Osciladores sobre osciladores e padrões de freqüência Compreender as características da gama completa de padrões de freqüência, com base em tecnologias de cristal de quartzo para ressonância atômica, é um trabalho de vida em si. Osciladores são fundamentais para praticamente todas as aplicações eletrônicas modernas. Os osciladores de cristal não-compensados (XO) de execução livre são os cavalos de trabalho na grande maioria das aplicações, e. Relógios de microprocessador. Os osciladores de cristal com compensação de temperatura (TCXO) entram em suas próprias aplicações mais sensíveis, como os osciladores locais em receptores coerentes e de espectro espalhado, como os usados no GPS ou nos sistemas digitais de telefones celulares. Os osciladores de cristal continuam a oferecer o melhor ruído de estabilidade a curto prazo de qualquer tecnologia de oscilador. É por isso que o sinal de saída de qualquer padrão atômico realmente vem de um oscilador de cristal que é freqüência bloqueado para a freqüência de ressonância atômica. O padrão atômico fornece estabilidade a longo prazo, enquanto o padrão de quartzo fornece estabilidade a curto prazo. Osciladores de cristal de quartzo forjado Quando um único forno de controle de temperatura (OCXO) ou duplo (DOCXO) é enrolado em torno do cristal e seus circuitos oscilantes, a estabilidade de freqüência pode ser melhorada de duas a quatro ordens de grandeza em relação à do TCXO. Tais osciladores são usados em aplicações laboratoriais e de qualidade de comunicação e, muitas vezes, têm os meios para ajustar sua freqüência de saída através do controle eletrônico de freqüência. Desta forma, eles podem ser quotdisciplinados para combinar a freqüência de um receptor de referência GPS ou Loran-C. Os DOCXO disciplinados pelo GPS são as Fontes de Referência Primárias Stratum I (PRS) para muitos dos sistemas mundiais de telecomunicações com fio. Eles também são amplamente implantados como referências de tempo e freqüência de GPS para as bases que operam sob o padrão IS-95 para os sistemas de telefonia móvel de acesso múltiplo por Divisão de Código (CDMA) originados pela Qualcomm. O grande volume dessas aplicações de estações de base afetou profundamente o mercado OCXO ao baixar os preços e consolidar os fornecedores. Uma característica infeliz da maioria dos osciladores baseados em quartzo é a presença de mudanças repentinas na sua freqüência de saída. Na grande quantidade de aplicativos, essas etapas são pequenas o suficiente para não ser notadas. Em aplicações de precisão, este não é o caso. As etapas podem ser grandes o suficiente para enviar um sistema fora de especificação por um período significativo de tempo. Leia sobre Frequency Steps e nossa exclusiva quotNo Frequency Stepsquot guarantee. Padrões de freqüência de ressonância atômica O próximo nível de estabilidade é alcançado quando as freqüências de ressonância de certos átomos, como rubidium, hidrogênio ou césio, são usadas para controlar a freqüência de um oscilador de cristal. Ao longo dos últimos 20 anos, a tecnologia padrão de freqüência baseada em rubidium amadureceu até o ponto de serem substituições econômicas para OCXODOCXO de alta qualidade e ultra-estável. Embora comparáveis em tamanho, a sua estabilidade a curto prazo e consumo de energia são inferiores a um OCXO ultra-estável, mas a deriva sistemática em freqüência versus tempo é geralmente superior e o tempo de restabilização após uma interrupção de energia é muito mais curto. Problemas com o desgaste das células de rubídio foram resolvidos e os fabricantes agora oferecem garantias essencialmente ilimitadas contra falhas de células. Os padrões de freqüência baseados em hidrogênio-maser permanecem até hoje como esquisias muito grandes e exóticas que procuram uma aplicação que requer a notável estabilidade a médio prazo de que são capazes. Normalmente, eles são encontrados apenas em laboratórios de padrões nacionais, onde são utilizados para medições de curto prazo de muito baixo ruído de outros padrões de freqüência. Masers de hidrogênio sofrem de derrames de freqüência sistemática que requer que eles sejam referenciados a um padrão de freqüência primária para medições de longo prazo, o que não é um problema para um laboratório nacional de padrões. Padrões de freqüência primária Dos padrões de freqüência atômica, somente os padrões baseados em césio podem ser chamados de padrões primários, o que significa que eles são referências de freqüência absoluta autônomas. Esses padrões primários podem contribuir para o tempo de tempo do mundo, Tempo Coordenado Universal (UTC), que é um quotpaper clockquot composto por um conjunto elaborado do tempo de centenas de padrões primários espalhados pelo mundo. Todos os outros padrões de freqüência mencionados aqui exibem níveis variáveis de deriva sistemática de freqüência ao longo do tempo e podem não ser classificados como quotprimaryquot. Os padrões de frequência baseados em césios estão tipicamente disponíveis em duas notas de desempenho, dependendo do projeto do tubo do feixe: padrão ou alto desempenho. Eles continuam a ser unidades grandes e caras com um mecanismo de desgaste bem definido (depleção de césio) que periodicamente requer uma substituição de tubo de feixe caro. O tubo de alto desempenho tem cerca de um terço da vida útil do tubo padrão. Além disso, antes da falha real, geralmente ocorrem comportamentos de freqüência anômala que são melhor detectados por monitoração através de uma referência de freqüência baseada em GPS ou Loran-C localizada. Uma vez que os padrões de frequência modernos e de alto desempenho GPS-disciplinados, como nossos produtos Meridian Rubidium, podem combinar o desempenho a longo prazo do melhor cesão de tubo padrão, a um custo muito menor, ao mesmo tempo que oferece desempenho e expectativa de vida de curto prazo, é bastante fácil de Faça um caso para ignorar o césio completamente em qualquer aplicação prática onde uma antena possa ser instalada. Clique aqui para ver um gráfico comparando o desempenho de estabilidade de um Meridian GPS TimeBase vs. HP Cesium. Estabilidade a curto e longo prazo Muitas vezes, o comportamento a curto prazo de uma freqüência de osciladores é tão importante quanto a sua deriva a longo prazo e a sensibilidade aos estresses ambientais. A estabilidade a curto prazo é medida no domínio da frequência como ruído de fase ou no domínio do tempo como variação de 2 amostras ou Allan. Nos intervalos de observação inferiores a um segundo, os osciladores de cristal superam todos os outros tipos de osciladores para este parâmetro. Por esta razão, a saída de um padrão atômico é tirada diretamente de um oscilador de cristal que é freqüência bloqueada para a freqüência de ressonância atômica. Os osciladores de quartzo fabricados pela EndRun Technologies apresentam um desempenho notável de estabilidade a curto prazo. Leia sobre Low Phase Noise. A partir de intervalos de observação de 10 a 100 segundos, os masers de hidrogênio assumem e reinarem supremos até que seu componente de derivação de freqüência atinja um nível que ofereça vantagem ao césio. Rubidium oferece estabilidade de curto prazo superior ao césio para intervalos de observação inferiores a cerca de um dia, razão pela qual o GPS agora usa padrões de rubídio nos satélites. O ambiente espacial realmente aumenta o desempenho dos padrões de freqüência de Rubidium, e a arquitetura do sistema e o período da órbita de satélite permitem que a instabilidade a longo prazo seja medida e compensada efetivamente em tempo real. Clique aqui para obter detalhes sobre os osciladores usados por EndRun Technologies. febo Estabilidade e precisão de freqüência no mundo real Por mundo real Quero dizer, é claro, rádio de presunto. Houve muita discussão recentemente entre alguns dos meus amigos sobre os osciladores disciplinados por GPS (GPSDOs) para uso em aplicações de rádio amador. Enquanto os GPSDOs são uma ótima idéia, não tenho certeza de que, para muitos aplicativos de presunto, um deve ser considerado um requisito. A partir dessa questão, esta página descreve alguns dos atributos desejáveis de uma fonte de frequência para rádio de presunto. Definições básicas A precisão é saber que, quando digo, vejo você em 10 368.105 231 MHz, é aí que você me encontrará. A estabilidade é a forma como ficamos doentes por vários períodos de tempo. Precisão ou resolução é quantos dígitos minha medida tem. Uma precisão de medição pode ser, e freqüentemente, é muito maior do que sua precisão. Em outras palavras, você nem sempre pode confiar nos últimos dígitos. A estabilidade divide-se em três categorias: estabilidade a longo prazo. Que geralmente é medido em períodos de um dia ou mais estabilidade a curto prazo. Que normalmente é medido em períodos de talvez 0,1 segundo a um dia e ruído de fase. Que trata de escalas de tempo e efeitos muito curtos que se parecem mais com modulação indesejada do que uma freqüência errante. A estabilidade a longo prazo é dominada por uma mudança progressiva na freqüência chamada de deriva. Que quase todos os osciladores sofrem. O envelhecimento é freqüentemente usado de forma sinônima com a deriva, mas a deriva técnica não precisa surgir de um processo de envelhecimento. A deriva, muitas vezes, prossegue em uma direção e pode ser previsível com base no desempenho passado, pelo menos por alguns dias. Em alguns osciladores, a deriva pode ser mais aleatória e pode mudar de direção. A deriva a longo prazo afetará a precisão da freqüência dos osciladores a menos que seja corrigida. A estabilidade a curto prazo se assemelha ao ruído e normalmente não é previsível. Ele reflete a incerteza da freqüência dos osciladores em um determinado instante no tempo. O ruído de fase geralmente é pensado na freqüência, e não no tempo, no domínio. Como a instabilidade de curto prazo, resulta do ruído inerente em qualquer componente que contém átomos em movimento (isto é, tudo o que não seja um vácuo total ou no zero absoluto). Alguns osciladores também são especificados para estabilidade em variáveis diferentes do tempo, como temperatura, tensão de alimentação, choque e até mesmo efeitos gravitacionais. Embora esses fatores sejam importantes, vou me concentrar na estabilidade relacionada ao tempo neste documento. Terminologia da medição Muitos hams pensam em erro de freqüência, se pensam nisso, em termos de partes por milhão. Time-nuts pensa em termos de offset de frequência fracionada. Que é calculado dividindo o erro de frequência (isto é, a frequência medida menos a frequência nominal) pela frequência nominal. Em outras palavras: Frequência (medida) - Frequência (nominal) Frequência (nominal) Assim, um erro de 1,54 Hertz a 100 MHz é: 100 000 001,54 - 100 000 000 100 000 000 O resultado é 1,54x10 -8. Muitas vezes escrito em ASCII como 1.54x10e-8. Muitas vezes, você ouve um desempenho áspero descrito como partes no décimo primeiro ou algo parecido. Usar uma notação exponencial como essa leva você a números muito pequenos, muito rapidamente. Aqui estão alguns pontos de referência convenientes: 1 Hz a 100 GHz As medidas de estabilidade só são significativas quando o tempo entre as leituras é especificado. Em outras palavras, a estabilidade a curto ou a longo prazo é a consistência das medidas realizadas em intervalos indicados, igualmente espaçados. O intervalo de medição é referido como tau. Por exemplo, podemos dizer que a estabilidade de um oscilador é 1x10 -11 em tau 1 segundo. A estabilidade a longo prazo é frequentemente especificada por dia ou por mês. A estabilidade a curto prazo é quase sempre indicada em segundos. Não vale a pena entrar em grande detalhe aqui, mas os números de estabilidade geralmente são gerados usando uma fórmula que produz o Allan Variance. Abreviado como AVAR. AVAR é uma medida estatística semelhante ao desvio padrão, mas otimizada para o tipo de ruído que os osciladores exibem. A análise das fontes de tempo e freqüência de precisão é dominada por estatísticas. Allan Variance é muitas vezes representado em vários tau, como neste gráfico mostrando o desempenho de um padrão de freqüência de excesso militar: para o ruído de fase, alternamos para uma escala de potência logarítmica referenciada à força do transportador. Há mais potência de ruído em uma ampla largura de banda do que uma estreita, então, por convenção, o poder de ruído é normalizado para uma largura de banda de 1 Hertz. Por algum motivo, esta medida do poder de ruído SSB é chamada de script L. Depois de um personagem que parece, bem, como um cursive ou script, maiúsculas L. Não há nenhuma representação desse personagem em fontes de computador comuns, o que torna a rotulação de gráfico um pouco interessante. A unidade de medida é dBcHz, o que significa potência de ruído em uma largura de banda de 1 Hertz em relação ao nível de portadora, em um deslocamento de freqüência especificado do transportador. O ruído de fase muitas vezes conspirado em um gráfico como esse (mostrando o mesmo padrão de superávit acima): Sobre os receptores de GPS do GPS projetados para fins de tempo produzem um sinal de pulso por segundo (PPS) que é preciso na escala de nanosegundos. O sinal GPS é controlado pelo Observatório Naval dos EUA, por isso pode ser recebido com uma precisão de algumas partes em 10 -13 em comparação com o USNO (e o tempo USNO é mantido dentro de alguns nanosegundos do National Institute of Standards and Technology time scale ). Esse sinal PPS pode ser usado para orientar ou disciplinar um oscilador de cristal forjado (OCXO) em uma configuração de loop de fase - essencialmente, um sinal PPS derivado do OCXO é comparado ao GPS PPS e um circuito de controle ajusta o oscilador Freqüência para manter os dois sinais PPS no mesmo tempo de deslocamento, ou fase. O sinal GPS PPS no curto prazo (menos de mil segundos ou mais) é bastante ruidoso. Diversos fatores fazem com que ele gire em torno de talvez 50 a 150 nanosegundos. Isso não soa muito, mas em termos de frequência fracionada, não é tão grande - mesmo 100 nanosegundos por segundo é apenas 1x10 -8. Ao longo do tempo, esse ruído mede para zero, então, dia a dia, o GPS PPS é muito melhor. Por outro lado, um bom oscilador de cristal é facilmente melhor do que 1x10 -11 de segundo a segundo, o melhor pode ser algumas partes em 10 -13. Mas a longo prazo, o envelhecimento pode mover uma freqüência de OCXO fora de partes em 10-9 por semana - ou mesmo por dia. A idéia do GPSDO é combinar a boa estabilidade a curto prazo do oscilador de cristal com a excelente estabilidade a longo prazo Do sinal do GPS. O ponto de passagem geralmente está em algum lugar em torno de 1000 segundos - abaixo desse tempo, a estabilidade do oscilador de cristal predomina em tempos mais longos, a freqüência de saída acompanha o GPS. O que a combinação parece, você pode facilmente ver onde ocorre o cruzamento entre OCXO e desempenho GPS (isto é, dois HP Z3801As medidos um contra o outro): porque os circuitos de controle aplicam uma tensão ao circuito de sintonização do oscilador de cristal, qualquer ruído nesse controle A tensão irá degradar o desempenho dos osciladores. Como resultado, um oscilador disciplinado nunca executará tão bem quanto o mesmo oscilador funcionando sem influência externa. A degradação do desempenho pode aparecer como aumento do ruído de fase ou redução da estabilidade a curto prazo. Com um design cuidadoso, esta contaminação pode ser minimizada, mas está sempre em algum nível (a menos que o oscilador seja tão ruim que o ruído inerente mascara o ruído de controle). O que isso significa é que um GPSDO fornece uma precisão excelente, mas não melhora a estabilidade a curto prazo ou o ruído de fase - aqueles geralmente serão otimizados em um oscilador de cristal autônomo. A precisão de freqüência do GPSDO é essencialmente a do GPS, mais ou menos a estabilidade a curto prazo do oscilador de cristal. Em outras palavras, um GPSDO que funciona corretamente é probabivelmente preciso em partes em 10 -13. E se você medir uma vez por dia, essas medidas serão constantes em torno desse nível. Mas se você fizer medições a cada segundo, elas podem diferir entre si por partes no décimo primeiro ou décimo segundo. Finalmente, os GPSDOs apresentam dois problemas operacionais que não podem ser ignorados: (a) eles não gostam de ser desligados, porque leva horas para dias para que o sistema se estabilize após a alimentação e (b) não gostem de serem movidos, porque otimizado O desempenho depende do GPS sabendo exatamente onde é, e leva várias horas para fazer uma auto-pesquisa adequada. Esses motivos significam que um GPSDO não deve ser parte de um sistema com um interruptor de energia e que pode não ser prático para um sistema móvel ou portátil. Um OCXO com bateria operativa poderia ser uma solução muito melhor. Com essas coisas atrás de nós, que tipo de precisão e estabilidade precisamos para aplicativos amadores - não se gabando de direitos, mas recursos úteis em nossas operações de HF de bandas na HF, a precisão de 0,1 Hertz não requer mais de 3.33x10 -9 (ie. 0,1 Hz a 30 MHz). E, dado o Doppler e outros efeitos atmosféricos, é questionável se a precisão de 0,1 Hertz é mesmo significativa. Um GPSDO é facilmente capaz de peças em 10 -12 e pode se aproximar de peças em 10 -13 se você tiver uma média de um dia ou mais. Isso significa que um GPSDO é algo como 3.000 vezes melhor do que o necessário para atender a uma especificação de precisão de 0,1 Hertz a 30 MHz. Um oscilador de cristal em um forno (OCXO) também não funciona, mas pode executar o suficiente. Por exemplo, um oscilador de tamanho DIP muito pequeno do MTI (modelo 205) envelhece 5x10 -9 por dia e possui uma estabilidade térmica de 3.5x10 -6 em uma faixa de -30 a 70 graus C. Isso não corresponde ao nosso requisito de 0.1 Hertz a 30 MHz, a menos que você o calibre todos os dias. Mas é um pequeno oscilador (relativamente) barato. Uma unidade maior e mais cara (cerca de 300-500 em quantidades de unidade única), como a série MTI 260, oferece envelhecimento até 5x10 -11 por dia e estabilidade de temperatura na mesma faixa de 2x10 -10. Esse oscilador precisaria ser ajustado apenas a cada 90 dias ou mais para permanecer dentro de 0,1 Hertz a 30 MHz. A estabilidade a curto prazo, francamente, não é um problema na HF. Mesmo osciladores baratos terão estabilidade em períodos de 1 a 100 segundos, medidos como partes em 10e-9, ou em torno de 0,1 Hertz a 30 MHz. Muito poucas aplicações de amadores requerem estabilidade neste nível, não fiz pesquisas exaustivas, mas o requisito de estabilidade mais exigente que eu encontrei é para PSK31 no modo QPSK, com um requisito de estabilidade citada de 4 Hz. - isso é apenas 1,33x10 -7. O ruído de fase é um fator importante no ruído de fase pobre de HF pode resultar em interferência aumentada e operação fraca de modos digitais de mudança estreita. No entanto, na maioria das plataformas HF, outros componentes como sintetizadores e amplificadores definem o desempenho do ruído de fase, o oscilador de referência de cristal é normalmente muito mais silencioso que esses componentes. VHF e microondas Em freqüências mais altas, estabilidade a curto prazo e ruído de fase podem se tornar questões mais importantes porque a referência está sendo multiplicada por grandes números. A estabilidade a curto prazo de 10 -9 a 10 GHz pode colocar uma ondulação de 10 Hertz no sinal que pode ser suficiente para impactar os modos digitais de banda estreita. Talvez seja mais importante o efeito da multiplicação no ruído de fase. O ruído de fase aumenta em uma progressão de 20log, portanto, multiplicar de 10 MHz para 10 GHz aumenta o ruído de fase em 60 dB - isso é suficiente para reduzir significativamente as relações de sinal para ruído, e também para espalhar o pico do sinal na medida em que mesmo o CW soa mushy . Os três seguintes gráficos de analisador de espectro mostram o espectro de saída de um oscilador de tijolos de 10 GHz quando conduzido por vários osciladores na faixa de 100 MHz (multiplicando esse sinal por um fator de 102), bem como um gerador de sinal de microondas HP para comparação. Eles mostram intervalos diferentes (maisminus 5 kHz, 250 kHz e 5 MHz) longe da freqüência central é importante olhar para os três intervalos, porque você verá desempenho diferente em diferentes compensações da operadora. A coisa mais importante a ter nessas parcelas é que a qualidade da referência é muito importante para a qualidade do sinal multiplicado. Pagesstabilityindex. html foi atualizado pela última vez: segunda-feira, 18 de fevereiro de 2008 09:35:36 EST
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