СТАБИЛЬНОСТЬ ЧАСТОТЫ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

FREQUENCY STABILITY OF CRYSTAL OSCILLATORS

Maxim Pogrebnoy

student, Department of Communications and Information Security, Omsk State Technical University,

Russia, Omsk

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена проблеме поддержания тактовой и цикловой синхронизации в радиоканале связи на СВ и КВ волнах с заданной точностью. 

ABSTRACT

The article is devoted to the problem of maintaining clock and cycle synchronization in a radio communication channel on MW and HF waves with a given accuracy.

Ключевые слова: кварцевый генератор; тактовая синхронизация; цикловая синхронизация; формирователь синхросигналов;

Keywords: crystal oscillator; clock synchronization; cycle synchronization; sync generator;

Введение

Основной задачей, решаемой с помощью приёмных устройств, является восстановление информации по сигналу, искажённому при распространении в канале связи и принимаемому с помехами. Для уменьшения потерь информации и повышения скорости передачи требуется хронирование автономного оборудования на приёмном и передающем концах канала связи. Синхронизация ОГ является необходимым условием для правильного приёма как отдельных бит информации (тактовая синхронизация), комбинаций этих бит (символов), так и для приёма пакетов информации (цикловая синхронизация). Применение высокостабильных источников опорной частоты может повысить эффективность системы радиопередачи информации без повышения мощности передатчика. В средневолновом и коротковолновом диапазоне частот наиболее стабильными ОГ являются генераторы на основе кварцевых резонаторов.

Формирование стабильной частоты кварцевыми генераторами

В современной радиосвязи ведущее место в технике стабилизации частоты занимают пьезоэлектрические генераторы. По совокупности важнейших показателей – добротности резонансной системы, временной и температурной стабильности, воспроизводимости параметров, габаритам – пьезоэлектрические и в особенности кварцевые генераторы (КГ) имеют преимущества перед другими типами источников опорной частоты (микроэлектромеханические осциляторы, атомные и молекулярные стандарты частоты, LC-генераторы). КГ имеют наименьшую кратковременную нестабильность частоты (КНЧ). Данное преимущество наиболее легко реализуется при значениях выходной частоты КГ в диапазоне коротких волн (3…30 МГц). Современное производство кварцевых резонаторов и генераторов характеризуется высоким уровнем технологии, базируется на использовании групповых методов изготовления.

Нестабильность частоты КГ обусловлена изменением параметров кварцевого резонатора и элементов схемы или режима их работы [1-5]. Стабильность частоты выходного сигнала кварцевых генераторов подвержена влиянию дестабилизирующих факторов, наибольшую роль из которых играет изменение внешней температуры. Другие дестабилизирующие факторы, такие как вибрация, влажность, давление, изменение питающего напряжения, имеют влияние как минимум на порядок меньшее, и поэтому первостепенное значение имеет обеспечение температурной стабильности частоты.

Для уменьшения влияния дестабилизирующих факторов в современном производстве КГ применяют герметизацию резонатора и или всего КГ, вакуумирование пьезоэлемента, уменьшение массы пьезоэлемента и генератора в целом, применение стресс-компенсированных срезов кварца таких как ТД или SC-срез, применение малошумящей элементной базы (высокочастотные транзисторы, варикапы, резисторы, конденсаторы), применение схем генераторов с наименьшим числом источников шума и с высокой нагруженной добротностью  резонатора, используют малошумящие с высоким коэффициентом стабилизации источники питающего напряжения, фильтрацию цепей питания. Наиболее значимым параметром для повышения фиксирующей способности КГ является добротность кварцевого резонатора (КР). Развитие технологии производства КР позволило получить добротность, исчисляемую миллионами. Наиболее высокодобротные КР получают с помощью технологии химического полирования [6].

В правильно спроектированном КГ самым чувствительным элементом генератора к температурным изменениям является кварцевый резонатор. Температурной стабильности частоты простых КГ, содержащих КР и электрическую схему генератора с выходным буферным усилителем и стабилизатором питания, во многих случаях уже недостаточно, и поэтому применяют прецизионные КГ, у которых приняты специальные меры по её повышению.

Наиболее высокую добротность имеют кварцевые резонаторы, возбуждаемые с колебаниями сдвига по толщине [4, 7].

В термокомпенсированных кварцевых генераторах (ТККГ) и термостатированных кварцевых генераторах (ТСКГ) в общей динамической нестабильности частоты помимо динамической нестабильности частоты резонатора участвует динамическая нестабильность вследствие пространственной разнесённости кварцевого резонатора и датчика температуры и разности их тепловых постоянных времени. Это приводит к появлению динамической разности температур между резонатором и термодатчиком при нестационарных температурных условиях. В источнике [8] указано, что для резонаторов ТД-среза динамическая разность температур между резонатором и термодатчиком оказывает более сильное влияние на отклонение частоты, чем собственный температурно-динамический коэффициент частоты резонатора (ТДКЧ).

Простые КГ имеют температурную стабильность частоты не лучше ±20х10-6 в температурном диапазоне -40°С …+70°С [4] ±8х10-6 в диапазоне -10°С …+60°С (генератор ГК-217УН компании АО “МОРИОН”). Для ТККГ и ТСКГ применяют КР с различными температурно-частотными характеристиками (ТЧХ). Различия достигаются изменением углов среза пьезоэлемента резонатора (ПЭ). Для ТККГ желательно использовать КР с наименьшим размахом (отклонением от постоянной величины) ТЧХ в широком рабочем температурном диапазоне и формой ТЧХ, удобной для аппроксимации и дальнейшего формирования компенсирующего воздействия. Для ТСКГ наиболее подходят КР с ТЧХ, имеющей наименьший температурный коэффициент в области температуры стабилизации. КР термостатируется при температуре, близкой к экстремуму ТЧХ резонатора, где ТКЧ первого порядка равен нулю. Одними из лучших резонаторов для термостатируемых КГ являются резонаторы ТД(SC)-среза, которые имеют малую чувствительность к динамическим температурным градиентам в процессе разогрева [4]. При замене в ТСКГ резонатора АТ-среза резонатором ТД-среза такие параметры КГ как кратковременная нестабильность частоты, уровень фазовых шумов и время выхода на режим улучшаются в 2-3,5 раза [9].

Ещё одним способом повышения стабильности частоты ТСКГ является применение гармониковых резонаторов: такие резонаторы имеют более высокую долговременную стабильность [4]. У резонаторов ТД-среза с колебаниями сдвига по толщине, благодаря малой величине интегральной силовой чувствительности, существенно ослаблено влияние линейных нагрузок механических и климатических воздействий, ослаблено влияние механических напряжений в электродном покрытии и узлах крепления. Резонатор ТД-среза имеет очень пологую ТЧХ вблизи температуры экстремума (вблизи которой задают температуру стабилизации), коэффициент разложения ТЧХ второго порядка в 2-3 раза меньше, чем у среза АТ [10]; резонаторы имеют на порядок меньшую зависимость частоты от уровня возбуждения по сравнению с резонаторами АТ-среза [4]. Исследование двухповоротных срезов выявило корреляцию между силовым коэффициентом чувствительности (СКЧ), ТДКЧ, временем эксплуатационной готовности резонаторов и существенные преимущества по этим параметрам перед резонатором АТ-среза [11], [12]. Недостатком резонатора ТД-среза является наличие более активной термочувствительной В-моды колебаний, которая легко возбуждается на частоте примерно на 9% …9,5% выше основного опорного колебания (С-мода), и более сложная технология получения данного среза кварца. Для ослабления возбуждения В-моды в схемах генераторов приходится принимать специальные меры. Но данный недостаток, наличие близкой по частоте термочувствительной моды, может играть положительную роль, когда, например, необходимо точно определить температуру резонатора. Применению двухмодовых генераторов на резонаторах ТД-среза в прецизионных ТККГ с цифровой термокомпенсацией посвящено много работ. В работах Ю. С. Шмалий указано, что применение двухмодового возбуждения резонаторов с контролем отношения частот мод приводит к улучшению долговременной стабильности частоты.

Термокомпенсированные кварцевые генераторы (ТККГ) отличаются почти мгновенным выходом в установившийся режим (менее 1 секунды) и имеют температурную стабильность ±2х10-6…±5х10-7 в диапазоне -40°С …+70°С. Лучшие ТККГ с цифровой термокомпенсацией имеют стабильность до ±3х10-8 в диапазоне -40°С …+70°С при низкой потребляемой мощности 20…200 мВт. Наиболее высокие показатели температурной стабильности достигаются с помощью цифровой и гибридной термокомпенсации. Цифровая термокомпенсация на основе микроконтроллера позволяет применять прогрессивные автоматизированные технологии температурной компенсации, производить коррекцию частоты через цифровой интерфейс.

Термостатируемые кварцевые генераторы достигают более высоких значений температурной стабильности, от ±5х10-7  в диапазоне -30°С …+70°С  при потреблении в установившемся режиме не более 180 мВт при температуре окружающей среды 25°С (малогабаритный термостатируемый генератор МХО37/8 компании "Мэджик Кристалл"), вплоть до ±5х10-11 в диапазоне -20°С …+70°С (ультрапрецизионный генератор с двойным термостатированием ГК216–TC АО «Морион»), при гораздо большем потреблении в установившемся режиме 4,2 Вт. В режиме разогрева (после включения) и на нижней границе рабочего диапазона температур мощность потребления может достигать 18 Вт. При более высокой температурной стабильности, помимо значительной потребляемой мощности, ТСКГ имеют более длительное время выхода частоты сигнала в заданные пределы отклонения от установившегося значения частоты после включения, что связано с разогревом термостата – устройства для поддержания температуры в определенном объеме пространства.

Список литературы:

1. Альтшуллер Г.Б. Кварцевая стабилизация частоты.  – М.: Связь, 1974. – 276 с.
2. Альтшуллер Г.Б. Управление частотой кварцевых генераторов. – М.: Связь, 1975. – 304 с.
3. Альтшуллер Г.Б., Елфимов Н.Н., Шакулин В.Г. Экономичные миниатюрные кварцевые генераторы. – М.: Связь, 1979. – 160 с.
4. Пьезоэлектрические резонаторы: Справочник /В. Г. Андросова, Е. Г. Бронникова и др.; Под ред. П. Е.Кандыбы и П. Г.Позднякова. - М.: Радио и связь, 1992. – 392 с.
5. Шитиков Г.Т., Цыганков П.Я., Орлов О.М. Высокостабильные кварцевые автогенераторы. – М.: Советское радио, 1974. – 376 с.
6. Патент RU 2117382. Способ изготовления кварцевых кристаллических элементов АТ- среза // Кибирев С.Н., Ярош А.М. Омский научно-исследовательский институт приборостроения. Дата подачи заявки: 06.06.1995. Дата публикации патента: 10.08.1998.
7. Иванченко Ю.С. Многочастотная кварцевая стабилизация / Новороссийск: МГА им. Адмирала Ф.Ф. Ушакова, 2007. – 506 с.
8. Ионов Б.П. Термодинамические искажения частоты термокомпенсированных кварцевых генераторов / Стабилизация частоты // тезисы докладов межотраслевых научных конференций, совещаний, семинаров. – Москва, 1986. – С. 30 – 33.
9. Вороховский Я.Л., Драхлис Б.Г.  Прецизионные кварцевые генераторы на резонаторах-термостатах среза SC / тез. юб. н.-т. конф. – ОНИИП, Омск -1988. – С. 104 – 105.
10. Дикиджи А.Н., Теренько В.С. О применении среза ТД при производстве прецизионных кварцевых резонаторов / тез. юб. науч.- техн. конф. – ОНИИП, Омск, 1988. – С. 142 – 143.
11. Прецизионные кварцевые резонаторы срезов yxbl/-α°/+35°. Л. П. Кузнецова, Г. Г. Перельман, А.Н. Дикиджи, Л.Ш. Дикиджи // Электронная техника Сер. Радиокомпоненты Вып. 4, – 1968. С. 3 – 11.
12. Теренько В.С., Ивлев Л. Е. О силовом коэффициенте частоты кварцевых резонаторов / Электронная техника Сер. Радиокомпоненты Вып. 5, – 1968. – С. 45 – 51.