Kryształowy piekarnik

OCXO wewnątrz cyfrowego licznika częstotliwości HP .

Piec kryształowy to komora z kontrolowaną temperaturą, używana do utrzymywania kryształu kwarcu w elektronicznych oscylatorach kwarcowych w stałej temperaturze, aby zapobiec zmianom częstotliwości spowodowanym zmianami temperatury otoczenia. Oscylator tego typu jest znany jako oscylator kwarcowy sterowany piecem ( OCXO , gdzie „XO” to stary skrót od „oscylator kwarcowy”) . Ten typ oscylatora osiąga najwyższą możliwą stabilność częstotliwości z kryształem. Są zwykle używane do kontrolowania częstotliwości nadajników radiowych , stacji bazowych telefonii komórkowej , wojskowego sprzętu komunikacyjnego oraz do precyzyjnego pomiaru częstotliwości.

Miniaturowy piec kryształowy używany do stabilizacji częstotliwości przenośnego nadajnika radiowego z lampą próżniową.

Opis

Kryształy kwarcu są szeroko stosowane w oscylatorach elektronicznych do precyzyjnej kontroli wytwarzanej częstotliwości . Częstotliwość, z jaką wibruje rezonator kwarcowy, zależy od jego wymiarów fizycznych. Zmiana temperatury powoduje rozszerzanie się lub kurczenie kwarcu z powodu rozszerzalności cieplnej , zmieniając częstotliwość sygnału wytwarzanego przez oscylator. Chociaż kwarc ma bardzo niski współczynnik rozszerzalności cieplnej , zmiany temperatury są nadal główną przyczyną zmian częstotliwości w oscylatorach kwarcowych.

płytce drukowanej od 2016 roku.

Piekarnik to izolowana termicznie obudowa zawierająca kryształ i jeden lub więcej elektrycznych elementów grzejnych . Ponieważ inne elementy elektroniczne w obwodzie są również podatne na zmiany temperatury, zwykle cały obwód oscylatora jest zamknięty w piekarniku. Termistorowy czujnik temperatury w obwodzie sterowania w pętli zamkniętej służy do sterowania zasilaniem grzałki i zapewnia utrzymanie pożądanej temperatury w piekarniku. Ponieważ piekarnik działa w temperaturze wyższej niż temperatura otoczenia, oscylator zwykle wymaga okresu rozgrzewania po włączeniu zasilania, aby osiągnąć temperaturę roboczą. Podczas tego okresu rozgrzewania częstotliwość nie będzie miała pełnej znamionowej stabilności.

Temperatura wybrana dla pieca to taka, przy której nachylenie krzywej częstotliwości kryształu w funkcji temperatury wynosi zero, co jeszcze bardziej poprawia stabilność. Stosowane są kryształy o cięciu AT lub SC (z kompensacją naprężeń). Cięcie SC ma szerszy zakres temperatur, w którym osiąga się współczynnik temperaturowy bliski zeru, a tym samym skraca czas nagrzewania. Tranzystory mocy są zwykle używane do grzejników zamiast oporowych elementów grzejnych . Ich moc wyjściowa jest proporcjonalna do prądu, a nie do kwadratu prądu, co linearyzuje wzmocnienie pętli sterowania.

Typowa temperatura pieca kryształowego wynosi 75°C . ale może zmieniać się w zakresie od 30 do 80 °C w zależności od konfiguracji.

Większość standardowych kryształów handlowych jest specyfikowana do pracy w temperaturze otoczenia 0 – 70 °C , wersje przemysłowe są zwykle specyfikowane do -40 – +85 °C .

Dokładność

Niektóre z najwcześniejszych pieców kryształowych. Te precyzyjne oscylatory kwarcowe sterowane piekarnikiem 100 kHz w US Bureau of Standards (obecnie NIST ) służyły jako standard częstotliwości dla Stanów Zjednoczonych w 1929 roku.

Ze względu na moc wymaganą do uruchomienia grzejnika, OCXO wymagają więcej mocy niż oscylatory pracujące w temperaturze otoczenia, a wymagania dotyczące grzejnika, masy termicznej i izolacji termicznej oznaczają, że są fizycznie większe. Dlatego nie są używane w aplikacjach zasilanych bateryjnie lub miniaturowych, takich jak zegarki . Jednak w zamian oscylator sterowany piecem osiąga najlepszą możliwą stabilność częstotliwości z kryształu. Krótkoterminowa stabilność częstotliwości OCXO wynosi zwykle 1 × 10-12 w ciągu kilku sekund, podczas gdy stabilność długoterminowa jest ograniczona do około 1 × 10-8 ( 10 ppb) rocznie przez starzenie się kryształu. Osiągnięcie lepszej dokładności wymaga przejścia na standard częstotliwości atomowej , taki jak standard rubidowy , cezowy lub maser wodorowy . Inną tańszą alternatywą jest zdyscyplinowanie oscylatora kwarcowego za pomocą GPS , tworząc oscylator zdyscyplinowany przez GPS ( GPSDO ). Korzystając z odbiornika GPS, który może generować dokładne sygnały czasu (z dokładnością do ~ 30 ns UTC ), GPSDO może utrzymywać dokładność oscylacji na poziomie 10-13 przez dłuższy czas.

Piece kryształowe są również używane w optyce. W kryształach stosowanych w optyce nieliniowej częstotliwość jest również wrażliwa na temperaturę, dlatego wymagają one stabilizacji temperatury, zwłaszcza gdy wiązka lasera nagrzewa kryształ. Dodatkowo często stosuje się szybkie przestrajanie kryształu. W tym zastosowaniu kryształ i termistor muszą być w bardzo bliskim kontakcie i oba muszą mieć jak najmniejszą pojemność cieplną. Aby uniknąć pęknięcia kryształu, należy unikać dużych wahań temperatury w krótkim czasie.

Porównanie z innymi standardami częstotliwości

Typ oscylatora * Dokładność ** Starzenie się / 10 lat Promieniowanie na RAD Moc Waga (g)
Oscylator kwarcowy (XO) 10-5 do 10-4 _ 10...20 stron na minutę -2 × 10-12 20 μW 20
Oscylator kwarcowy z kompensacją temperatury (TCXO) 10-6 _ 2...5 str./min -2 × 10-12 100 μW 50
Oscylator kwarcowy z kompensacją mikrokomputera (MCXO) 10-8 do 10-7 _ 1...3 str./min -2 × 10-12 200 μW 100


Oscylator kwarcowy sterowany piekarnikiem (OCXO) - 5...10 MHz - 15...100 MHz
2 × 10-8 5 × 10-7
2 × 10 −8 do 2 × 10 −7 2 × 10 −6 do 11 × 10 −9 		-2 × 10-12 1...3 W 200...500
Rubidowy wzorzec częstotliwości atomowej (RbXO) 10-9 _ 5 × 10-10 do 5 × 10-9 2 × 10-13 6...12 W 1500...2500
Atomowy wzorzec częstotliwości cezu 10-12 do 10-11 _ 10-12 do 10-11 _ 2 × 10-14 25...40 W 10000...20000
Globalny system pozycjonowania (GPS) 4 × 10-8 do 10-11
  10-13 _ 4 W 340
Radiowy sygnał czasu ( DCF77 ) 4 × 10-13 4,6 W 87

* Rozmiary i koszty wahają się od <5 cm3 i < 5 USD dla oscylatorów kwarcowych do ponad 30 litrów i 40 000 USD dla wzorców Cs .

** W tym wpływ środowiska wojskowego i jeden rok starzenia.

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Crystal_oven&oldid=1117074317 ”