Блог

Jan 25, 2024

Кварцевый генератор с микрокомпьютерной компенсацией наконец-то готов к использованию в космосе

С 1990-х годов появился кварцевый генератор с микрокомпьютерной компенсацией, или MCXO.

С 1990-х годов кварцевый генератор с микрокомпьютерной компенсацией, или MCXO, использовался во многих приложениях, включая военную и коммерческую авионику, наземную электронику, а также подводную разведку нефти. Эти меньшие по размеру, легкие и маломощные устройства часто могут заменить более громоздкие и энергоемкие кварцевые генераторы с печным управлением (OCXO), обеспечивая при этом сопоставимую стабильность в широком диапазоне рабочих температур. Но святым Граалем приложений MCXO является использование в космосе. Почти каждый спутник использует по крайней мере один OCXO для точного измерения времени, несмотря на большие недостатки, связанные с высоким энергопотреблением и большими размерами. Препятствием для MCXO является то, что он использует несколько цифровых устройств, которые трудно приобрести в качестве компонентов, пригодных для использования в космосе и устойчивых к радиации. До настоящего времени.

В этой статье сравниваются типы кварцевых генераторов и представлен первый MCXO, который сочетает в себе продуманную инженерную конструкцию с радиационно-защищенными цифровыми компонентами, что позволяет использовать его в приложениях NewSpace (рис. 1).

Все кварцевые генераторы, показанные на рисунке 2, основаны на очень стабильных частотных колебаниях пьезоэлектрического кварцевого резонатора.

Обычно кристаллы и связанные с ними схемы тщательно проектируются и изготавливаются так, чтобы кристалл кварца вибрировал только на одной желаемой резонансной частоте. Автономный кварцевый генератор может поддерживать стабильность частоты менее ±50 ppm в широком диапазоне военных температур от -55 до +125℃, что достаточно для большинства электронных приложений.

Если требуется более строго контролируемая температурная стабильность, кварцевый генератор с температурной компенсацией (TCXO) добавляет компенсирующую схему для коррекции температурного изменения частоты кристалла и, таким образом, может достигать примерно ± 1 ppm.

Если требуется еще большая стабильность, кварцевый генератор с печным управлением использует метод помещения кристалла в очень точную печь с пропорциональным управлением, которая может обеспечить примерно на три порядка лучшую стабильность частоты в зависимости от температуры; однако OCXO имеет гораздо больший размер, вес и энергопотребление. Типичный OCXO потребляет не менее нескольких ватт мощности, тогда как потребляемая мощность XO (простых кварцевых генераторов) и TCXO измеряется в милливаттах. Кроме того, OCXO обычно имеют более высокие характеристики по другим важным параметрам генератора, включая фазовый шум, джиттер и долговременную стабильность (старение).

Основной целью MCXO является достижение производительности OCXO, но с гораздо меньшим энергопотреблением и гораздо более быстрым прогревом (время, необходимое генератору для достижения необходимой стабильности после включения). Обманчиво простой метод, который MCXO использует для этого, заключается в одновременной работе кварцевого резонатора на двух разных частотах.

Делая это и манипулируя полученными таким образом данными, кристалл MCXO становится самочувствительным термометром; то есть кристалл, по сути, точно сообщает нам, какова его температура в любой данный момент, и с очень высокой степенью точности, что позволяет более точно компенсировать частоту, чем в TCXO. Он также потребляет гораздо меньше энергии, чем OCXO.

Одной из основных причин превосходства температурной компенсации MCXO является то, что самотермометрия кварцевого резонатора устраняет необходимость в отдельном термометре.

Для каждого TCXO и OCXO требуется отдельный датчик температуры для точного контроля температуры кварцевого резонатора. В случае OCXO необходимо знать температуру кристалла, чтобы постоянно корректировать эту температуру до желаемой температуры печи. В случае TCXO знание температуры кристалла позволяет схеме компенсации рассчитать точную коррекцию, необходимую из-за изменений частоты и температуры. Трудность состоит в том, что датчик температуры не может быть установлен на самом кристаллическом резонаторе из-за массовой нагрузки и эффектов загрязнения, а должен быть установлен снаружи герметично закрытого корпуса кристалла, а из-за термической задержки термометр никогда не сработает. на самом деле иметь точную температуру кристаллического резонатора.