eng
Выпуск #3/2019
Ю. Иванов, А. Никонов, Э. Князева
Измерение G-чувствительности кварцевых генераторов
Измерение G-чувствительности кварцевых генераторов
Просмотры: 1720
Рассматривается зависимость стабильности частоты кварцевых генераторов от воздействия ускорения или вибрации. Эта зависимость особенно критична при работе генераторов на подвижной технике.
DOI: 10.22184/1992-4178.2019.184.3.124.129
УДК 621.396 | ВАК 05.11.01
DOI: 10.22184/1992-4178.2019.184.3.124.129
УДК 621.396 | ВАК 05.11.01
Теги: g-sensitivity g-чувствительность oscillator frequency shift phase noise quartz oscillator кварцевый генератор сдвиг частоты генератора фазовые шумы
ОПРЕДЕЛЕНИЕ G-ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ. ВЕКТОРНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ[1]
Стабильность частоты кварцевых генераторов зависит от многих параметров, в частности, от воздействия ускорения или вибрации, что особенно критично для некоторых вариантов применения кварцевых генераторов, например, при их работе на подвижной технике. Данный параметр принято называть G-чувствительностью генератора. Он определяется как относительное изменение выходной частоты генератора при воздействии ускорения 1 g. Величина возникшего частотного сдвига при этом может варьироваться в пределах от 10–8 до 10–11 на 1 g.
G-чувствительность – векторная величина, так как зависит и от направления ускорения относительно трех взаимно перпендикулярных осей генератора. Наибольший сдвиг частоты генератора наблюдается в случае, если приложенное ускорение направлено параллельно вектору G-чувствительности. Величину и ориентацию вектора G-чувствительности () определяют путем измерения отдельных взаимно ортогональных компонент в x, y, z осях (рис. 1).
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
Метод переворота 2g tipover
Самый простой способ оценить G-чувствительность генератора по одной из осей (Gx, Gy, Gz) – измерить изменение частоты генератора вследствие его поворота вокруг этой оси (2g tipover test). Так как во время переворота ускорение изменяется на 2g, то для вычисления G-чувствительности по этой оси потребуется поделить на два полученное изменение частоты генератора. Для определения вектора G-чувствительности следует провести подобный замер для всех трех осей и вычислить величину вектора по формуле:
. [2].
Ниже представлен пример прописи частоты во время нескольких последовательных поворотов вокруг одной оси (рис. 2). Полученный сдвиг частоты составляет 0,89 · 10–9, таким образом, G-чувствительность вдоль этой оси будет составлять 0,45 · 10–9, для двух других осей – 0,3 · 10–9 и 0,21 · 10–9, соответственно вектор G-чувствительности генератора – 0,58 · 10–9 / g.
Несомненным достоинством метода является простота – подобное измерение можно провести без дополнительных приборов прямо на столе. К сожалению, метод не универсален, так как генераторы с низкой температурной стабильностью демонстрируют дополнительные, не зависящие от G-чувствительности резонатора, изменения частоты, которые вызваны изменением температуры вследствие конвекции воздуха в устройстве. Помимо этого, для расчета G-чувствительности необходимо брать отсчеты частоты непосредственно до и после поворота. Данный метод применим для измерения G-чувствительности термостатированных высокостабильных генераторов, результаты при этом совпадают с данными измерения другими методами (табл. 1).
Испытания на автоматизированном стенде
Схема и изображение автоматизированного стенда для проведения 2g tipover испытания представлены на рис. 3. Данный стенд обеспечивает автоматический поворот вокруг каждой из трех осей генератора и снятие частоты непосредственно до и после поворота. Наряду с этим на стенде предусмотрены места сразу для 15 генераторов.
Измерения при постоянном вращении
Еще один возможный вариант измерения G-чувствительности – при постоянном вращении. За счет постоянного вращения температура равномерно распределяется внутри объема генератора, что позволяет более точно оценить результат воздействия ускорения.
Стенд для проведения подобного испытания изображен на рис. 4. Генератор помещается внутрь стенда, во время вращения его частота фиксируется с помощью счетчика частоты. Также в работе стенда предусмотрена возможность изменения скорости вращения. Во время вращения генератора в подобной установке частота изменяется по синусоидальному закону. При этом каждое измерение учитывает влияние воздействия сразу по двум осям. Результаты снятия частоты во время вращения вокруг одной из осей на данном стенде представлены на рис. 5.
Однако расчеты сложнее, так как в результате каждого вращения ускорение изменяется сразу вдоль двух осей. Поэтому результаты такого метода менее наглядны. Необходимо также иметь в виду, что при большой скорости вращения должно быть установлено очень малое время счета частоты, а это может привести к большой погрешности измерения.
Описанные методики измерения G-чувствительности при перевороте пригодны только для измерений низкочастотных генераторов (<30 МГц) с высокой температурной стабильностью.
КОСВЕННЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ
Другим подходом к измерению G-чувствительности является косвенный метод, позволяющий произвести расчет на основе оценки уровня фазовых шумов под воздействием вибрации. Как уже отмечалось, при приложении ускорения к генератору происходит сдвиг частоты (∆f), пропорциональный величине ускорения и зависящий от его направления. Определяется из уравнения:
, ,
где f0 – частота генератора без воздействия; – приложенное ускорение; – вектор G-чувствительности; y – сдвиг частоты [3].
Следует учитывать, что в данном случае может появиться погрешность, обусловленная изменением уровня ФШ генератора под влиянием не только приложенной к нему вибрации, но и различных шумов в тракте сигнала. Стенд для испытаний фазовых шумов под воздействием вибрации показан на рис. 6.
Генератор (цифра 1 на фото), установленный на виброплатформу (2), подвергается воздействию вибрации (синусоидальной или широкополосной), параметры которой задаются перед началом испытания. К этим параметрам относятся амплитуда и частота вибрации (для широкополосной – диапазон частот). Особое внимание стоит обратить на коаксиальные кабели (3), соединяющие испытуемый генератор, который находится на виброплатформе, с измерительной системой (4). Все провода должны быть надежно закреплены, чтобы не возникало дополнительных изменений фазы.
Специальное приспособление из инженерного пластика ZEDEX (5) для крепления генераторов к вибростенду позволяет избежать магнитных наводок от самого стенда на низких частотах.
Синусоидальная вибрация
При воздействии синусоидальной вибрации в спектре сигнала появляются дополнительные боковые полосы на частоте вибрации (рис. 7), уровень которых можно измерить с помощью узкополосного анализатора спектра или измерителя фазовых шумов.
Вычислить G-чувствительность вдоль одной из осей генератора можно по формуле:
, ,
где А – пиковое значение приложенного ускорения, fv – частота вибрации, L(fv) – уровень фазовых шумов на частоте вибрации [3].
На рис. 8 показаны результаты оценки уровня фазовых шумов под воздействием синусоидальной вибрации с частотой 210 Гц и амплитудой 5 g. Таким образом, измерив уровень фазовых шумов, можно рассчитать G-чувствительность генератора:
;
;
;
.
Широкополосная синусоидальная вибрация
Для оценки G-чувствительности также можно применять широкополосную вибрацию. В таком случае вибрация случайным образом распределена по диапазону частот, фаз, амплитуд; и ускорение может быть описано его спектральной плотностью мощности Sa(f) (рис. 9) [4].
Воздействие случайной вибрации на фазовый шум определяется по формуле
.
Тогда формула для G-чувствительности имеет вид:
,
где Sa(f) – спектральная плотность мощности случайного ускорения, g2 / Гц [3].
Деградация фазовых шумов генератора при воздействии на него широкополосной синусоидальной вибрации в диапазоне 50–200 Гц и среднеквадратичной СПМ 0,17 g2 / Гц показана на рис. 10.
Фазовые шумы под воздействием вибрации
Уровень фазовых шумов зависит в первую очередь от G-чувствительности генератора и приложенной вибрации, а не от уровня фазовых шумов самого генератора. На рис. 11 разными цветами показаны фазовые шумы четырех генераторов на 100 МГц с разной G-чувствительностью без воздействия вибрации (сплошные линии) и при вибрации с амплитудой 5g (пунктирные линии). Так, например, для двух генераторов на 100 МГц с разным уровнем фазовых шумов –129 дБс / Гц и –149 дБс / Гц на 100 Гц от несущей частоты и одинаковой величиной G-чувствительности 10–9 / g при приложенной вибрации с амплитудой 5 g будет характерен одинаковый уровень фазовых шумов –52 дБс / Гц на 100 Гц. Генератор с G-чувствительностью 3 · 10–10 / g будет иметь уровень фазовых шумов –63 дБс / Гц на 100 Гц. Из рис. 11 видно, что у генератора с низкой G-чувствительностью (голубая кривая) уровень фазовых шумов при воздействии ускорения ниже, чем у генераторов с высокой G-чувствительностью.
СРАВНЕНИЕ МЕТОДОВ
Результаты измерения G-чувствительности нескольких генераторов всеми описанными методами приведены в табл. 1.
Для 10 МГц генераторов результаты примерно одинаковы, а для 100 МГц результаты измерения на переворот показывают бульшие величины, чем косвенные методы измерения по уровню фазовых шумов. Результат измерения G-чувствительности при синусоидальной вибрации менее подвержен воздействию тепловых процессов, таких как конвекция, и позволяет наиболее точно оценить G-чувствительность генератора.
В настоящее время АО «Морион» предлагает генераторы с низкой G-чувствительностью (табл. 2).
* * *
При использовании генератора в условиях, когда к нему прикладывается ускорение, его фазовые шумы определяются в первую очередь именно G-чувствительностью. Наиболее универсальным методом измерения этого параметра является оценка по уровню фазовых шумов при воздействии синусоидальной вибрации. Измерение методом переворота хотя и является самым простым методом измерения, во многих случаях оно не позволяет достоверно оценить уровень чувствительности генератора к ускорению из-за влияния других процессов во время подобного измерения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Fry S. Acceleration Sensitivity Characteristics of Quartz Crystal Oscillators. GreenRay Industries Inc, 2006.
2. Filler R. L. The acceleration sensitivity of quartz crystal oscillators: a review // IEEE Transactions on ultrasonics, ferooelectrics and frequency control. 1998. V. 35. No. 3.
3. Vig J. R. Quartz crystal resonators and oscillators: a tutorial, US Army Communications-Electronics Research, Development & Engeneering Center Fort Monmouth, NJ, USA, July 2016. https://ieee-uffc.org / download / quartz-crystal-resonators-and-oscillators-for-frequency-control-and-timing-applications-a-tutorial‑2
4. Hati A. PM Noise of Oscillators and Components in the Presence of Vibration. NIST. 2009.
Стабильность частоты кварцевых генераторов зависит от многих параметров, в частности, от воздействия ускорения или вибрации, что особенно критично для некоторых вариантов применения кварцевых генераторов, например, при их работе на подвижной технике. Данный параметр принято называть G-чувствительностью генератора. Он определяется как относительное изменение выходной частоты генератора при воздействии ускорения 1 g. Величина возникшего частотного сдвига при этом может варьироваться в пределах от 10–8 до 10–11 на 1 g.
G-чувствительность – векторная величина, так как зависит и от направления ускорения относительно трех взаимно перпендикулярных осей генератора. Наибольший сдвиг частоты генератора наблюдается в случае, если приложенное ускорение направлено параллельно вектору G-чувствительности. Величину и ориентацию вектора G-чувствительности () определяют путем измерения отдельных взаимно ортогональных компонент в x, y, z осях (рис. 1).
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
Метод переворота 2g tipover
Самый простой способ оценить G-чувствительность генератора по одной из осей (Gx, Gy, Gz) – измерить изменение частоты генератора вследствие его поворота вокруг этой оси (2g tipover test). Так как во время переворота ускорение изменяется на 2g, то для вычисления G-чувствительности по этой оси потребуется поделить на два полученное изменение частоты генератора. Для определения вектора G-чувствительности следует провести подобный замер для всех трех осей и вычислить величину вектора по формуле:
. [2].
Ниже представлен пример прописи частоты во время нескольких последовательных поворотов вокруг одной оси (рис. 2). Полученный сдвиг частоты составляет 0,89 · 10–9, таким образом, G-чувствительность вдоль этой оси будет составлять 0,45 · 10–9, для двух других осей – 0,3 · 10–9 и 0,21 · 10–9, соответственно вектор G-чувствительности генератора – 0,58 · 10–9 / g.
Несомненным достоинством метода является простота – подобное измерение можно провести без дополнительных приборов прямо на столе. К сожалению, метод не универсален, так как генераторы с низкой температурной стабильностью демонстрируют дополнительные, не зависящие от G-чувствительности резонатора, изменения частоты, которые вызваны изменением температуры вследствие конвекции воздуха в устройстве. Помимо этого, для расчета G-чувствительности необходимо брать отсчеты частоты непосредственно до и после поворота. Данный метод применим для измерения G-чувствительности термостатированных высокостабильных генераторов, результаты при этом совпадают с данными измерения другими методами (табл. 1).
Испытания на автоматизированном стенде
Схема и изображение автоматизированного стенда для проведения 2g tipover испытания представлены на рис. 3. Данный стенд обеспечивает автоматический поворот вокруг каждой из трех осей генератора и снятие частоты непосредственно до и после поворота. Наряду с этим на стенде предусмотрены места сразу для 15 генераторов.
Измерения при постоянном вращении
Еще один возможный вариант измерения G-чувствительности – при постоянном вращении. За счет постоянного вращения температура равномерно распределяется внутри объема генератора, что позволяет более точно оценить результат воздействия ускорения.
Стенд для проведения подобного испытания изображен на рис. 4. Генератор помещается внутрь стенда, во время вращения его частота фиксируется с помощью счетчика частоты. Также в работе стенда предусмотрена возможность изменения скорости вращения. Во время вращения генератора в подобной установке частота изменяется по синусоидальному закону. При этом каждое измерение учитывает влияние воздействия сразу по двум осям. Результаты снятия частоты во время вращения вокруг одной из осей на данном стенде представлены на рис. 5.
Однако расчеты сложнее, так как в результате каждого вращения ускорение изменяется сразу вдоль двух осей. Поэтому результаты такого метода менее наглядны. Необходимо также иметь в виду, что при большой скорости вращения должно быть установлено очень малое время счета частоты, а это может привести к большой погрешности измерения.
Описанные методики измерения G-чувствительности при перевороте пригодны только для измерений низкочастотных генераторов (<30 МГц) с высокой температурной стабильностью.
КОСВЕННЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ
Другим подходом к измерению G-чувствительности является косвенный метод, позволяющий произвести расчет на основе оценки уровня фазовых шумов под воздействием вибрации. Как уже отмечалось, при приложении ускорения к генератору происходит сдвиг частоты (∆f), пропорциональный величине ускорения и зависящий от его направления. Определяется из уравнения:
, ,
где f0 – частота генератора без воздействия; – приложенное ускорение; – вектор G-чувствительности; y – сдвиг частоты [3].
Следует учитывать, что в данном случае может появиться погрешность, обусловленная изменением уровня ФШ генератора под влиянием не только приложенной к нему вибрации, но и различных шумов в тракте сигнала. Стенд для испытаний фазовых шумов под воздействием вибрации показан на рис. 6.
Генератор (цифра 1 на фото), установленный на виброплатформу (2), подвергается воздействию вибрации (синусоидальной или широкополосной), параметры которой задаются перед началом испытания. К этим параметрам относятся амплитуда и частота вибрации (для широкополосной – диапазон частот). Особое внимание стоит обратить на коаксиальные кабели (3), соединяющие испытуемый генератор, который находится на виброплатформе, с измерительной системой (4). Все провода должны быть надежно закреплены, чтобы не возникало дополнительных изменений фазы.
Специальное приспособление из инженерного пластика ZEDEX (5) для крепления генераторов к вибростенду позволяет избежать магнитных наводок от самого стенда на низких частотах.
Синусоидальная вибрация
При воздействии синусоидальной вибрации в спектре сигнала появляются дополнительные боковые полосы на частоте вибрации (рис. 7), уровень которых можно измерить с помощью узкополосного анализатора спектра или измерителя фазовых шумов.
Вычислить G-чувствительность вдоль одной из осей генератора можно по формуле:
, ,
где А – пиковое значение приложенного ускорения, fv – частота вибрации, L(fv) – уровень фазовых шумов на частоте вибрации [3].
На рис. 8 показаны результаты оценки уровня фазовых шумов под воздействием синусоидальной вибрации с частотой 210 Гц и амплитудой 5 g. Таким образом, измерив уровень фазовых шумов, можно рассчитать G-чувствительность генератора:
;
;
;
.
Широкополосная синусоидальная вибрация
Для оценки G-чувствительности также можно применять широкополосную вибрацию. В таком случае вибрация случайным образом распределена по диапазону частот, фаз, амплитуд; и ускорение может быть описано его спектральной плотностью мощности Sa(f) (рис. 9) [4].
Воздействие случайной вибрации на фазовый шум определяется по формуле
.
Тогда формула для G-чувствительности имеет вид:
,
где Sa(f) – спектральная плотность мощности случайного ускорения, g2 / Гц [3].
Деградация фазовых шумов генератора при воздействии на него широкополосной синусоидальной вибрации в диапазоне 50–200 Гц и среднеквадратичной СПМ 0,17 g2 / Гц показана на рис. 10.
Фазовые шумы под воздействием вибрации
Уровень фазовых шумов зависит в первую очередь от G-чувствительности генератора и приложенной вибрации, а не от уровня фазовых шумов самого генератора. На рис. 11 разными цветами показаны фазовые шумы четырех генераторов на 100 МГц с разной G-чувствительностью без воздействия вибрации (сплошные линии) и при вибрации с амплитудой 5g (пунктирные линии). Так, например, для двух генераторов на 100 МГц с разным уровнем фазовых шумов –129 дБс / Гц и –149 дБс / Гц на 100 Гц от несущей частоты и одинаковой величиной G-чувствительности 10–9 / g при приложенной вибрации с амплитудой 5 g будет характерен одинаковый уровень фазовых шумов –52 дБс / Гц на 100 Гц. Генератор с G-чувствительностью 3 · 10–10 / g будет иметь уровень фазовых шумов –63 дБс / Гц на 100 Гц. Из рис. 11 видно, что у генератора с низкой G-чувствительностью (голубая кривая) уровень фазовых шумов при воздействии ускорения ниже, чем у генераторов с высокой G-чувствительностью.
СРАВНЕНИЕ МЕТОДОВ
Результаты измерения G-чувствительности нескольких генераторов всеми описанными методами приведены в табл. 1.
Для 10 МГц генераторов результаты примерно одинаковы, а для 100 МГц результаты измерения на переворот показывают бульшие величины, чем косвенные методы измерения по уровню фазовых шумов. Результат измерения G-чувствительности при синусоидальной вибрации менее подвержен воздействию тепловых процессов, таких как конвекция, и позволяет наиболее точно оценить G-чувствительность генератора.
В настоящее время АО «Морион» предлагает генераторы с низкой G-чувствительностью (табл. 2).
* * *
При использовании генератора в условиях, когда к нему прикладывается ускорение, его фазовые шумы определяются в первую очередь именно G-чувствительностью. Наиболее универсальным методом измерения этого параметра является оценка по уровню фазовых шумов при воздействии синусоидальной вибрации. Измерение методом переворота хотя и является самым простым методом измерения, во многих случаях оно не позволяет достоверно оценить уровень чувствительности генератора к ускорению из-за влияния других процессов во время подобного измерения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Fry S. Acceleration Sensitivity Characteristics of Quartz Crystal Oscillators. GreenRay Industries Inc, 2006.
2. Filler R. L. The acceleration sensitivity of quartz crystal oscillators: a review // IEEE Transactions on ultrasonics, ferooelectrics and frequency control. 1998. V. 35. No. 3.
3. Vig J. R. Quartz crystal resonators and oscillators: a tutorial, US Army Communications-Electronics Research, Development & Engeneering Center Fort Monmouth, NJ, USA, July 2016. https://ieee-uffc.org / download / quartz-crystal-resonators-and-oscillators-for-frequency-control-and-timing-applications-a-tutorial‑2
4. Hati A. PM Noise of Oscillators and Components in the Presence of Vibration. NIST. 2009.
Отзывы читателей
