CC BY
70
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА
И СВЯЗЬ
,ДК4!'3" А. В. КОСЫХ
Омский государственный технический университет
КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ С ЦИФРОВОЙ ТЕРМОКОМПЕНСАЦИЕЙ: ПРОБЛЕМЫ
И ПЕРСПЕКТИВЫ РЕАЛИЗАЦИИ_
В статье освещены основные проблемы разработки кварцевых генераторов с цифровой термокомпенсацией и предложены пути их решения.
Введение
Кварцевые генераторы с цифровой термокомпенсацией (ЦТККГ) являются перспективными источниками высокостабильных колебаний. Ряд фирм начинает включать такие изделия в свою производственную программу. Это обусловлено тем, что по сравнению с обычными (аналоговыми) термоком-пенсированными генераторами (ТККГ) генераторы с Цифровой термокомпенсацией имеют существенно более высокую температурную стабильность частоты, а по сравнению с термостатированными генераторами (ТСКГ) - меньшую потребляемую мощность и время готовности после включения. Вместе с тем по стабильности частоты ЦТККГ уступают ТСКГ. Несмотря на наличие очевидной рыночной ниши, знедрение ЦТККГ идет очень медленно, что не в
последнюю очередь объясняется высокой стоимостью и сложностью системы цифровой термокомпенсации. До последнего времени для построения термокомпенсирующих устройств ЦТККГ использовались специализированные заказные микро-схемы, что делало возможным использование таких генераторов только в тех областях, где стоимость изделий не являлась определяющим фактором. Однако з производство изделий электронной техники не стоит 3 на месте, и в настоящее время на рынке появились * недорогие микросхемы общего назначения, которые | могли бы составить основу для построения цифро- 2 вых термокомпенсирующих устройств генераторов < различных классов. о
Целью настоящей работы является освещение 5 основных проблем разработки ЦТККГ и предложение путей их решения. ЕЕ
1. Основные параметры ЦТККГ
Основными параметрами ЦТККГ, как и любых других источников высокостабильных колебаний, являются:
• стабильность частоты: температурная, долговременная, кратковременная
• спектр выходного сигнала
• потребляемая мощность
• время установления номинальной частоты после включения
• габариты (объем)
• стоимость
Оценим достижимые уровни по каждому из указанных параметров.
Температурная стабильность частоты
Температурная стабильность частоты ЦТККГ в основном определяется точностью формирования компенсирующей функции и воспроизводимостью характеристик генератора. Зависимость потенциальной точности термокомпенсации в статических температурных условиях от параметров генератора (типа используемого резонатора и интервала рабочих температур) и цифрового термоком-пенсирующего устройства достаточно хорошо исследована в литературе (1, 2 и др.]. Современные микросхемы АЦП, ЦАП и микроконтроллеры легко позволяют получить точность формирования компенсирующей функции, соответствующую стабильности (0,01 — 0,1) ррш. Для этого термодатчик должен иметь разрешение по измерению температуры (0,01 — 0,1)°С, а управляющее воздействие должно иметь от 1000 до 4000 дискретов. Это соответствует 10—12 разрядным АЦП и ЦАП. Ряд микроконтроллеров уже включают в свою структуру такие блоки. Однако, как показали исследования |3,4], в реальных условиях эксплуатации стабильность частоты оказывается хуже. Причина этого состоит в гистерезисе температурно-частотиых характеристик резонаторов и в температурно-динамичес'ких эффектах. Эти эффекты начинают сказываться при высоких скоростях изменения температуры внешней среды (0,1 — 1 °С/мин.) и ограничивают стабильность (без принятия специальных мер) на уровне 0,1 - 0,5 ррш. В [5,6] предложены методы повышения температурно-динамической стабильности на основе использования двухмодовых кварцевых генераторов и двухпараметрической компенсации, формирующей компенсирующее воздействие как функцию двух переменных — температуры и скорости ее изменения. Такие решения обеспечивают температурную нестабильность частоты в пределах (0,02 - 0,03) ррш в широком интервале температур и широком диапазоне скоростей изменения температуры окружающей среды. С нашей точки зрения, термокомпенсированные генераторы на основе двухмодовых резонаторов являются очень перспективными, хотя и очень сложными в производстве. Несмотря на большое число публикаций, посвященных двухмодовым кварцевым генераторам, нам известно всего две фирмы — американская ОЧесИ [7] и французская Тешех, выпускающие серийно такие генераторы в течение ряда лет.
Таким образом, генераторы с цифровой термокомпенсацией относительно легко могут обеспечивать температурную стабильность (0,1 — 0,3) ррш и (0,02 - 0,05) ррш при использовании сложных схем и конструкций термокомпенсирующих устройств.
Долговременная стабильность частоты
Известно, что термокомпенсированные генераторы имеют невысокую долговременную стабильность частоты (0,3 — 1 ррт/год). Для генераторов с аналоговой компенсацией наибольший вкладе изменение частоты настройки и температурную раскомпенсацию с течением времени вносит старение термозависимой цепи, источника опорного напряжения и самого кварцевого резонатора, обычно возбуждаемого по первой гармонике (и, следовательно, не очень стабильного). Старение генераторов с цифровой термокомпенсацией может быть существенно уменьшено (в принципе, до уровня термостатированных генераторов). Наиболее кардинальное решение проблемы старения состоит в использовании ЦТККГ на основе термоуправ-ляемого синтезатора частоты с кварцевым частотным термодатчиком. Лучше всего для такого решения подходит двухмодовый резонатор с одновременным возбуждением термочувствительной и опорной мод. [8]. Структурная схема ТККГ на основе синтезатора частоты приведена на рис. 1.
Поскольку от опорного генератора в данном случае не требуется обеспечивать большую электрическую перестройку по частоте, его резонатор может быть выполнен возбуждаемым по 3-й или 5-й механической гармонике. Обычно такие резонаторы имеют существенно более высокую долговременную стабильность частоты (0,1 ррш/год), чем резонаторы, используемые в аналоговых ТККГ. Старение кварцевого термодатчика вносит очень незначительный вклад в общий уход частоты (0,01 град/год соответствует изменению частоты менее 0,01 ррт/год). Остальные элементы схемы вносят еще менее значительный уход частоты, поэтому для ТККГ на основе синтезатора частоты вполне достижимым является снижение годовой нестабильности до 1101.
Кратковременная нестабильность частоты
Под кратковременной нестабильностью понимают отклонения частоты на временных интервалах 10" — 100 сек. Эти отклонения вызваны шумами автогенераторной схемы, шумами источников питания и управляющей схемы, коммутационными процессами в системе компенсации. В [9] нами исследовано влияние температурных флуктуаций на кратковременную нестабильность частоты термоком-пенсированных генераторов и показано, что на временах наблюдения ниже 1 сек. этот вклад может стать определяющим.
В качестве меры кратковременной нестабильности частоты (КНЧ) часто используют так называемую дисперсию Аллана, связанную со спектральной плотностью шумов выходного сигнала 5(/) выражением:
(1)
Здесь т — интервал усреднения (время счета импульсов); Т = 2т; у — отсчеты показаний частотомера, измеренные за время т.
Выражение ып {л/т)!(л/т)2 может трактоваться как частотная характеристика фильтра.
Спектр выходного сигнала генератора с цифровой термокомпенсацией помимо типовых шумовых составляющих, обусловленных шумами активной части схемы, добротностью кварцевого резонатора.
Термочувствительный генератор Опорный генератор
1 г Рт |
Синтезатор частоты на основе I Рв петли ФАПЧ
Измеритель отношения частот
Функциональный преобразователь
Рис. 1. Структурная схема ТККГ уа основе термоуправляемого синтезатора ■
шумами элементов цепи термокомпенсации и шумами напряжения питания, содержит мало изученные специфические компоненты, обусловленные работой цифровой схемы компенсации. Характер и уровень этих компонентов зависит от типа термодатчика, способа аппроксимации компенсирующей функции, степени фильтрации компенсирующего напряжения и ряда других, на первый взгляд малосущественных параметров, составляющих искусс: во проектирования малошумящих схем. В литературе [ 10] встречаются данные о серийных ТККГ с уровнем фазового шума - 105дБс/Гцна10Гци - 150дБс/Гц при отстройке более 10 кГц. Эти показатели можно считать весьма высокими для малогабаритных генераторов невысокой ценовой категории.
2. Формирование компенсирующей функции
Для термокомпенсированных генераторов температурная нестабильность частоты в наибольшей степени зависит от способа формирования компенсирующей функции. В генераторах с аналоговой термокомпенсацией формирование компенсирующей функции осуществляется термозависимым потенциометром за счет нелинейности входящих в него элементов. При этом приходится подбирать или подстраивать номиналы термозависимого потенциометра. Исходя из этого, трудно обеспечить реальную температурную нестабильность лучше 1 10"6 в широком интервале температур. К тому же, с течением времени точность настройки ухудшается. В генераторах с цифровой термокомпенсацией формирование компенсирующей функции осуществляется путем цифрового функционального преобразования. Потенциальные возможности обеспечения точности преобразования в этом случае очень высокие. К тому же, цифровые функциональные преобразователи с течением времени не меняют своих характеристик, что положительно сказывается на долговременной стабильности частоты. Поскольку к термо-компенсированному генератору предъявляют жесткие требования по габаритам, стоимости и потребляемой мощности, цифровое устройство, осуществляющее функциональное преобразование, должно быть максимально простым. Это вызывает необходимость детального исследования различных способов синтеза компенсирующей функции, в качестве которых могут использоваться:
• Ступенчатая интерполяция;
• Кусочно-линейная интерполяция;
• Кусочно-нелинейная интерполяция;
• Интерполяция специальными функциями;
• Полиномиальная интерполяция.
В качестве критериев оптимальности выбора того или иного способа синтеза должны выступать следующие параметры:
• Методическая ошибка интерполяции;
• Требуемые вычислительные ресурсы, к которым можно отнести:
• объем памяти данных (и программ при использовании микроконтроллеров);
• состав вычислительных блоков (сумматоры, умножители и / р.):
• разрядность вычислительных блоков (зависящая не только от требуемой точности компенсации, интервала рабочих температур, но и от алгоритма обработки);
• время, необходимое для выполнения вычислительного алгоритма
• специфические помехи, создаваемые вычислите. а>ными устройствами.
При использовании ступенчатой интерполяции методическая погрешность термокомпенсации ¿»/будет связана с параметрами компенсирующего устройства выражением [2]
¿>/ =
МП
с1Т
£К)
</Л'(У) Г"
_}_ Ш'(и) &Ц
/„' м V'
(2)
где /0 - номинальная частота; а¡(Т) - температурный коэффициент частоты первого порядка; - характеристика термодатчика; 5(АТр) -диапазон изменения сигнала термодатчика в интервале температур; ^(С/) - характеристика управления генератора по напряжению; ли - размах управляющего напряжения на входе управляемого генератора; п- разрядность аналого-цифрового преобразователя (АЦП) сигнала термодатчика; т - разрядность цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), управляющего выходной частотой генератора.
Для вычисления компенсирующей функции на основе метода ступенчатой интерполяции потребуется память для хранения значений компенсирующей функции объемом к = т 2". В [2] показало, что для достижения точности компенсации 0,1 ■ 10'1* потребуются 10- разрядные АЦП и ЦАП, а требуемый объем ПЗУ составит 104 бит.
При кусочно-линейной интерполяции методическая погрешность компенсации будет описываться выражением [10)
Д(0= За3ьти2(ё2 -тп + Д+ (3)
где - коэффициент при третьей степени разложения температурно-частотной характеристики (ТЧХ) генератора в ряд М'и - величина интервала интерполяции; Гг нижняя граница] - го интервала интерполяции; Тп- температура, соответствующая перегибу ТЧХ; { = (Т-Т^/АТи, Т - текущая
температура.
Для достижения точности компенсации 0,1 -10 ° требуемый объем ПЗУ составит 320 бит (32 10-разрядных слова), но потребуются минимальные вычислительные ресурсы (умножение и сложение).
При кусочно-параболической интерполяции максимальная ошибка аппроксимации в интервале рабочих температур д^ в зависимости от величины
интервала интерполяции ду„ будет определяться
выражением Амакс(АТи) = ±\[За3АТ* /36 ■ Расчеты
показывают, что при использовании параболической интерполяции могут быть получены очень высокие результаты. В частности, при интервале интерполяции дг„=Ю"С и использовании резонатора АТ-среза погрешность метода составляет 4« =±б,2-Ю-\ а при АТ„ = 5°С - Л„акс = ±7,6 ■ Ю'1".
Таким образом, обеспечение высокой точности формирования компенсирующей функции в стационарных тепловых условиях при современном уровне развития цифровой технички не составляет существенных проблем. Однако, при резких колебаниях температуры среды даже идеально скомпенсированные в статических условиях генераторы не обеспечивают нестабильностьлучше, чем (0,5 — 1)10''. причиной этого является так называемая темпера-турно-динамическая нестабильность частоты. Для снижения ее влияния можно применить два принципиально различных подхода:
• использование кварцевых резонаторов БС-сре-за с малым значением собственной динамической температурной чувствительности, возбуждаемых одновременно на двух частотах, причем одна из возбуждаемых мод при этом должна быть опорной, а вторая — термочувствительной [6,8,11);
• формирование компенсирующего воздействия в виде функции двух переменных - температуры и ее первой производной (скорости изменения температуры) [5].
Наилучшие результаты получаются при использовании комбинации этих методов. Как зарубежные [8,11], так и наши [3,7] исследования показали, что наивысшая достижимая температурная нестабильность частоты в широком интервале температур при допустимой скорости изменения температуры до 5 "С/мин составляет 3-10'". Этот предел пока не преодолен ни одной фирмой в течение последних 15 лет.
3. Двухмодовое возбуждение резонаторов
Для получения высокой температурной стабильности частоты в нестационарных условиях необходимо обеспечить высокую динамическую точность измерения температуры пьезокристалла. Для этого термодатчик должен быть пространственно совмещен с опорным резонатором. В наилучшей степени это достигается при возбуждении резонатора сразу на двух собственных модах колебаний, одна из которых опорная, а вторая — термочувствительная. Наиболее перспективным является возбуждение мод «С» и «В» в резонаторах БС- среза. Несмотря на то, что эта идея сформирована достаточно давно [9], ее практическая реализация столкнулась с существенными сложностями, связанными с устойчивым возбуждением двух колебаний в одном резонаторе. Из-за наличия в резонаторе побочных колебаний (основных мод, их гармоник и ангармоник), при определенных температурах возможно акустическое взаимодействие мод с перекачкой энергии из одной моды в другую. Это приводит к изменению динамического сопротивления и срыву термочувствительной моды «В» в очень узких температурных интервалах. Большое количество работ было направлено на улучшение как схемотехники автогенераторов [14,15,16], так и кон-. струкции кварцевых резонаторов [ 13], с целью получения устойчивого возбуждение одновременно двух
мод во всем интервале рабочих температур. В [17] нами приведены результаты исследований зависимости нестабильности динамического сопротивления моды «В» в интервале температур в зависимости от радиуса кривизны поверхности пьезоэлемен-та и показано, что скачкообразное увеличение динамического сопротивления при определенных температурах определяется акустической связью моды «В» с ангармониками моды «С». Показано, что путем вариации радиуса кривизны можно «отодвинуть» паразитные ангармоники в такую область частот, где взаимодействие с модой «В» не происходит. Таким образом, решена одна из основных проблем, ограничивающая использование двухмодового воз* буждения для целей термокомпенсации. Это позволяет рассчитывать на практическое использование двухмодовых резонаторов с возбуждением мод «С» и «В» в конструкциях высокостабильных генераторов с цифровой термокомпенсацией.
4. Аппаратная реализация системы термокомпенсации
Для успешного внедрения идей цифровой термокомпенсации необходимо наличие соответствующей элементной базы, позволяющей выполнить генератор малогабаритным, малопотребляющим и недорогим по цене. До недавнего времени такая элементная база отсутствовала, и для построения термокомпенсирующего устройства приходилось либо использовать большое количество микросхем, либо использовать заказные кристаллы, что повышало стоимость, и было пригодно:для использования таких генераторов только для некоммерческих целей. В последнее время ситуация суще-' ственно изменилась в положительном направлении: появились недорогие малогабаритные высокоин-тегрированные микроконтроллеры и програм-' мируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), позволяющие реализовать самые сложные1 структуры компенсирующих устройств в малых габаритах при невысокой стоимости. Можно выделить две основные структуры генераторов с цифровой термокомпенсацией, предназначенные для реализации генераторов различного класса стабильности:
— на основе кварцевого генератора, управляемого напряжением (ГУН);
- на основе термоуправляемого синтезатора частоты (рис. 1).
Структурная схема первого варианта приведена на рис. 2.
Для реализации структурной схемы на Рис. 2 идеально подходят современные микроконтроллеры фирм Cygnal (C8051F310), Atmel (ATtinylS), Microchip (PIC12F629) и др. ряд контроллеров имеет даже встроенный термодатчик. Однако, эти процессоры не содержат в своем составе ЦАП, что вынуждает использовать внешние микросхемы, удорожающие устройство. Обычно используемые в таких контроллерах для целей цифро-аналогового преобразования встроенные формирователи ШИМ дают высокий уровень пульсаций даже при использовании сглаживающих фильтров (-80 дБ). В [18] предлагается использовать алгоритмическую рандомизацию выходного ШИМ-сигнала, существенно снижающую уровень гармонических составляющих в спектре. В [18] показано, что при использовании алгоритма дельта-модуляции и простейшего фильтра второго порядка возможно снижение уровня побочных составляющих, вызванных работой ШИМ-модулятора, до уровня - 140 ... - 150 дБ, что
Рис. 2. Структурная схема ЦТККГ на основе ГУН
может считаться приемлемым для чувствительных к
ценеприменений.
Для реализации синтезатора по схеме рис. 1. целесообразно использовать малопотребляющую ПЛИС, например, фирмы ACTEL.
Выводы
В настоящее время сложились условия, благоприятные для организации производства нового перспективного класса источников высокостабильных колебаний — кварцевых генераторов с цифровой термокомпенсацией. При этом генераторы с нестабильностью (0,2 - 1) -10"*' целесообразно выполнять по схеме рис. 2 на основе простейшего микроконтроллера, а генераторы с нестабильностью (0,2 — 2) • 10'7 целесообразно выполнять на базе двухмодовых генераторов с синтезатором частоты по схеме рис. 1.
Библиографический список
1. Косых А. В., Ионов Б, П. Исследование зависимости точности термокомпенсации от параметров термоком-пенсирующего устройства. /Пьеэо- и акустоэлектронные устройства. - Омск: ОмПИ.,1982,- С. 91-95.
2. Косых А. В. Анализ цифровых термокомпенсирующих устройств кварцевых автогенераторов со ступенчатым формированием компенсирующей функции. Омск: ОмПИ. - 25 с. - Деп. в ВИНИТИ 13.07.83, N3888 - 83.
3. Косых А. В., Ионов Б.П., Воронцов П.И., Файлер Я.Е. Температурно-динамические характеристики термокомпен-сированных кварцевых генераторов. Электронная техника. Сер. Радиодетали и радиокомпоненты. Вып. 2 (83), 1991, с. 46-51.
4. Filler R. Measurement and analysis ol thermal hysteresis in resonators and TCXOs. //Proc. 1988 IEEE frequency control symposium. Pp. 380 - 388.
5. Kosykh A. V., Ionov B. P. Dynamic Temperature model and Dynamic Temperature Compensation of Crystal Oscillators, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectries and Frequency Control p. 370-374. May, 1994, USA
6. Kosykh A. V., Bagaev V. P., Abramzon I. V. Dual- mode Crys tal Oscillators with Resonators Excited on В and С Modes. Proceed ings of 48-th Annual Frequency Control Symposium, pp. 578-585 Boston, USA, 1994.
7. Rose В., Jackson E. An MCXO for a man-portable satel lite terminal. //Proc. 1996 IEEE frequency control symposium Pp. 693 - 698.
8. Patent № 4079280 (USA). Quartz resonator cut to compensate for static and dynamic thermal transient: /Kusters J.A., LeachJ.G., Ficher M.S. - 1978
9. Косых А. В., Рой A. H,. Темиературно-кчррелированные флуктуации выходной частоты термокомиененрованных кварцевых генераторов Электронный журнал "Исследовано в России" 143/021024, стр. 1600-1608 hitp://y.h;. ,nal.а|)е.relarn.ru/
10. Е. Jacquct, J. Г liardon, О. Bignon. big i tally compensated TCXOvrith slew noise ci!iii..cierisi:c. Proc. l999.Ioint meeting EFTF -IEEE IFCS.P 370 - 375 Bos.incon, France.
11. Kosykh A.V.. bii(.;<^ v V. P., Ionov B. P., Lepetaev A. N.. Za-vialovS A. The new пч-fUoct oi sialism piece-wise-linear inlerpola-
and its application to DTCXO cieation Proceedings ul 47-th Annua. Frequency Control Symposium, pp. G87-G97. Salt Lake City. IJSA. 1-J93.
12. Bloch M., Moiers M„ Mo J. The microcomputer compensated crystal oscillator (MC.XO). //Proc. 1989 IEEE frequency control symposium Pp.16 - 14.
13. Abramson I. Two-mode quartz resonator fordigilal temperalu'? compensated quartz oscillators. //Proc 10 Л Г '.' S . 1992. pp. 443 - 447.
14. Vig. J . Dual-mode oscillators for clocks and sensors //Proc. 1999 IEEE Ultrasonics symposium Pp 859 - 863.
15. Watariabe Y., Sekimoto H., Goka S„ Niimi I. A dual mode oscillator based on narrow-band crystal oscillators willi resonator filters. //Proc. 1997 IEEE International Frequency Control Symposium, 1997, pp. 365-372.
16. Kosykh A., Lepetaev A., ZavjalovS. Investigalionol "Bagaev" oscillator circuit, intended forsensorand dual-mode application // Proc. 2001 IEEE IFCS and PDA Exhibition. - 2001 -P 438 442
17. Хоменко И. В., Косых А, В. Исследование нестабильности динамического сопротивления В-моды диухмодоноги кварцевого резонатора TD-cpeja в интервале температур // Омский научный вестник, 2005, № 3 (33), стр. 157 - 161.
18. Косых А. В. Алгоритмическая оптимизация спектра выходного сигнала кварцевых генераторов с цифровой термокомпенсацией с импульсными двухуровневыми ЦАП // Омский научный вестник. 2005, №3(33), стр. 143 - 147.
КОСЫХ Анатолий Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Радиотехнические устройствам системы диагностики».
Дата поступления статьи в редакцию: 26.01.06 г. © Косых A.B.
