Хрустальная печь
Кристаллическая печь — это камера с регулируемой температурой, используемая для поддержания постоянной температуры кристалла кварца в электронных кварцевых генераторах , чтобы предотвратить изменения частоты из -за изменений температуры окружающей среды. Генератор ( этого типа известен как кварцевый генератор с печным управлением , где «XO» — OCXO старое сокращение от «кварцевый генератор»). Этот тип генератора обеспечивает максимально возможную стабильность частоты с помощью кристалла. Обычно они используются для управления частотой радиопередатчиков , базовых станций сотовой связи , военного оборудования связи, а также для точного измерения частоты.
Описание
[ редактировать ]Кристаллы кварца широко используются в электронных генераторах для точного управления создаваемой частотой . Частота колебаний кварцевого резонатора зависит от его физических размеров. Изменение температуры заставляет кварц расширяться или сжиматься из-за теплового расширения , изменяя частоту сигнала, вырабатываемого генератором. Хотя кварц имеет очень низкий коэффициент теплового расширения , изменения температуры по-прежнему являются основной причиной изменения частоты кварцевых генераторов.
Духовка представляет собой теплоизолированный корпус, содержащий кристалл и один или несколько электрических нагревательных элементов . Поскольку другие электронные компоненты схемы также уязвимы к температурному дрейфу, обычно вся схема генератора помещается в печь. Термисторный цепи датчик температуры в управления с обратной связью используется для управления питанием нагревателя и обеспечения поддержания в духовке точно желаемой температуры. Поскольку печь работает при температуре выше температуры окружающей среды, генератору обычно требуется период прогрева после подачи питания для достижения рабочей температуры. [1] Во время этого периода прогрева частота не будет иметь полной номинальной стабильности.
Для печи выбрана температура, при которой наклон кривой зависимости частоты кристалла от температуры равен нулю, что еще больше повышает стабильность. Используются кристаллы AT- или SC-огранки (с компенсацией напряжений). SC-срез имеет более широкий температурный диапазон, в котором достигается околонулевой температурный коэффициент и, таким образом, сокращается время прогрева. [2] обычно используются силовые транзисторы В нагревателях вместо резистивных нагревательных элементов . Их выходная мощность пропорциональна току, а не квадрату тока, что линеаризует коэффициент усиления контура управления. [2]
Обычная температура хрустальной печи составляет 75 °C . [3] но температура может варьироваться от 30 до 80 °C в зависимости от настройки. [4]
Большинство стандартных коммерческих кристаллов рассчитаны на температуру окружающей среды 0–70 °C , промышленные версии обычно рассчитаны на температуру от –40 до +85 °C . [5]
Стабильность
[ редактировать ]
Из-за мощности, необходимой для работы нагревателя, OCXO требуют больше энергии, чем генераторы, работающие при температуре окружающей среды, а требования к нагревателю, тепловой массе и теплоизоляции означают, что они физически больше. Поэтому они не используются в аккумуляторных или миниатюрных устройствах, таких как часы . Однако, в свою очередь, генератор с печным управлением обеспечивает наилучшую стабильность частоты, возможную для кристалла. Кратковременная стабильность частоты OCXO обычно составляет 1 × 10 −12 в течение нескольких секунд, тогда как долговременная стабильность ограничена примерно 1 × 10 −8 (10 частей на миллиард ) в год за счет старения кристалла. [1] Для достижения большей стабильности необходимо переключиться на атомный стандарт частоты , такой как стандарт рубидия , стандарт цезия или водородный мазер . Другая более дешевая альтернатива — управлять кварцевым генератором сигналом времени GPS , создавая генератор, управляемый GPS ( GPSDO ). Используя приемник GPS, который может генерировать стабильные сигналы времени (в пределах ~30 нс от UTC ), GPSDO может поддерживать стабильность колебаний 10 −13 в течение продолжительных периодов времени.
Кристаллические печи также используются в оптике. В кристаллах, используемых в нелинейной оптике , фазовый синхронизм также чувствителен к температуре, поэтому они требуют стабилизации температуры, особенно когда лазерный луч нагревает кристалл. Кроме того, часто используется быстрая перестройка кристалла. Для этого применения кристалл и термистор должны находиться в очень тесном контакте и оба должны иметь как можно более низкую теплоемкость. Чтобы избежать разрушения кристалла, следует избегать больших изменений температуры за короткое время.
Сравнение с другими стандартами частоты
[ редактировать ]| Тип генератора * | Стабильность ** | Старение / 10 лет | Власть | Масса (г) |
|---|---|---|---|---|
| Кварцевый генератор (ХО) [6] | 10 −5 до 10 −4 | 10...20 частей на миллион | 20 мкВт | 20 |
| Кварцевый генератор с температурной компенсацией (TCXO) [6] | 10 −6 | 2...5 частей на миллион | 100 мкВт | 50 |
| Кварцевый генератор с микрокомпьютерной компенсацией (MCXO) [6] | 10 −8 до 10 −7 | 1...3 ч/млн | 200 мкВт | 100 |
Кварцевый генератор с печным управлением (OCXO) [6]
| 2 × 10 −8 5 × 10 −7 | 2 × 10 −8 до 2 × 10 −7 2 × 10 −6 до 11 × 10 −9 | 1...3 Вт | 200...500 |
| Атомный стандарт частоты рубидия (RbXO) [6] | 10 −9 | 5 × 10 −10 до 5 × 10 −9 | 6...12 Вт | 1500...2500 |
| Атомный стандарт частоты цезия [6] | 10 −12 до 10 −11 | 10 −12 до 10 −11 | 25...40 Вт | 10000...20000 |
| Глобальная система позиционирования (GPS) [7] [8] | 4 × 10 −8 до 10 −11 | 10 −13 | 4 Вт | 340 |
| Радиосигнал времени ( DCF77 ) [9] [10] | 4 × 10 −13 | — | 87 |
* Размеры и стоимость варьируются от <5 см. 3 и <5 долларов США для кварцевых генераторов, до более 30 литров и 40 000 долларов США для Cs . стандартов
** Включая влияние военной среды и год старения.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б «ОСХО» . Глоссарий . Отдел времени и частоты, NIST. 2008. Архивировано из оригинала 15 сентября 2008 г. Проверено 7 августа 2008 г.
- ^ Перейти обратно: а б Марвин Э., Фреркинг (1996). «Пятьдесят лет прогресса в кварцевых стандартах частоты» . Учеб. 1996 Симпозиум IEEE по управлению частотой . Институт инженеров электротехники и электроники. стр. 33–46. Архивировано из оригинала 12 мая 2009 г. Проверено 31 марта 2009 г.
- ^ «Регулятор температуры для хрустальной духовки» . freecircuitdiagram.com . Бесплатная принципиальная схема . Проверено 17 ноября 2009 г.
- ^ «Печь для нелинейных кристаллов ТК7» . ЭКСМА ОПТИКА . Архивировано из оригинала 18 июня 2012 г. Проверено 17 ноября 2009 г.
- ^ «Коммерческий генератор IQXO-350, -350I» (PDF) . surplectronics.com . Архивировано из оригинала (PDF) 30 марта 2012 г. Проверено 18 ноября 2009 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж «Учебное пособие по прецизионной генерации частоты с использованием атомных стандартов OCXO и рубидия для применения в коммерческих, космических, военных и сложных условиях, глава IEEE на Лонг-Айленде, 18 марта 2004 г.» (PDF) . ieee.li. Проверено 16 ноября 2009 г.
- ^ «Время и частота — именно те, которые вам нужны» (PDF) . Spectruminstruments.net . Проверено 18 ноября 2009 г.
- ^ «Приемник эталонного времени и частоты GPS» (PDF) . jumpсекунда.com . Проверено 18 ноября 2009 г.
- ^ «XXIX Конвенция URSI/IEEE по радионауке, Эспоо, Финляндия, 1–2 ноября 2004 г.» (PDF) . vtt.fi. Проверено 18 ноября 2009 г.
- ^ «ETH — IfE-Wearable Computing — Миниатюрный карманный датчик движения с часами DCF77» . носимый.ethz.ch . Архивировано из оригинала 6 июля 2011 г. Проверено 18 ноября 2009 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Марвин Э., Фреркинг (1996). «Пятьдесят лет прогресса в кварцевых стандартах частоты» . Учеб. 1996 Симпозиум IEEE по управлению частотой . Институт инженеров электротехники и электроники. стр. 33–46. Архивировано из оригинала 12 мая 2009 г. Проверено 31 марта 2009 г.