CC BY
61
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011
*
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
УДК 621-373-5 А. Н. ЛЕПЕТАЕВ
А. В. КОСЫХ С. А. ЗАВЬЯЛОВ К. В. МУРАСОВ
Омский государственный технический университет
ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ASIC КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР С ГИБРИДНОЙ АНАЛОГОЦИФРОВОЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ___________________________________________
В статье рассматривается структурная схема интегрального кварцевого генератора с гибридной аналого-цифровой температурной компенсацией. Рассматриваются варианты работы схемы с различными сочетаниями видов компенсации, которые существенно повышает универсальность схемы. Анализируются варианты реализации блока программируемых полиномиальных коэффициентов и синтезатора термокомпенсирующей функции.
Ключевые слова: синтезатор термокомпенсирующей функции, полиномиальный коэффициент, кварцевый генератор, температурная компенсация.
В подавляющем большинстве типов радиоэлектронной аппаратуры в качестве источников опорных колебаний применяются кварцевые генераторы.
Наиболее значимым компонентом нестабильности частоты опорных кварцевых генераторов является температурная нестабильность. Известны два принципа уменьшения отклонений опорной частоты, обусловленных температурной нестабильностью: тер-мостатирование и термокомпенсация. В случае тер-
мостатирования кварцевый резонатор или даже весь генератор помещается в термостат, температура ста-тирования которого совпадает с экстремумом температурно-частотной характеристики (ТЧХ) кварцевого резонатора. Это позволяет устранить воздействие изменений внешней температуры. При термокомпенсации специальная схема синтезатора компенсирующей функции (СКФ) формирует термозависимое напряжение, которое используется для подстройки
*
Рис. 1
Рис. 2
Рис. 3
частоты генератора, причем величина подстройки компенсирует собственные уходы частоты резонатора, вызванные изменением температуры.
Термостатирование обеспечивает лучшую температурную стабильность частоты, которая определяется только качеством системы термостатирования. Диапазон рабочих температур при этом ограничен сверху рабочей температурой термостата, а снизу — предельной мощностью нагрева. Недостатками этого решения являются значительные затраты мощности для подогрева термостатируемого объекта (особенно в момент включения), большое время готовности и более крупные габариты по сравнению с термокомпенсированными кварцевыми генераторами (ТККГ). В приложениях, наиболее требовательных к габаритам и потребляемой мощности, используют ТККГ.
Термокомпенсация позволяет обеспечить малое время включения генератора, особенно при использовании аналоговых термисторных или емкостных цепей, поскольку до включения генератора они уже находятся при нужной температуре, а схема формирования компенсирующего воздействия имеет небольшие постоянные времени, связанные с зарядом конденсаторов фильтра низкой частоты (ФНЧ). Недостатком аналоговых систем термокомпенсации является невысокая точность термокомпенсации, связанная со сложным законом изменения компенсирующего воздействия от температуры, а также старением аналоговых компонентов. Более точными и стабильными являются цифровые системы термокомпенсации, в которых закон изменения сигнала компенсации от температуры записан в табличном виде в ПЗУ и не имеет ограничений на сложность требуемой функ-
циональной зависимости. Однако цифровые системы термокомпенсации обладают повышенным уровнем шумов, связанным как с наличием импульсных сигналов в цифровых схемах, так и с дискретным характером формирования компенсирующего воздействия.
Анализ параметров современных кварцевых генераторов показывает, что существуют сочетания технических характеристик генераторов, которые в настоящее время трудно реализуемы. В частности, нестабильность частоты 1 10-7 и менее (3 10-9), легко обеспечиваемая термостатированными генераторами [1, 2], зачастую не реализуема с использованием ТККГ, однако ценой за высокую стабильность частоты является высокое энергопотребление, которое не опускается ниже сотен милливатт. Традиционные термокомпенсированные генераторы имеют потребление ниже 100 милливатт, но не обеспечивают высокую стабильность частоты. На диаграмме «величина нестабильности» — «мощность потребления» (рис. 1) представлены области, занимаемые различными типами кварцевых генераторов. Генераторы с величиной нестабильности 2 10-6 и менее могут быть реализованы на основе использования принципов цифровой [3] и аналоговой термокомпенсации. В статье рассматривается способ гибридной аналого-цифровой компенсации, соединяющий в себе высокую точность термокомпенсации, характерную для цифровых систем, и малые шумы, свойственные аналоговым системам компенсации.
Резонаторы АТ среза с одним и тем же значением угла среза при производстве имеют достаточно сильный технологический разброс. На рис. 2 приведены графики ТЧХ четырех резонаторов из одной партии.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011
- 27.5 - 15 - 25 10 22.5 35 47.5 60 72.5
T
Рис. 4
40
85
T
Рис. 5
Видно, что разброс ТЧХ в рабочем диапазоне составляет примерно 15 ppm. Это является препятствием для применения аналогового синтезатора термокомпенсирующей функции с постоянными значениями коэффициентов [4] для компенсации ТЧХ всех резонаторов с удовлетворительной точностью (лучше 1 ррт). На рис. 3 приводится среднестатистическая ТЧХ этих кварцевых резонаторов (штрих-пунктирная линия) и полиномиальная компенсирующая функция третьего порядка (сплошная линия). На рис. 4 показана величина ошибки термокомпенсации для конкретных экземпляров резонаторов при использовании значений полинома третьей степени, аппроксимирующего среднестатистическую полиномиальную функцию. Из этого рисунка видно, что значения погрешности термокомпенсации для конкретных резонаторов имеют различные значения средней крутизны. Если произвести подстройку линейного члена компенсирующего полинома для каждого резонатора, то можно существенно снизить общую величину погрешности компенсации. На рис. 5 приведены графики погрешности термокомпенсации при индивидуальной подстройке линейного члена компенсирующего полинома (все остальные коэффициенты полинома остались без изменения). Если произвести индивидуальную подстройку всех коэффициентов полинома, то получим значения погрешности термокомпенсации, которые приведены на рис. 6. Как видно из этого рисунка, выигрыш по точности компенсации по сравнению с предыдущим случаем получается небольшим, хотя сложность настройки существенно возросла.
Принимая во внимание все вышесказанное, можно предложить структуру интегрального ТККГ, изображенную на рис. 7. Эта структура объединяет в себе возможности аналоговой и цифровой термокомпенсации. Аналоговая система изначально формирует усредненные сигналы компенсации, а цифровая схема может осуществлять дополнительную коррекцию этого сигнала, т.е. так называемую «докомпен-сацию». В аналоговой системе предусмотрена возможность изменения полиномиальных коэффициентов компенсации. Для этого используются сигналы ЦАП, управляемых цифровой системой.
Источником сигнала как для аналогового синтезатора компенсирующей функции, так и для цифровой схемы «докомпенсации» является датчик температуры, интегрированный в систему. Использование только аналогового синтезатора с типовыми значениями коэффициентов позволяет получить точность поддержания частоты порядка 1...8 ppm, что определяется величиной отклонения ТЧХ конкретного кварцевого резонатора (рис. 2) от усредненной (типовой) характеристики (рис. 3). Можно повысить точность термокомпенсации, если с помощью дополнительных ЦАП установить значения коэффициентов аппроксимирующего полинома компенсирующей функции, соответствующей ТЧХ конкретного резонатора. Установка кодов ЦАП при этом производится в момент включения микросхемы. Для определения аппроксимирующих коэффициентов необходимо для данного резонатора произвести измерение ТЧХ в нескольких точках и произвести необходимые
Рис. 6
МОБІ М1ЭО БСЬК
ТХ ХТАІ_ ХТАІ_
ивых
расчеты; после этого полученные значения нужно записать в ячейки памяти микросхемы.
Входы икор1 и икор2 служат для коррекции частоты. При изменении напряжения на входе икор1 происходит изменение постоянной составляющей компенсирующего полинома (изменяется значение сигнала на выходе ЦАП5). Изменение напряжения на входе икор2 приводит к изменению линейного члена компенсирующего полинома, что изменяет его наклон. Изменение линейного члена полинома необходимо,
во-первых, для индивидуальной подстройки сигналов компенсации в соответствии с разбросом параметров резонаторов (рис. 4). Во-вторых, как известно [5], при изменении постоянной составляющей напряжения на варикапе управляемого генератора, происходит изменение линейного члена разложения ТЧХ резонатора, поэтому при коррекции частоты генератора изменение постоянной составляющей сигнала компенсации должно сопровождаться изменением линейного коэффициента компенсирующего полинома.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011
Рис. 8
ъ
Рис. 9
ъ
Рис. 10
Для существенного увеличения точности температурной компенсации возможно применение нескольких методов. С точки зрения минимизации уровня шумов, сопровождающих работу цифровых схем, хорошим решением является использование аналого-
вого синтезатора компенсирующей функции с программируемыми полиномиальными коэффициентами. Суть этого метода заключается в том, что весь рабочий интервал температур разбивается на несколько подинтервалов, и в пределах каждого такого
№ Метод компенсации Погрешность метода (ppm) Использование цифровой части
1 Аналоговая компенсация кубическимполиномом с типовыми коэффициентами 5.8 Не используется
2 Аналоговая компенсация с индивидуальной подстройкой линейного коэффициента типового полинома 2.3 В момент включения
3 Аналоговая компенсация с индивидуально настраиваемыми полиномиальными коэффициентами 1.2 В момент включения
4 Кусочно - полино миальная с использованием полинома четвертой степени < 0,1 В моменты включения, переключения рабочего поддиапазона
5 Кусочно-полиномиальная с использованием полинома четвертой степени и цифровой «докомпенсацией» <0,01 Непрерывное
подынтервала производится аппроксимация компенсирующей функции полиномом четвертой степени. При переходе из одного температурного поддиапазона в другой происходит перепрограммирование полиномиальных коэффициентов. На рис. 8 приведен пример кусочно-полиномиальной аппроксимации с использованием 5 подинтервалов примерно одинаковой ширины. Ширина конкретного подинтервала зависит от погрешности аппроксимации «идеальной» компенсирующей функции. На рис. 9 приведен график ТЧХ резонатора и результат работы кусочнополиномиальной системы компенсации. Как видно из этого рисунка, результирующая ТЧХ имеет малое отклонение от нуля. На рис. 10 величина этого отклонения показана в большем масштабе, при этом можно заметить, что на границах температурных зон имеются области, в которых функции компенсации «перекрываются». Это позволяет использовать для переключения между интервалами не одно жестко заданное значение температуры, а некоторую зону значений. Поэтому, даже если температура резонатора колеблется вблизи такой границы температурных зон, переключение коэффициентов можно делать сравнительно редко. Точность поддержания частоты, обеспечиваемая этим методом, составляет приблизительно ±1,110-7 (рис. 10), что не уступает лучшим мировым образцам с нестабильностью ±0,5 ppm [6]. Дальнейшее увеличение стабильности частоты достижимо при использовании цифровой «декомпенсации», которая осуществляется путем формирования таблицы поправок на основании измерения ТЧХ уже компенсированного генератора. Точность поддержания частоты, получаемая при гибридном методе компенсации, может достигать значения порядка (1...5)10-8.
В табл. 1 сведены основные режимы работы интегрального ТККГ. Определение нужного режима работы производится по значению цифрового кода на выводах MOSI, MISO и SCLK в момент включения питания.
Необходимо отметить универсальность рассматриваемой структуры термокомпенсированного генератора, поскольку реализуемая точность поддержания частоты может находиться в достаточно широких пределах от 8' 10—6 вплоть до 1' 10-8, что позволяет использовать такого рода ТККГ в широком круге применений с различными требованиями к стабильности поддержания частоты опорных колебаний.
Библиографический список.
1. Официальный сайт ОАО «Морион» [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http: www.morion.com.ru/rus/oscil-lators/ocxo/ (дата обращения : 29.06.2011).
2. Официальный сайт Magic Xtal Ltd [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http: www.mxtal.ru (дата обращения : 29.06.2011).
3. Косых, А. В. Построение высокоэкономичных источников опорных колебаний с использованием современной функциональной компонентной базы / А. В. Косых, И. В. Хоменко, К. В. Му-расов // Функциональная компонентная база микро-, опто- и наноэлектроники. — Харьков — Кацивели, 2010. — С. 258 — 260.
4. Мурасов, К. В. Применение генераторов термокомпенсирующей функции при разработке стабильных источников опорных колебаний на основе кварцевых резонаторов / К. В. Мурасов, А. В. Косых, И. В. Хоменко // Высокие технологии и фундаментальные исследования. — Санкт-Петербург, 2010. — Т. 4. - С. 217-221.
5. Косых, А. В. Источники высокостабильных колебаний на основе кварцевых генераторов с цифровой термокомпенсацией : дис. ... д-ра техн. наук / А. В. Косых. — Омск : ОмГТУ, 2006. — 443 с.
6. Официальный сайт компании Rakon [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http: www.rakon.com (дата обращения : 29.06.2011).
ЛЕПЕТАЕВ Александр Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики».
КОСЫХ Анатолий Владимирович, доктор технических наук, доцент кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики, проректор по научной работе».
ЗАВЬЯЛОВ Сергей Анатольевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики».
МУРАСОВ Константин Владимирович, ассистент кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики».
Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.
Статья поступила в редакцию 27.06.2011 г.
©А. Н. Лепетаев, А. В. Косых, С. А. Завьялов, К. В. Мурасов
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
