Křišťálová trouba - Crystal oven - Wikipedia

OCXO uvnitř digitálu HP frekvenční čítač.

A křišťálová trouba je komora s řízenou teplotou používaná k údržbě křemenný krystal v elektronické podobě krystalové oscilátory při konstantní teplotě, aby se zabránilo změnám v frekvence kvůli změnám teploty okolí. An oscilátor tohoto typu je znám jako krystalový oscilátor řízený troubou (OCXO, kde „XO“ je stará zkratka pro „krystalový oscilátor“.) Tento typ oscilátoru dosahuje nejvyšší možné frekvenční stability s krystalem. Obvykle se používají k řízení frekvence rádiové vysílače, mobilní základnové stanice, vojenské komunikační vybavení a pro přesné měření frekvence.

Miniaturní křišťálová pec používaná ke stabilizaci frekvence mobilního rádiového vysílače vakuové trubice.

Popis

Křemenné krystaly jsou široce používány v elektronické oscilátory přesně ovládat frekvence vyrobeno. Frekvence, při které křemenný krystal rezonátor vibrace závisí na jeho fyzických rozměrech. Změna teploty způsobí, že se křemen roztahuje nebo smršťuje v důsledku teplotní roztažnost, změna frekvence signálu produkovaného oscilátorem. Ačkoli křemen má velmi nízkou hodnotu koeficient tepelné roztažnosti, změny teploty jsou stále hlavní příčinou kolísání frekvence v krystalových oscilátorech.

PCB - namontované OCXO od roku 2016.

Trouba je a tepelně izolovaný kryt obsahující krystal a jeden nebo více elektrických topné články. Vzhledem k tomu, že i jiné elektronické součástky v obvodu jsou citlivé na teplotní drift, je obvykle celý obvod oscilátoru uzavřen v troubě. A termistor teplotní senzor v a ovládání v uzavřené smyčce Obvod se používá k řízení výkonu ohřívače a zajištění toho, aby se trouba udržovala na přesné požadované teplotě. Protože trouba pracuje nad okolní teplotou, vyžaduje oscilátor obvykle zahřívací období po připojení napájení k dosažení provozní teploty.[1] Během tohoto zahřívacího období nebude mít frekvence plnou jmenovitou stabilitu.

Teplota zvolená pro pec je teplota, při které je sklon křivky frekvence a teploty krystalu nulový, což dále zlepšuje stabilitu. Používají se krystaly řezané AT nebo SC (stresově kompenzované). SC-cut má širší teplotní rozsah, ve kterém je dosaženo téměř nulového teplotního koeficientu, a tím zkracuje dobu zahřívání.[2] Napájení tranzistory se obvykle používají pro ohřívače místo odpor topné články. Jejich výkon je spíše úměrný proudu než čtverci proudu, což linearizuje zisk řídicí smyčky.[2]

Běžná teplota pro křišťálovou pec je 75 ° C.[3] ale může se mezi nimi lišit 30 - 80 ° C v závislosti na nastavení.[4]

Většina standardních komerčních krystalů je specifikována na okolní teplotu 0-70 ° C, průmyslové verze jsou obvykle specifikovány -40 - +85 ° C.[5]

Přesnost

Některé z prvních křišťálových pecí. Tyto přesné 100 kHz troubou řízené krystalové oscilátory v US Bureau of Standards (nyní NIST ) sloužil jako standard frekvence pro USA v roce 1929.

Z důvodu výkonu potřebného k provozu ohřívače vyžadují OCXO více energie než oscilátory, které běží při teplotě okolí, a požadavek na ohřívač, tepelnou hmotu a tepelnou izolaci znamená, že jsou fyzicky větší. Proto se nepoužívají v bateriových nebo miniaturních aplikacích, jako jsou hodinky. Na oplátku však oscilátor řízený troubou dosahuje nejlepší možné frekvenční stability z krystalu. Krátkodobá frekvenční stabilita OCXO je obvykle 1 × 10−12 během několika sekund, zatímco dlouhodobá stabilita je omezena na přibližně 1 × 10−8 (10 ppb) ročně stárnutím krystalu.[1] Dosažení lepší přesnosti vyžaduje přepnutí na atomový kmitočtový standard, jako je a rubidiový standard, standard cesia nebo vodíkový masér. Další levnější alternativou je disciplína krystalového oscilátoru s a GPS časový signál, vytvoření oscilátoru disciplinovaného GPS (GPSDO ). Pomocí přijímače GPS, který dokáže generovat přesné časové signály (až dovnitř ~ 30 ns z UTC ), GPSDO může udržovat přesnost oscilace 10−13 po delší dobu.

Křišťálové pece se také používají v optice. V krystalech použitých pro nelineární optika, frekvence je také citlivá na teplotu, a proto vyžadují teplotní stabilizaci, zejména když laserový paprsek zahřívá krystal. Navíc se často používá rychlé přeladění krystalu. Pro tuto aplikaci musí být krystal a termistor ve velmi těsném kontaktu a oba musí mít co nejnižší tepelnou kapacitu. Aby nedošlo k rozbití krystalu, je třeba zabránit velkým teplotním výkyvům v krátkých časech.

Srovnání s jinými frekvenčními standardy

Typ oscilátoru*Přesnost**Stárnutí / 10 letZáření na RADNapájeníHmotnost (g)
Krystalový oscilátor (XO)[6] 10−5 do 10−4 10...20 PPM -2 × 10−12 20 µW 20
Teplotně kompenzovaný krystalový oscilátor (TCXO)[6] 10−6 2 ... 5 PPM -2 × 10−12 100 µW 50
Mikropočítač kompenzovaný krystalový oscilátor (MCXO)[6] 10−8 do 10−7 1 ... 3 PPM -2 × 10−12 200 µW 100
Krystalový oscilátor (OCXO)[6]
- 5 ... 10 MHz
- 15 ... 100 MHz		 2 × 10−8
5 × 10−7		 2 × 10−8 na 2 × 10−7
2 × 10−6 až 11 × 10−9		 -2 × 10−12 1 ... 3 W. 200...500
Norma atomové frekvence rubidia (RbXO)[6] 10−9 5 × 10−10 až 5 × 10−9 2 × 10−13 6 ... 12 W. 1500...2500
Standard atomové frekvence cesia[6] 10−12 do 10−11 10−12 do 10−11 2 × 10−14 25 ... 40 W. 10000...20000
Globální Polohovací Systém (GPS) 4 × 10−8 do 10−11
[7][8]		  10−13 4 W. 340
Rádiový časový signál (DCF77 ) 4 × 10−13[9] 4,6 W.[10] 87[11]

* Velikosti se pohybují od <5 cm3 pro hodinové oscilátory na> 30 litrů pro Čs standardy. Náklady se pohybují od <5 USD pro hodinové oscilátory na > 40 000 USD pro standardy Cs.

** Včetně účinků vojenského prostředí a jednoho roku stárnutí.

Reference

  1. ^ A b „OCXO“. Glosář. Časové a frekvenční dělení, NIST. 2008. Archivovány od originál dne 15. září 2008. Citováno 2008-08-07.
  2. ^ A b Marvin E., Frerking (1996). „Padesát let pokroku ve frekvenčních standardech křemenného krystalu“. Proc. Sympózium pro řízení frekvence IEEE 1996. Ústav elektrických a elektronických inženýrů. 33–46. Archivovány od originál dne 12. 5. 2009. Citováno 2009-03-31.
  3. ^ "Regulátor teploty pro křišťálovou troubu". freecircuitdiagram.com. Schéma zapojení zdarma. Citováno 2009-11-17.
  4. ^ „EKSMA OPTICS - výrobce laserových komponentů - Trouba pro nelineární krystaly TK7“. eksmaoptics.com. Archivovány od originál dne 18. 06. 2012. Citováno 2009-11-17.
  5. ^ „Komerční oscilátor IQXO-350, -350I“ (PDF). surplectronics.com. Citováno 2009-11-18.
  6. ^ A b C d E F „Tutorial Precision Frequency Generation s využitím atomových standardů OCXO a Rubidium s aplikacemi pro komerční, vesmírné, vojenské a náročné prostředí IEEE Long Island Kapitola 18. března 2004“ (PDF). tjee.li. Citováno 2009-11-16.
  7. ^ „Čas a frekvence - přesně tak, jak to potřebujete“ (PDF). spectruminstruments.net. Citováno 2009-11-18.
  8. ^ „GPS přijímač referencí času a frekvence“ (PDF). leapsecond.com. Citováno 2009-11-18.
  9. ^ „Úmluva URSI / IEEE XXIX o radiovědě, Espoo, Finsko, 1. – 2. Listopadu 2004“ (PDF). vtt.fi. Citováno 2009-11-18.
  10. ^ "Sériové rádiové hodiny DCF77 Meinberg C51". meinberg.de. Citováno 2009-11-18.
  11. ^ „ETH - IfE-Wearable Computing - Miniaturní kapesní snímač pohybu s hodinami DCF77“. nositelný.ethz.ch. Archivovány od originál dne 06.07.2011. Citováno 2009-11-18.

externí odkazy