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:
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:
Каждый тип генераторов может быть также нескольких вариантов:
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:
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:
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.
Об авторе