|
Термокомпенсированные генераторы (TCXO) и термостатированные генераторы (OCXO) |
|
Термокомпенсированный кварцевый генератор (tcxo) – генератор, стабилизированный кварцем, отклонение частоты которого в зависимости от температуры уменьшено при помощи вмонтированной в него системы.
Термостатированный кварцевый генератор (ocxo) – это генератор, стабилизированный кварцем, в котором термостабилизирован по крайней мере кварцевый резонатор (например, в термостате) таким образом, что температура кварцевого резонатора поддерживается, в сущности, постоянной. Это обеспечивает постоянство частоты генератора в интервале рабочих температур ГКТС независимо от температурно-частотной характеристики кварцевого резонатора.
Одной из причин нестабильности частоты кварцевого генератора может стать нестабильность температуры, воздействующей на резонатор.
Термокомпенсация – это один из способов решения проблемы температурной нестабильности. В целях термокомпенсации специальное термозависимое устройство включается в генератор, в результате чего обеспечивается перемена частоты в связи с перепадами температуры данного устройства, которая противоположна перемене частоты от влияния температуры на всю остальную часть генератора.
Термокомпенсированные генераторы (tcxo) имеют следующие эксплуатационные характеристики:
• Хорошая стабильность частоты
• Небольшая масса, компактные размеры.
• Надёжность и экономичность.
В процессе термокомпенсации осуществляется управление частотой генератора. При разработке термокомпенсированных кварцевых резонаторов следует стремиться использовать резонаторы с как можно меньшим различием между минимальным и максимальным значениями частоты, находящихся в интервале температур в рабочем состоянии. Это обеспечит как можно меньшее влияние цепи термокомпенсации при влиянии неблагоприятных факторов, угрожающих дестабилизацией, на стабильность частоты.
Когда речь заходит о термокомпенсированных генераторах, управляемых напряжением, то к ним прибавляется цепь подстройки напряжением, управляющая ими, в результате tcxo способствует высокой стабильности частоты и точности. Имея средства измерения частоты, возможно определить реальную частоту ещё более приближённо к номинальной, тем самым, с течением времени, корректируя её.
Также для улучшения стабильности частоты генераторов существуют термостатированные устройства.
Современные tcxo и ocxo обеспечивают надёжность и стабильность частоты в неблагоприятных условиях.
Таким образом, термостатированные кварцевые генераторы служат в основном там, где перепады температур более очевидны, и стабильность частоты обеспечить довольно сложно в сложившихся условиях. Устройства могут быть как нереверсивными, так и реверсивными. Первые обеспечивают только приток тепла, вторые – приток тепла или холода.
Подробнее о термокомпенсированном кварцевем генераторе
Дополнительные элементы, необходимые для аналоговой температурной компенсации, показаны на рис 3 жирными линиями. К принципиальной схеме генератора (рис. 1) до-бавлены варикап и цепь с терморезистором. Чтобы обеспечить-циич высокую стабильность напряжения, необходимую для схемы компенсации, к схеме добавлен стабилизатор напря-жения. Для уменьшения воздействия внешней нагрузки на частоту генератора обычно требуется более сложный буферный усилитель на выходе.
Сопротивление терморезистора значительно зависит от температуры, схема термокомпенсации тщательно рассчитывается, чтобы синтезировать зависящее от температуры напряжение, подаваемое на варикап. Это напряжение вызывает изменение величины емкости варикапа, и, следовательно, нагрузочной емкости кварцевого резонатора. Это изменение нагрузочной емкости изменяет заданным образом частоту кварцевого генератора, чтобы компенсировать температурно-частотную характеристику кварцевого резонатора, а также любые другие изменения и зависимости от температуры ста-билизатора напряжения, активного устройства, элементов схемы и буферных усилителей Выбор параметров схемы с терморезистором довольно сложен, и часто для определения параметров схемы требуется применение ЭВМ.
Рис. 3. Термокомпенсированный кварцевый генератор (ГКТК), использующий аналоговый метод:
1 – диод Зенера с низким температурным коэффициентом; 2 – буферный усилитель; 3 – выход.
В большинстве случаев кварцевый резонатор имеет температурно-частотную характеристику, подобную кривой В на рис. 2. Выбор лучшего угла среза резонатора зависит от необходимой нестабильности и интервала температур. При конструировании необходимо делать правильный выбор между кварцевым резонатором с более линейным изменением температурно-частотной характеристики между точками перегиба и с большим изменением частоты и резонатором с меньшим изменением частоты, но с более нелинейной кривой температурно-частотной характеристики. Более линейную характеристику легче компенсировать, но ее следует компенсировать более точно вследствие большего изменения частоты. Другим моментом, который следует учитывать, является расположение точек перегиба, поскольку синтез компенсирующего реактивного сопротивления упрощается, если в интересующем интервале температур расположена только одна тачка перегиба.
Иногда для термокомпенсации кварцевых генераторов ис-пользуют другой метод - метод так называемой «цифровой компенсации». При таком методе температуру кварцевого резонатора определяют датчиком и преобразуют в цифровую форму. Рассчитанное на основе этого значения температуры двоичное значение напряжения в цифровой форме подается на цифроаналоговый преобразователь, где преобразуется в аналоговую форму, после чего оно подается на настроечный элемент — варикап. Возможна реализация нескольких вари-антов этого метода от простой таблицы значений напря-жений, хранящихся в цифровом ЗУ и указанных датчиком температуры, до применения микропроцессора для решения уравнения зависимости напряжения от температуры. В любом случае цифровой метод устраняет проблему наличия резонаторов с заданной температурно-частотной характеристикой, поскольку принципиально можно использовать любой вид функции. Теоретическое ограничение заключается только в дискретности приращений температуры и аналогового напряжения, создаваемой цифроаналоговым преобразователем. На рис. 4 изображен один из методов цифровой компенсации.
Можно применять также гибридный метод, при котором для получения приближенной компенсации используется аналоговая схема. Например, с коэффициентом стабилизации примерно от 10 до 201, а затем для улучшения частотной стабильности используется цифровой метод с меньшим диапазоном динамических напряжений Этот метод, изображен-ный на рис. 5, дает возможность применять цифровые схемы с меньшим количеством двоичных ячеек и, естественно. уменьшает число ячеек запоминающего устройства, необхо-димых для метода табличного поиска. Однако он требует включения в генератор как аналоговых, так и цифровых схем, а также выполнения большего количества измерений с целью определения компонентов аналоговой схемы и цифро-вых коэффициентов
Обычно при помощи аналоговых методов можно легко получить относительные допуски по частоте в диапазоне от ±0,5Х10-6 до ±2Х10-6 в интервале температур от 0 до 60° С или даже шире.
Используя цифровые методы в 10 или 12 ячеек, в том же самом интервале температур можно получить нестабильность ±1Х10-7 при условии, если обеспечена соответствующая изоляция, не допускающая заметных градиентов температур на кварцевом резонаторе, и если существует достаточная повторяемость характеристики кварцевого резонатора.
Рис. 4. Термокомпенсированный кварцевый генератор (ГКТК), использующий метод цифровой компенсации: 1- запоминающее устройство программы; 2 – устройство для обработки данных; 3 – аналого-цифровой преобразователь; 4 – датчик; 5 – термическая связь; 6 – генератор; 7 – буфер и АРУ; 8 – буферный усилитель; 9 – аналоговый преобразователь; 12 – выход.
Чтобы получить малую температурную нестабильность частоты, особенно в условиях неустановившейся температуры, необходимо чтобы между резонатором, варикапом и терморезисторам существовала хорошая тепловая связь. Если между этими компонентами существуют тепловые градиенты, то может иметь место большое изменение частоты (порядка нескольких миллионных) в условиях неустановившегося режима.
Кроме того, кварцевый резонатор имеет характеристику неустановившегося режима во время изменения температуры вследствие тепловых градиентов в кварцевой пластине, которые при быстрых изменениях температуры могут составлять несколько миллионных. Поэтому обычно требуется тепловая изоляция этих критичных компонентов от окружающей среды. Термокомпенсированные кварцевые генераторы наиболее часто применяют в интервале температур от -20 до +70°С, где практическая и возможная величина нестабильности составляет ±5Х10-7.
Рис. 5. Термокомпенсированный кварцевый генератор (ГКТК), использующий метод гибридной компенсации:
1 – запоминающее устройство программы; 2 – устройство для обработки данных; 3 – цифроаналоговый преобразователь; 4 - аналого-цифровой преобразователь; 5 – термическая связь; 6 – мост сопротивлений (аналоговый); 7 – АРУ; 8 – генератор; 8 – буфер и АРУ; 10 – буферный усилитель; 11 – выход.
Термокомпенсированные кварцевые генераторы имеют малую нестабильность частоты с момента включения, поскольку все компоненты схемы находятся при одной температуре независимо от того, подключен источник питания или нет. Небольшой подъем температуры в результате подключен6ия источника питаний практически не оказывает влияния на частоту. Поскольку полное сопротивление схемы компенсации, используемой для аналоговой реализации термокомпенсированного генератора, может быть сделано высоким, то требуется небольшая дополнительная мощность источника питания. (Однако для цифрового метода требуется дополнительная мощность для срабатывания логических схем). Для некоторых случаев применения эти особенности могут иметь первостепенное значение
Старение термокомпенсированных кварцевых генераторов в основном определяется старением кварцевого резонатора, хотя во избежание увеличения долговременной нестабильности частоты необходимо выбирать варикап с незначительной утечкой тока. При использовании резонаторов, работающих на основной частоте, можно получить скорости старения порядка 1Х10-8в неделю. Если рассматривать термокомпенсированный кварцевый генератор, как обсуждаемый ниже тер-мостатированный, то ожидаемое полное отклонение частоты можно получить путем суммирования старения за любой пе-риод времени и температурно-частотной нестабильности. На-пример, при температурно-частотной нестабильности, равной 5Х10-7, и старении, равном 1Х10-5в неделю, полное отклонение частоты составит 1Х10-6в год.
Подробнее о термостатированном кварцевем генераторе
Термокомпенсированньй кварцевый генератор, о котором говорилось в разделе 3.2.2, может обеспечить температурно-частотную нестабильность порядка нескольких единиц седьмого знака в широком интервале температур окружающей среды. Для получения нестабильности следует применять термостатированный кварцевый генератор ГКТС. Подробное описание дано в Публикации 314 МЭК «Термостабилизирующие устройства для кварцевых резонаторов».
Рис. 6. Кварцевый генератор, управляемый напряжением ГКУН с дополнительными схемными элементами для улучшения ширины полосы и линейности:
1- напряжение настройки; 2 – буферный усилитель; 3 – выход.
Уменьшенную по сравнению с термокомпенсированными кварцевыми генераторами нестабильность получают за счет увеличения объема и значительного увеличения потребляемой мощности. Кроме того, как показано на рис. 7 или 8, имеет место усложнение схемы по сравнению с основной схемой генератора, изображенной на рис.1. Обычно используются термостаты двух основных типов: с пропорциональным либо «включено — выключено» регулированием. В термостате последнего типа используется биметаллический или ртутный датчик температуры, в котором тепло подается в термостат на основе включения или выключения тока. Этот термостат обеспечивает простоту в регулировке, но его применение ограничено менее точной регулировкой частоты и поэтому он не будет рассматриваться в настоящем стандарте.
В термостате с пропорциональным регулированием используется резистивный датчик температуры, включенный в мостовую схему с непрерывной подачей тепла. Это обеспечивает лучшую регулировку температуры и, следовательно, более высокую стабильность частоты.
