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

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

Введение.

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.