ.
2. Каскады, подключаемые к выходу генератора, должны иметь достаточно высокое входное сопротивление. Идеально — если это будут цепи, реализованные на полевых транзисторах.
3. Разделительные конденсаторы, нарисованные на схемах последовательно с кварцевыми резонаторами, призваны отсечь от кварца постоянное напряжение. Кто-то их ставит, кто-то нет — по-любому, внятных теоретических обоснований по поводу вреда здоровью резонаторов от постоянки я не встречал. Так, что считайте присутствие этих элементов факультативным, хуже точно не будет, лучше — вполне вероятно.

Схемы кварцевых генераторов4. Базовая схема кварцевого генератора на цифровой микросхеме (Рис.6) отлично работает в широком диапазоне частот и не требует никаких модификаций. Многочисленные 2-3 вентильные вариации на заданную тему большого смысла не имеют, так как обладают худшими частотными свойствами. Разве, что можно обратить внимание на схему, приведённую на Рис.15, которая за счёт более высокого общего коэффициента усиления создаёт дополнительные условия для устойчивой генерации и меньшей зависимости от номиналов ёмкостей.
Рис.15

Ну и по традиции — калькулятор в студию!

ТАБЛИЦА РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Приведённый калькулятор не претендует на 100% достоверность, так не в состоянии учитывать реальные характеристики применяемых резонаторов, однако, в большинстве случаев поможет радиолюбителю не допустить явных ошибок и запустить устройство без шаманства и танцев с бубнами.

А на следующей странице рассмотрим схемы кварцевых генераторов, обладающих способностью плавной перестройки в некотором не очень широком диапазоне частот.

Время перемен: кварцевые генераторы уступают дорогу МЭМС

Вебинар «Новинки и решения Traco для промышленных и отраслевых приложений» (28.10.2021)

В статье описывается эволюция технологии МЭМС в области устройств синхронизации. До недавнего времени в ней доминировали кварцевые генераторы. Электростатические и пьезоэлектрические МЭМС сегодня составляют им серьезную конкуренцию и могут вытеснить кварц во многих приложениях, благодаря улучшенному на всех частотах общему допуску, лучшему коэффициенту подавления пульсаций напряжения питания, меньшему джиттеру и высокой надежности.

Классический кварцевый генератор, использующий в качестве основного элемента кварцевый резонатор, прослужил в электронной промышленности почти 100 лет. Но этот рынок готов рухнуть, и кварцу бросают вызов альтернативные подходы, основанные на технологии резонаторов на базе МЭМС (микроэлектромеханических систем).

В отрасли МЭМС компонентов имеются две различные технологии, конкурирующие за право вытеснить кварц. Одна из них основана на электростатическом возбуждении, другая – на пьезоэлектрическом. Рассмотрение плюсов и минусов каждой технологии начнется с описания проблемы замены кварца.

Препятствия на пути МЭМС

Существенное преимущество МЭМС-технологии заключается в том, что она дает возможность выпускать миниатюрные компоненты крупными партиями и заменить сложный производственный процесс, используемый при изготовлении кварцевых генераторов. Поскольку конечный продукт выпускается на кремниевом кристалле, МЭМС-компоненты могут быть размещены в одном корпусе с сопутствующими микросхемами, давая существенный выигрыш в технологичности, размерах, совместимости, простоте использования и, конечно же, в совокупной стоимости системы. Кроме того, МЭМС более устойчивы к ударам, вибрации и электромагнитным помехам, чем кварц. И, наконец, их можно сконструировать свободными от провалов на температурной характеристике, а диапазон рабочих температур расширить за пределы –40 … +85 °C.

Однако кварцевые устройства синхронизации имеют долгую и успешную историю. Это зрелая и хорошо отработанная технология с ключевым преимуществом, которое еще должны завоевать МЭМС-компоненты: кварцевый материал очень стабилен в широком диапазоне температур. А это важный фактор для устройств, которые должны работать при типичных температурах от –40 до +85 °C. В МЭМС используется кремний, размягчающийся с повышением температуры, что приводит к изменению критического параметра – частоты, недопустимому во многих приложениях.

Допустимый уход частоты, конечно, зависит от продукта и рынка. Промышленные приборы и мобильные устройства связи предъявляют другие требования, чем, например, оборудование инфраструктуры связи. Для цепи синхронизации мобильного устройства может требоваться стабильность ±2.5 ppm при температуре от –30 до +85 °C, в то время как для менее требовательных приложений будет приемлем температурный дрейф от ±50 до ±100 ppm.

Помимо частотной стабильности, еще одним важным параметром для устройств синхронизации является джиттер (и тесно связанный с ним параметр «фазовый шум»). Джиттер – это, фактически, случайные отклонения выходного сигнала от номинальной частоты.

Для пользователей также немаловажно, насколько можно расширить «собственную» опорную частоту генератора, с тем, чтобы свести к минимуму количество шагов дополнительного масштабирования, необходимого для получения требуемой рабочей частоты. Чем больше они масштабируют исходную частоту, тем больше вносится шумов и страдает качество выходного сигнала. Добавление дополнительной цепи к генератору позволяет ему работать на гармониках (обертонах) основной частоты, но, в сравнении с обычным режимом, это также увеличивает джиттер.

Наконец, в мире, в котором так много продуктов с батарейным питанием, и на счету каждый милливатт, пользователи считают энергопотребление компонента жизненно важным фактором. Во многих конструкциях существуют ограничения на допустимую мощность и связанные с этим проблемы теплоотвода.

МЭМС в двух вариантах: электростатика против пьезоэлектричества

кварцевые генераторы уступают дорогу МЭМС
Рисунок 1. Метод создания электростатических МЭМС-резонаторов основан на использовании электрического поля, взаимодействующего с подвижными элементами.

Существуют два различных подхода к проектированию устройств синхронизации на основе МЭМС: электростатический и пьезоэлектрический. В первом подвижные кремниевые МЭМС-элементы взаимодействуют с окружающим их точно контролируемым электрическим полем. Такое электростатическое или емкостное воздействие приводит в движение части ядра МЭМС-резонатора (Рисунок 1). Второй подход предполагает использование в МЭМС-резонаторе пьезоэлектрических актюаторов, преобразующих механическое движение и нагрузку в электрический сигнал, и наоборот (Рисунок 2).

кварцевые генераторы уступают дорогу МЭМС
Рисунок 2. Пьезоэлектрический подход основан на зависимости электрического напряжения от механического и имеет потенциал для создания качественных резонаторов.

Учитывая значительные преимущества МЭМС над кварцем, как мы можем оценить и сравнить два разных сложных подхода к достижению высокой стабильности, низкого шума и малого потребления тока, которые позволят вытеснить кварцевые генераторы?

Для решения первой проблемы, стоящей на пути вытеснения кварца, то есть высокой температурной стабильности частоты, разработчики электростатических МЭМС обычно дополняют схему генератора цифровым синтезатором, компенсирующем более 3000 ppm дрейфа в диапазоне от –40 до +85 °C. И хотя дрейф этим способом устраняется эффективно, он, к сожалению, приводит и к негативным последствиям, внося существенный дополнительный джиттер и фазовый шум, а также увеличивая потребление тока, что зачастую неприемлемо для высококачественных приложений.

Напротив, производители пьезоэлектрических МЭМС, такие как Sand 9, устраняют дрейф, используя комбинацию методик, которая дает меньший джиттер и фазовый шум по сравнению с компенсацией посредством синтезатора. Во-первых, пьезоэлектрический МЭМС-резонатор, представляющий собой монолитный элемент, с обеих сторон ламинируют слоем диоксида кремния (SiO2), что делает элемент прочнее и на порядок уменьшает дрейф. Во-вторых, сопутствующая цепь генератора содержит аналоговый компенсирующий контур, который работает быстрее, чем цифровой синтезатор, а также добавляет намного меньше фазового шума и джиттера. Хорошо спроектированный МЭМС-генератор, например, выпускаемый компанией Sand 9, может иметь начальную точность, достигающую ±5 ppm, и превосходить кварцевые изделия по стабильности в температурном диапазоне от –40 до +85 °C (Рисунок 3).

Рисунок 3. Нормированный частотный дрейф компенсированного устройства компании Sand 9 сопоставим с дрейфом кварцевого генератора во всем диапазоне рабочих температур.

Другим важным параметром является начальное смещение частоты относительно идеального «истинного» значения – неизбежный фактор производственного разброса. Решение, основанное на использовании синтезатора для компенсации дрейфа в электростатических МЭМС, также может быть адаптировано производителем устройств для калибровки начального смещения. Однако это приведет к дальнейшему увеличению джиттера и фазового шума, а также к росту потребляемого тока.

В противоположность этому, подход на основе пьезоэлектричества позволяет выбирать любой из трех вариантов коррекции начального сдвига частоты. Можно встроить синтезатор, или откалибровать МЭМС, – оба варианта применимы, в зависимости от требований приложения. Третий вариант заключается в том, чтобы оставить начальное смещение частоты таким, какое оно есть. Это работает, потому что существуют требующие точной синхронизации приложения, в цепи обработки сигнала которых уже имеются внешние или интегрированные в другую микросхему синтезаторы. Поскольку наивысшие параметры источника частоты являются основным приоритетом для многих разработок класса high-end, эти синтезаторы также могут корректировать начальное смещение частоты.

Для электростатической архитектуры характерна слабая связь между механическим и электрическим режимами, что приводит к неэффективному преобразованию энергии. Энергия, передаваемая электростатическим способом, примерно в сто раз меньше, чем при пьезоэлектрическом способе. В результате получается плохое отношение сигнал/шум и значительный джиттер и фазовый шум на выходе.

Чтобы компенсировать меньшее отношение сигнал/шум и улучшить характеристики, электростатическое устройство должно иметь больший размер или повышенное энергопотребление, или и то, и другое, поэтому законченное электростатическое устройство потребляет значительно больше тока, чем сопоставимое пьезоэлектрическое. Большой ток делает электростатическое устройство малопригодным для использования в приемопередатчиках сотовых сетей. К тому же, несмотря на значительное потребление тока, оно, все равно, не в состоянии обеспечить уровни джиттера и фазового шума, приемлемые для приложений, требующих точной синхронизации, например, для коммуникационного оборудования (Рисунок 4).

Читайте также  Акб авто не заряжается от генератора
Рисунок 4. Зависимости величины вектора ошибки от затухания для передатчиков LTE с МЭМС генератором компании Sand 9 и с кварцем демонстрируют сопоставимые характеристики, несмотря на различия в
размерах и стоимости.

Диапазон собственных частот является еще одной областью, где характеристики электростатических и пьезоэлектрических устройств сильно различаются. Доступные на сегодняшнем рынке типичные конструкции, основанные на электростатической технологии, достигают максимальной частоты порядка 48-50 МГц в режиме основной гармоники, в то время как пьезоэлектрические приборы, например, выпускаемые компанией Sand 9, могут работать на частотах 125 МГц и выше. Использование неосновных гармоник может расширить диапазон частот для электростатических устройств, но за это придется заплатить увеличением джиттера, фазового шума и отношения сигнал/шум.

В некоторых электростатических конструкциях диапазон собственных частот увеличивают путем уменьшения размеров основного элемента. Однако сокращение площади поверхности соответствующим образом ослабляет электромеханическую связь, что снижает энергоэффективность и увеличивает джиттер/фазовый шум. Заметим, что пьезоэлектрический резонатор, например, компании Sand 9, работая в паре с обычным генератором 1.8 В, может иметь фазовый шум –127 дБн/Гц (Рисунок 5).

кварцевые генераторы уступают дорогу МЭМС
Рисунок 5. Резонатор Sand 9 при совместной работе с обычным генератором 1.8 В может удовлетворять требованиям приемопередатчиков сотовых сетей, оборудования GPS/GNSS и устройств беспроводной связи.

Заключение

МЭМС-генераторы являются качественной и инновационной альтернативой устройствам на основе кварца, традиционно использовавшимся в качестве источников синхронизации. Хотя оба подхода к реализации этих конструкций на МЭМС могут конкурировать с кварцем, они существенно различаются по своим возможностям и рыночному потенциалу.

Крупные достижения в области МЭМС-технологий в сочетании с преимуществами пьезоэлектрического подхода укрепляют позиции новых устройств в битве с кварцем. Генераторы на основе МЭМС могут обеспечить высокую стабильность, низкий уровень шумов, малое энергопотребление и более широкий исходный диапазон частот. Эти параметры являются критическими для многих приложений, требующих точной синхронизации. Кроме того, новые генераторы лишены многих недостатков кварцевых устройств.

Обзор кварцевых генераторов GEYER ELECTRONIC

Компания GEYER ELECTRONIC была основана в 1964 г. и уже несколько десятилетий является одним из лидеров в сфере производства кварцевых резонаторов, генераторов и аналогичных продуктов для формирования частотных сигналов. В дополнение к этому фирма развивает свою деятельность в таких областях, как электрические батареи, аккумуляторы и технологии их зарядки. Высочайшее качество, соответствие высоким требованиям надежности и безопасности — главные особенности продукции фирмы. Чтобы охарактеризовать основные параметры генераторов, стоит вначале рассмотреть принцип действия кварцевых резонаторов и генераторов.

Принцип действия кварцевых резонаторов и генераторов

Принцип работы кварцевых резонаторов основан на применении пьезоэлектрического эффекта.

Некоторые вещества и кристаллы обладают несимметричной структурой (ацентрические кристаллы). Механические силы, действующие на такие кристаллы, вызывают в них не только механические напряжения, но и электрическую поляризацию. В результате на поверхности кристалла образуются заряды. Такой эффект и называют прямым пьезоэлектрическим эффектом, а кристаллы, соответственно, пьезоэлектриками. Самым распространенным пьезоэлектрическим материалом являются кристаллы кварца.

Существует и обратный пьезоэффект: при воздействии на пьезоэлектрик электрического поля в его структуре возникают механические деформации.

Кварцевый резонатор представляет собой специальным образом распиленный, обработанный и сориентированный кристалл кварца, с внешними электродами, расположенными с противоположных сторон. В процессе работы такой резонатор использует и прямой, и обратный пьезоэффект, в нем происходит постоянное преобразование электрического поля в механические деформации и обратно. Однако, с точки зрения электрической схемы, эти механические колебания остаются в стороне, хотя играют важнейшую роль, поскольку они во многом определяют резонансную частоту.

Внешне конструкция резонатора напоминает конструкцию конденсатора, но наличие пьезоэффекта определяет некоторые особенности его поведения. Характер изменения проводимости в области частот, близких к резонансу, оказывается таким же, как и у колебательного контура, что позволяет применять эквивалентную схему замещения. Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора содержит четыре элемента (рис. 1). Элементы L1, C1, R1 называют динамическими или эквивалентными индуктивностью, емкостью и сопротивлением соответственно. Емкость С0 называют параллельной емкостью. Такая схема хорошо объясняет наличие резонансной частоты.

 Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Рис. 1. Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Кварцевый генератор представляет собой комплексный компонент, который содержит генератор, кварцевый резонатор и цепи управления. Простейшая схема включения кварцевого генератора требует только подачи питающего напряжения (рис. 2).

Схема включения стандартного кварцевого генератора

Рис. 2. Схема включения стандартного кварцевого генератора

Генераторы имеют целый ряд важных параметров, определяющих их применимость в тех или иных случаях.

Основные параметры кварцевых генераторов

Все генераторы имеют ряд общих параметров.

Частота

Основной параметр генератора. Значение частоты колебаний генератора может лежать в очень широких пределах — от единиц кГц до тысяч МГц. По характеру возможности изменения частоты генераторы делят на две группы:

  • стандартные и прецизионные генераторы с фиксированной частотой (Crystal Oscillator, XO и Precision Crystal Oscillator, PXO);
  • генераторы с подстраиваемой частотой, например с частотой, управляемой напряжением.

Для генераторов, управляемых напряжением и не использующих стабилизацию частоты кварцевым резонатором (Voltage Control Oscillators, VCO), указывают чувствительность подстройки (Tuning Sensitivity, МГц/В).

Кварцевые генераторы, управляемые напряжением и использующие стабилизацию частоты кварцевым резонатором (Voltage Control Crystal Oscillators, VCXO), имеют небольшой диапазон подстройки частоты из-за высокой добротности кварцевого резонатора. Для них указывают диапазон подстройки (Frequency Adjustment/Pullability/Pulling Range, ppm).

Стабильность частоты

Кварцевый генератор обладает высокой стабильностью благодаря высокой стабильности кварцевого резонатора. Однако стоит помнить, что на стабильность резонатора могут влиять различные факторы: температура, старение, давление, радиация, механические воздействия. Как правило, основным дестабилизирующим фактором является температура, поэтому в документации указывают стабильность частоты для конкретного температурного диапазона. С целью уменьшения температурной зависимости используют два основных метода: термостатирование и термокомпенсирование.

В термокомпенсированных кварцевых генераторах (Temperature Compensated Crystal Oscillator, TCXO) используются специальные электрические цепи и элементы, которые обеспечивают автоматическую подстройку частоты. В качестве таких элементов могут выступать термисторы и варикапы, которые также имеют температурную зависимость, помогающую компенсировать зависимость резонатора.

Джиттер

Джиттер (jitter) характеризует фазовое случайное «дрожание» сигнала (рис. 3). Реальный генератор дает не идеальную частоту сигнала: значения длительности каждого периода отличаются друг от друга. Для характеристики этого «дрожания» применяют:

  • случайный джиттер (random jitter);
  • максимальный джиттер (peak-to-peak jitter).

Параметры тактового сигнала

Рис. 3. Параметры тактового сигнала

Симметричность

Симметричность (symmetry) сигнала — соотношение длительности полупериода сигнала к полному периоду (рис. 3). Важным является как само значение симметрии, так и его допуск на точность.

Длительность фронтов

Длительность фронтов (rise & fall time max) — это время нарастания и спада входных сигналов (рис. 3). Данный параметр важен для приемников тактового сигнала, склонных к возникновению глитчей. Как правило, он не является критичным, если и генератор, и приемник сигнала соответствуют стандартам на уровни и форму сигналов.

Время запуска

Время запуска (start up time) — это время, проходящее от момента подачи питания на микросхему генератора до возникновения стабильного тактового сигнала.

Напряжение питания

Для стандартных генераторов напряжение питания определяет амплитуду выходного сигнала. Соответственно, генератор необходимо выбирать с учетом логических уровней напряжения используемых логических схем (процессоров, микроконтроллеров и т. д.). Одним из способов актуального для современной электроники сокращения потребляемой мощности является уменьшение питающих напряжений: чем меньше питающее напряжение, тем меньше потери мощности и токи потребления.

Ток потребления

Как было сказано выше, ток потребления будет увеличиваться с ростом частоты и напряжения. Поэтому производители указывают ток потребления для определенного диапазона частот и конкретных напряжений. Например, в таблице 1 приведены значения потребляемого тока для серии KXO-V95.

Особенности применения кварцевых генераторов с высокой температурной стабильностью

Температурная стабильность частоты – один из ключевых параметров кварцевых генераторов. Современные термостатированные кварцевые генераторы обеспечивают очень высокую температурную стабильность частоты вплоть до ±1E–11 в широком интервале температур –40…85°C. Столь малые величины изменения частоты требуют некоторых особенностей при измерении и, соответственно, при эксплуатации таких генераторов. В статье рассматриваются особенности эксплуатации подобных генераторов, методики измерения температурной стабильности, а также влияние на нее других факторов.

Одним из основных параметров кварцевых генераторов является температурная стабильность. Существует несколько разных методов ее обеспечения.

  1. Простые кварцевые генераторы (КГ), где температурная стабильность обеспечивается только самим кварцевым резонатором за счет выбора угла среза кварцевого элемента. Температурная стабильность таких генераторов составляет ±10…15E–6 в диапазоне –40…85°C (см. рис. 1).
  2. Термокомпенсированные кварцевые генераторы (ТККГ). В них имеются дополнительные элементы, которые формируют управляющее напряжение, компенсирующее зависимость выходной частоты от температуры. Температурная стабильность таких генераторов составляет ±1…3E–7 в диапазоне –40…85°C (см. рис. 1).
  3. Термостатированные кварцевые генераторы (ТСКГ). В них кварцевый резонатор и основная часть элементов находятся в термостате, поддерживающем постоянную температуру. Температурная стабильность таких генераторов достигает ±1…5E–11 в диапазоне –40…85°C (см. рис. 1).

Далее мы рассмотрим именно термостатированные генераторы, причем только самые высокостабильные.

Сначала детальнее остановимся на базовой конструкции термостатированных генераторов. Как уже упоминалось, в подобных генераторах все чувствительные к изменению температуры элементы находятся внутри термостата, в котором поддерживается постоянная температура (см. рис. 2).

Рис. 2. Схема конструкции термостатированного генератора

Температура внутри термостата устанавливается несколько выше (обычно на 5–15°C) верхней рабочей температуры эксплуатации генератора. Кроме того, она выбирается таким образом, чтобы температурная зависимость резонатора находилась в районе одного из его экстремумов (см. точки LTP и UTP на рисунке 3). Таким образом, обеспечивается минимальное изменение частоты кварцевого генератора в зависимости от температуры окружающей среды.

Рис. 3. Типовая зависимость частоты кварцевого резонатора от температуры

Необходимость поддержания высокой температуры термостатом приводит к следующим отличительным чертам термостатированных кварцевых генераторов:

  1. Повышенный ток потребления при включении.
    Как только температура внутри термостата достигает заданного уровня, ток потребления существенно уменьшается;
  2. Необходимость первоначального прогрева.
    Характеризуется точностью установления частоты в заданных пределах за фиксированное время, которое обычно составляет 2–5 мин при температуре 25°C и точности до ±2E–8.

Подобная базовая модель обеспечивает температурную стабильность в диапазоне ±1E–8…±5E–10 в зависимости от конструкции. Существует несколько следующих способов повышения температурной стабильности описанной конструкции:

  1. Использование двойного термостата. В подобных генераторах применяется дополнительный термостат, внутрь которого помещается базовый термостат. Это достаточно эффективный способ, благодаря которому, как правило, достигается стабильность ±1E–10. Однако его применение сопряжено с неизбежными издержками, к которым относятся сравнительно большие габариты и ограничение верхней рабочей температуры эксплуатации генератора из-за необходимости установить большую разницу между рабочей температурой и температурой термостата.
  2. Использование дополнительной температурной компенсации. Итоговая зависимость частоты от температуры базовой конструкции обычно носит более–менее линейный характер, что позволяет относительно просто ее компенсировать. К недостаткам этого метода относится довольно высокая крутизна итоговой зависимости частоты от температуры, что может нивелировать все преимущества. Использование этого метода применительно к термостатированным генераторам обычно позволяет увеличить температурную стабильность до пяти раз.
  3. Наиболее сложный, но дающий наилучшие результаты метод «вылизывания» базовой конструкции. Он заключается в тщательном расчете и продолжительном многоитеративном процессе доработки конструкции конкретного типа генераторов для получения лучшей температурной стабильности, в т. ч. за счет понижения температурных градиентов. Благодаря этому подходу температурная стабильность достигает значений, которыми характеризуются генераторы с двойным термостатированием; при этом сохраняются габариты и, в особенности, высота базовой конструкции.

Для получения эксклюзивно высокой температурной стабильности, достигающей, например, ±1E–11, приходится в полной мере реализовать все описанные выше меры улучшения температурной стабильности.

Как при эксплуатации, так и при измерении параметров генераторов с высокой температурной стабильностью могут возникать дополнительные факторы, влияющие на температурную стабильность. Так, например, выходная частота кварцевых генераторов изменяется с течением времени. При этом крайне важно, сколько времени генератор находился во включенном состоянии. Так, у генераторов, работающих в течение нескольких недель, суточное изменение частоты составляет несколько единиц E–11, а у генераторов, включенных всего один день, эта величина равна нескольким единицам E–10. Нетрудно заметить, что такой вклад заметен при измерении температурной стабильности, тем более когда она мала и сопоставима с таким уходом. Таким образом, при оценке стоит учитывать дрейф частоты генератора. Сделать это довольно просто – необходимо выдержать генератор при некоторой постоянной температуре и фиксировать его частоту. Далее по полученным результатам строится модель ухода частоты с течением времени – для непродолжительных промежутков времени вполне хватит простой линейной модели.

Читайте также  Автоматический запуск генератора авр

Обычно при испытаниях генераторов с очень высокой температурной стабильностью нам приходится использовать несколько циклов нагрева/охлаждения, чтобы убедиться, что генератор удовлетворяет нормам по температурной стабильности. Влияние дрейфа частоты отчетливо видно по результатам испытаний генератора ГК360-ТС производства АО «Морион».

На рисунке 4 красным цветом показана исходная характеристика, снятая в процессе измерений. Видно, что она обладает линейным наклоном, что связано со старением генератора. Синим цветом показана эта же характеристика, но с вычтенным дрейфом.

Результат измерения температурной стабильности генератора ГК360-ТС производства АО «Морион» и его обработка

Рис. 4. Результат измерения температурной стабильности генератора ГК360-ТС производства АО «Морион» и его обработка

Как уже отмечалось, если для повышения температурной стабильности используется дополнительная компенсация, на итоговой характеристике могут присутствовать отдельные участки с заметной крутизной. Подобная ситуация не явно выражена в случае термостатированных кварцевых генераторов, но очень заметна при использовании рубидиевых генераторов.

На рисунке 5 показаны две разные зависимости частоты от температуры. В первом случае при малом изменении температуры изменение частоты также пропорционально мало. Во втором случае при малом изменении температуры частота меняется в существенно большей мере вплоть до значения температурной стабильности во всем интервале.

Сравнение зависимости от температуры частоты генераторов с: линейной ТЧХ и сильно меняющейся ТЧХ

Рис. 5. Сравнение зависимости от температуры частоты генераторов с:
а) линейной ТЧХ;
б) сильно меняющейся ТЧХ

Кроме того, из-за компенсации или неудачной конструкции изменения частоты многократно превышают норму при быстром изменении температуры (см. рис. 6).

Пример малой реакции на температурный удар для ГК360-ТС

Рис. 6. Пример малой реакции на температурный удар для ГК360-ТС

У термостатированных генераторов с высокой температурной стабильностью форма и величина зависимости частоты от температуры при изменении их ориентации меняются с высокой вероятностью. Это происходит из-за конвекции внутри объема генератора. У правильно разработанного генератора такая зависимость должна быть сведена к минимуму и учтена при испытаниях.

Говоря о термостатированных генераторах сверхвысокой стабильности, отдельно следует упомянуть проблемы, возникающие при подстройке частоты генератора с помощью управляющего напряжения. Наличие этой функции напрямую влияет на стабильность генератора. Когда мы говорим о столь малых величинах нестабильности, вклад перестройки становится особо остро заметен. Так, генератор без такой опции обладает большей температурной и кратковременной стабильностью, чем с этой опцией. Например, температурную стабильность генератора без перестройки можно довести до ±1E–11, тогда как с перестройкой эта величина уже составляет ±2E–11. Соответственно, при необходимости обеспечить лучшую температурную стабильность предпочтение отдается системам, в которых допустимо применение генератора без возможности перестройки частоты.

Перестройка обеспечивается либо аналоговой цепью, либо цифровой. Генераторы с цифровым управлением включают в себя ЦАП, и управление частотой осуществляется подачей кода. Управление ЦАП реализуется по протоколам I2C или SPI. При цифровом варианте управления деградация температурной стабильности минимальна, однако при изменении кода управления могут кратковременно ухудшаться нестабильность, и возрастать фазовые шумы.

Еще одним ограничением является минимальный фиксированный шаг перестройки, который зависит от разрядности ЦАП. Для 20‑бит ЦАП он составляет 5E–13…10E–13.

В генераторах с аналоговым управлением для приведения частоты к номиналу на соответствующий вход подается управляющее напряжение (см. рис. 7).

 Схема включения генератора с аналоговым управлением и общей землей

Рис. 7. Схема включения генератора с аналоговым управлением и общей землей

На земляном выводе генератора возникает падение напряжения, зависящее от протекающего тока нагревательных транзисторов термостата. При таком подключении оно попадает в цепь управления, ухудшает температурную и кратковременную стабильность частоты.

Для уменьшения этого влияния следует уменьшить сопротивление (длину) общей цепи протекающих токов питания генератора и цепи управления. Кардинальным способом является использование разных земель (см. рис. 8). Однако такой способ снижает унификацию генераторов и накладывает достаточно серьезные ограничения на схемотехнику оборудования.

Схема включения генератора с аналоговым управлением с раздельными землями

Рис. 8. Схема включения генератора с аналоговым управлением с раздельными землями

Еще одним фактором, который следует учесть при эксплуатации сверхвысокостабильных генераторов, являются применяемые материалы, т. к. при соединении разнородных проводников, спаи которых находятся при разных температурах, в цепи управления возникает термоЭДС, влияющая на температурную стабильность частоты. Чем выше температурная стабильность, тем в большей мере проявляются все описанные эффекты.

Генераторы с высокой температурной стабильностью успешно применяются во многих областях, где требуется очень стабильная частота. Они даже могут посоревноваться с рубидиевыми генераторами в некоторых областях применения благодаря меньшим габаритам и потреблению. Их зависимость частоты от изменения температуры гораздо более линейна и обладает меньшей крутизной. Таким образом, при небольших изменениях температуры окружающей среды линейность существенно лучше, чем у рубидиевых генераторов.

Заметим, что, в отличие от рубидиевых, старение термостатированных кварцевых генераторов происходит быстрее, но в случае крайне малого изменения частоты при изменении температуры влияние этого эффекта можно компенсировать.

Итак, мы рассмотрели особенности конструкции термостатированных генераторов, методы улучшения температурной стабильности и некоторые особенности использования подобных генераторов.

Исследование кварцевых генераторов с помощью TimeOS. Введение. Температурная стабильность.

В различных электронных системах часто необходимы компоненты, которые должны формировать стабильную частоту в заданных диапазонах точности. К таким системам можно отнести оборудование применяющееся в сферах передачи и обработки информации, синхронизации и формирования эталонных сигналов времени. В качестве подобных компонентов в электрических схемах , разработчики используют генераторы фиксированной частоты в основном двух видов:

  • кварцевые генераторы
  • атомные генераторы

Кварцевый генератор представляет собой автогенератор электромагнитных колебаний с колебательной системой, в состав которой входит кварцевый резонатор.

Атомный генератор представляет собой автогенератор электромагнитных колебаний с колебательной системой, в состав которой входит кварцевый генератор и квантовый дискриминатор, который через частотно-фазовый компаратор и схему обратной связи подстраивает частоту кварцевого генератора до требуемого значения, повышая тем самым стабильность и точность выходной частоты.

Кварцевые генераторы можно разделить на несколько типов:

  • обычные кварцевые генераторы
  • термокомпенсированные кварцевые генераторы (или TCXO – Temperature Compensated Crystal Oscillator)
  • термостатированные кварцевые генераторы (или OCXO – oven controlled crystal oscillator)

Каждый тип генераторов может быть также нескольких вариантов:

  • управляемый напряжением (т.е. с возможностью подстройки)
  • управляемый цифровыми кодом (аналогично напряжению, только имеет внутренний ЦАП и, следовательно, цифровой интерфейс подстройки)
  • не управляемый

Рассмотрим каждый тип подробнее.

Обычные кварцевые генераторы – самые простые, а следовательно и дешевые компоненты на рынке формирования частот. Выпускаются в различных форм факторах от миниатюрных SMD корпусов до чуть больших DIP корпусов. Пример данных генераторов (в корпусе dip и smd):

Используются повсеместно, во всех областях, где нет требований к сверхвысокой точности опорной частоты. Обеспечивают температурную стабильность частоты ±100ppm со старением ± 5ppm в год. Данные технические характеристики в пересчёте на Герцы (возьмём для примера кварцевый генератор частотой 10 Мгц) будут составлять величину: 10 000 000 ± 100*10 = от 9 999 000 Гц до 10 001 000 Гц при стабильной температуре с нормальными условиями (25 С). Если же температура начнёт плавать, то и частота начнёт меняться в аналогичных диапазонах погрешности (не более 100ppm/C). Если от подобного генератора тактировать часы, то погрешность их хода будет составлять почти ± 1 час в год.

Термокомпенсированные кварцевые генераторы аналогично предыдущему типу могут выпускаться в различных форм факторах.

Они содержат дополнительные элементы, необходимые для аналоговой температурной компенсации. В большинстве случаев добавлены варикап и цепь с терморезистором, стабилизатор напряжения и более сложный буферный усилитель на выходе. Обеспечивают температурную стабильность частоты ± 0,5ppm. Данные технические характеристики в пересчёте на Герцы (возьмём для примера кварцевый генератор частотой 10 МГц) будут составлять величину : 10 000 000 ± 0,5*10 = от 9 999 995 Гц до 10 000 005 Гц при стабильной температуре с нормальными условиями (25 С).Если от подобного генератора тактировать часы, то погрешность их хода будет составлять уже более “вменяемые” ± 17 секунд в год. Именно этот тип генераторов используется наиболее часто.

В термостатированном кварцевом генераторе температура кварцевого резонатора поддерживается постоянной, благодаря использованию термостата. Это обеспечивает постоянство частоты генератора в интервале рабочих температур независимо от температурно-частотной характеристики кварцевого резонатора. Генераторы могут быть с одним контуром термостатирования и двумя контурами термостатирования.

В одноконтурном термостатированном кварцевом генераторе температурная стабильность может достигать значений до ±1х10-7… ±5х10-8, а в двухконтурном – до ±1х10-10…±5*10-11 в широком интервале температур. Данные технические характеристики в пересчёте на Герцы будут составлять величины:

  • для стабильности 10*10-7: от 9999999Гц до 10000001Гц, что соответствует уходу ±3.5 секунды в год
  • для стабильности 10*10-10: от 9999999,999 до 10000000,001Гц, что соответствует уходу ±0,0035 секунды в год

Термостатированные кварцевые генераторы применяются в качестве опорных генераторов в системах измерения точного времени, GPS/GLONASS, стандартах частоты и т.п.

В системах частотно временной синхронизации компании KRAFTTERA применяются исключительно термостатированные кварцевые генераторы. Мы используем генераторы как одноконтурного термостатирования так и двухконтурного.

Эксперимент.

С помощью операционной системы TimeOS можно провести интересный эксперимент, который наглядно продемонстрирует качественные отличия данных видов генераторов.

Возьмём на тестирование 2 комплекса Sinhron. Один из них с опционально установленным кварцевым генератором OCXO HQ с одноконтурным термостатированием стабильностью 5х10-8, второй с опционально установленным кварцевым генератором OCXO DHQ с двухконтурным термостатированием стабильностью 2х10-10.

При запуске устройства, система начинает подстраивать частоту генератора по сигналам спутниковых систем GPS/GLONASS. Данный процесс сопровождается статусом “Осуществляется подстройка генератора” (см. “Руководство по эксплуатации”) и длится от 10 до 20 часов, по окончанию процесса статус меняется на “Генератор подстроен” (следует учесть, что необходимо отключить “Функцию постоянной подстройки частоты”). Данный процесс можно наблюдать в виде графиков в веб интерфейсе и в интерфейсе лицевой панели:

Данный график отображает ошибку подстройки в 1х10-10 долях, шаг опроса системы составляет 20 секунд. После этого очистим график, нажатием на кнопку “Очистить лог” и оставим обе системы работать на несколько суток.

После нескольких суток работы можно проанализировать данные графиков “Ошибки частоты” и “Температуры системной платы”. Температура системной платы имеет прямую зависимость от температуры внешней среды, и позволяет судить о изменениях внешних условий работы системы. Комплексы синхронизации расположим в помещении без кондиционера, либо любого другого климатического устройства, стабилизирующего климат внутри помещения. Логично предположить что температура внешней среды в тёмное время суток будет ниже чем в светлое.

Проанализируем полученные графики:

  • для OCXO HQ с одноконтурным термостатированием и температурной стабильностью 5х10^-8:

  • для OCXO DHQ с двухконтурным термостатированием и температурной стабильностью 2х10^-10:

При использовании в комплексах Sinhron кварцевых генераторов высокого класса точности и атомных генераторов, а также в системных платах KRAFTTERA TimeBoard v3.1.0.1 и выше используется прецизионный программно-аппаратный счётчик уровня 1*10^-11, позволяющий более точно подстраивать источник частоты. На графике частоты (для генератора DHQ): фиолетовый – счётчик уровня 10^-10; зелёный – счётчик уровня 10^-11.

Как видно из результатов эксперимента максимальная погрешность частоты за время работы комплексов составляла:

1)для OCXO HQ: 160×10^-10 Гц. Что соответствует уходу 0.5 с/год или 1,5 мс/сутки.

2)для OCXO DHQ: 7*10^-11 Гц. Что соответствует уходу 2.5 мс/год или 7 мкс/сутки.

В качестве опции компания KRAFTTERA предлагает для оснащения станции синхронизации частоты и времени с одно и двухконтурными кварцевыми генераторами с температурной стабильностью до 5х10-11 (расчётный уход в режиме источника времени – ±0,002 секунды в год ). Также, по заказу, возможна комплектация и атомными генераторами частоты.

Следует учесть, что в данной статье не рассмотрен эффект старения кварцевых генераторов, который выражается в плавном изменении выходной частоты генератора с течением времени при константном воздействии системы подстройки частоты(т.е. отключенной синхронизацией с GPS/GLONASS), поэтому расчётные значения ухода времени в год в локальном режиме могут не соответствовать реальным. Однако в более краткосрочной перспективе (сутки/неделя) влияния погрешности старения заметно не будет. При необходимости использования эталона частоты или сервера времени без постоянной калибровки по сигналам GPS/GLONASS на долгосрочных временных интервалах (год и более) рекомендуется комплектовать систему атомным генераторам частоты, у которого эффект старения компенсируется квантовым дискриминатором.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: