Jump to content

    

Метрология кварцевого генератора

Как Вы думаете, как можно оценить и померить коэффициент связи?

Может есть "готовая методика". Макет пока не разобран.

 

Share this post


Link to post
Share on other sites

Возможно и есть, подробно не вникал, но хочется разобраться.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Я не специалист в данной области, экспериментировал лет 20 назад. Просто взял генератор синуса и осциллограф и прописывал АЧХ кварцев на разных амплитудах. Пришел к выводу что потери в кварце носят нелинейный характер. Соответственно добротность с увеличением амплитуды резко падает.

Т.е. прецизионный генератор - скорее микромощный. Плюс АЧХ достаточна широка относительно его стабильности и из её длительного созерцания выплывают требования к стабильности фазовой задержки автогенератора, включая паразитные емкости и т.д. Т.е.. собрать на кварце с 20 ppm

генератор с 100 ppm вполне реально. ))) Типа кварц АЧХ держит, а генератор по ней ползает.

Share this post


Link to post
Share on other sites

И так, начну с теории и определений, чтобы в итоге попытаться найти истину.

 

Постановка задачи: определить оптимальный коэффициент связи с кварцевым резонатором и согласование с активным элементом с целью разработки стенда для определения частотной стабильности резонатора на примере инвертора Little Logic SN74LVC1G04 фирмы TI.

 

За основу был взят кварцевый резонатор на частоту 20 МГц (основная гармоника) с характеристиками близкими к типичным:

 

Fs = 20 МГц - частота последовательного резонанса

Q0 = 100000 - ненагруженная добротность

R1 = 7.2 Ом - активное сопротивление (сопротивление потерь)

С1 = 0.011 пФ - эквивалентная емкость последовательной резонансной цепи

L1 = 5.76 мГн - эквивалентная индуктивность последовательной резонансной цепи

C0 = 2.5 пФ - параллельная емкость (емкость электродов и корпуса)

 

Если включать резонатор на проход, то коэффициент связи делится на две составляющие: коэффициент связи с источником и коэффициент связи с нагрузкой. По определению коэффициент связи - это отношение собственной добротности к внешней, или иначе - отношение отдаваемой (принимаемой) мощности к мощности собственных потерь, или иначе - отношению активного сопротивления источника (нагрузки), приведенного к резонансному контуру, к активному сопротивлению собственных потерь. Согласно этому, была нарисована схема, учитывающая влияние источника и нагрузки, с возможностью регулирования коэффициентов связи. Условно, сопротивления источника и нагрузки были взяты чисто активными и равными 50 Ом - это не противоречит общему случаю (случаю комплексных сопротивлений), поскольку промежуточными цепями согласования всегда можно привести к указанному виду на фиксированной частоте. Дополнительно, параллельно самому резонатору, была подключена индуктивность, компенсирующая емкость C0 на частоте 20 МГц.

0_16124d_97c777f4_orig.png

 

На этой схеме:

K1 - коэффициент связи с источником

K2 - коэффициент связи с нагрузкой

K12 = K1/K2

Ks = K1 + K2 - общий коэффициент связи, равный сумме двух отдельных (фактически все активные сопротивления в контуре подключены последовательно и суммируются)

X1, X2 - трансформаторы, с коэффициентами передачи по напряжению N1, N2

 

Случай, когда общий коэффициент связи Ks = 1, называется критической связью. Если K12 = K1/K2 = 1, то в этом случае АЧХ выглядит следующим образом:

0_161250_7f39e9d_orig.png

 

Потери получаются -6 дБ, а нагруженная добротность Qload = Q0*0.5

 

На следующем графике приведена зависимость параметра S21 (левая шкала, синяя кривая) и отношения Qload/Q0 (правая шкала, красная кривая) от общего коэффициента связи Ks

0_16124e_107d9654_orig.png

 

Видно, что с ростом коэффициента связи, нагруженная добротность уменьшается и растет параметр S21 (уменьшаются потери). Теоретически, если хватает усиления на компенсацию потерь и резонатор позволяет по мощности, коэффициент связи можно сделать меньше 1, уменьшая шумы и повышая частотную стабильность.

 

Чтобы понять, каким образом влияет соотношение коэффициентов связи при постоянном суммарном значении, был построен следующий график:

0_16124f_24ab40ac_orig.png

Эта зависимость показывает, что в достаточно широком диапазоне соотношение коэффициентов связей не влияет на потери.

 

Какие выводы можно сделать на основании вышеприведенных данных:

1) Общий коэффициент связи приближенно можно оценить по потерям, осциллографом или лучше спектроанализатором. Но сразу оговорюсь: обычным щупом не получится измерить, его емкость внесет ошибку, лучше подключать через резистивный делитель 10:1 и более, сделанный из сопротивлений типа 0603.

2) Для резонатора на 20 МГц (основная гармоника) эквивалентное активное сопротивление составляет около 7.2 Ом. Для коэффициента связи не более 1, суммарное вносимое сопротивление источником и нагрузкой не должно быть более этого значения, допустим по 3.6 Ом. Это достаточно малая величина и требует согласования, что многими игнорируется и получается вместо 20 ppm все 100 ppm. У автора скорее сопротивление несколько больше, возможно где-то 50-60 Ом, учитывая размеры кристалла, и задача несколько упрощается. Согласование (трансформация сопротивлений) важно еще и по другой причине - меньше суммарные потери (ниже шумы при дальних отстройках) и ниже требования к усилению активного элемента.

 

Не исключаю, что где-то допустил ошибки, поэтому жду поправок, дополнений и вопросов.

 

P.S. О сопротивлении Tiny/Little Logic поговорю несколько позже.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Продолжу. Нашел близкую к реальности модель SN74LVC1GU04 (1GX04 думаю аналогична), на ней и поэкспериментирую.

 

Исходные данные:

Напряжение питания - 5 В

Частота - 20 МГц

 

Коэффициент передачи по напряжению, на постоянном токе:

0_16266c_e18a356a_orig.png

Коэффициент усиления близок к 30V/V, или 30дБ, при нагрузке 1к.

 

Входное сопротивление в зависимости от смещения по входу на частоте 20 МГц. Левая шкала - модуль полного сопротивления (синяя кривая) и активная составляющая (красная кривая), правая шкала - реактивная составляющая (коричневая кривая):

0_16266d_1bb2d28_orig.png

Как видно из графика входное сопротивление при напряжении смещения 2.38 В эквивалентно последовательно соединенным сопротивлению 90 Ом и конденсатору 17 пФ, подключенным между входом и землей. При сдвиге напряжения смещения, значения эквивалентной цепочки меняются где-то на 60 Ом и 10 пФ соответственно (по результатам замещения входа эквивалентной цепью).

 

Выходное сопротивление в зависимости от смещения по входу на частоте 20 МГц. Левая шкала - модуль полного сопротивления (синяя кривая) и активная составляющая (красная кривая), правая шкала - реактивная составляющая (коричневая кривая):

0_16266e_2a64b5eb_orig.png

В режиме насыщения (можно сравнить с первым графиком) на частоте 20 МГц выходное сопротивление носит чисто активный характер и достаточно мало, где-то 10-30 Ом. В режиме усиления (напряжение смещения = 2.38 В), активная составляющая подрастает подрастает до 75 Ом.

 

При варьировании по частоте при разных напряжениях смещения по входу, характер импеданса по входу практически не меняется - все те же последовательно соединенные резистор с конденсатором.

0_162672_133cbf02_orig.png

0_162673_2024a5be_orig.png

0_162674_6a0ab688_orig.png

На пульсирующий характер кривых не стоит обращать внимания - это погрешности вычисления симулятора.

 

При варьировании по частоте при разных напряжениях смещения по входу, характер импеданса по выходу меняется только в режиме усиления - с ростом частоты (ближе к 100 МГц) реактивная составляющая уходит в отрицательную область (уже сказывается емкостная составляющая).

0_16266f_4d129b3f_orig.png

0_162670_560897e4_orig.png

0_162671_7da362e4_orig.png

 

Если найду, как правильно измерить зависимость усиления от частоты, приведу график.

 

Краткие выводы:

1) Емкостной характер входа, порядка 10-17 пФ, необходимо компенсировать (например индуктивностью), оставшуюся активную часть (100-200 Ом) необходимо трансформировать в достаточно низкое сопротивление, порядка 3.6 Ом для резонатора 20 МГц из предыдущего поста.

2) Сопротивление выхода большей частью, учитывая размах напряжения, носит чисто активный характер и составляет где-то 10-20 Ом. Согласование с резонатором несколько проще.

3) Входной и выходной импеданс сильно нелинейны, это особенно важно для входа, где размах амплитуды меньше. Нелинейный характер может сильно сказаться на фликкере, его высокой чувствительности от коэффициентов связи, если речь идет о резонаторах с высокими добротностями, что и наблюдается на практике у различных производителей (Magic Xtal, Crystek, Abracon).

4) Буферизованную логику (LVC1G04) приводить не стал, для генераторных целей использовать ее не рекомендую. Отличительными особенностями этой серии является: более высокое усиление (каскадов больше, но они не согласованы), более мощный выход с сопротивлением 5-10 Ом в режиме насыщения, но вместе с тем крайне изменчивым характером в режиме усиления, реактивная составляющая может меняться в широких пределах в зависимости от частоты и смещения по входу, значительно больше задержка распространения.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Замечания по схеме:

1. Параллельно кварцевому резонатору подключена индуктивность с Q=20. Собственная добротность резонатора Q=100000. Элемент с низкой добротностью на частоте резонанса шунтирует элемент с высокой добротностью.Проверте собственную частоту резонанса индуктивности. Если учитывать значения добротности, то все проблемы создаёт эта индуктивность, а не кварц.

2. Собственная резонансная частота катушки, с учётом ёмкости монтажа, должна быть равна частоте резонанса кварцевого резонатора.

3. Все рассуждения по схеме следует привязывать к эквивалентной принципиальной схеме, которая существует физически, но не показана совсем.

Это Ваша главная методическая ошибка.

Edited by VNS

Share this post


Link to post
Share on other sites

Сразу хочу сказать, что я не работаю с автором темы и у меня не стоит вопрос как и чем померить частотную стабильность. Мое желание - направить в правильное русло методику разработки и дать понять над чем работать. Вижу предлагается много схем, идет сравнение по количеству элементов, а нужно ли это? Не вижу пока ответа на главный вопрос - как померить стабильность самого резонатора, а не его окружения, и можно ли вообще? Поэтому на основании своего опыта пытаюсь размышлять, решать вместе со всеми поставленный вопрос - это интересно для меня с профессиональной точки зрения, общения с людьми, занимающимися в этой области, обмена опытом.

 

1. Параллельно кварцевому резонатору подключена индуктивность с Q=20. Собственная добротность резонатора Q=100000. Элемент с низкой добротностью на частоте резонанса шунтирует элемент с высокой добротностью.Проверте собственную частоту резонанса индуктивности. Если учитывать значения добротности, то все проблемы создаёт эта индуктивность, а не кварц.

2. Собственная резонансная частота катушки, с учётом ёмкости монтажа, должна быть равна частоте резонанса кварцевого резонатора.

Да, индуктивность может влиять, хотя в данном случае не столь важно: эквивалентное сопротивление индуктивности примерно равно 160 Ом и существенно больше экв. сопрот. резонатора, 7.2 Ом, можно видеть по АЧХ. Согласен, 25 мкГн на частоте 20 МГц может иметь большую собственную емкость (низкую собственную частоту резонанса), но основным моментом здесь было - теоретически настроить последовательный резонанс на 20 МГц и убрать влияние близко расположенного параллельного резонанса на общую картину. Смотреть на влияние побочного резонанса нужно уже на практике, да и ставить параллельно индуктивность - это не единственный способ решения, в данном случае не оптимальный.

 

3. Все рассуждения по схеме следует привязывать к эквивалентной принципиальной схеме, которая существует физически, но не показана совсем.

К конкретной схеме привязываться не буду, раскладываю по полочкам на достаточно детальном уровне. Переход на уровень погонной индуктивности и емкости проводников ПП пропущу, чтобы не потерять основы.

 

Чуть позже вернусь, продолжу с согласования и далее к фазовым шумам и частотной стабильности, влиянию на них различных параметров.

Share this post


Link to post
Share on other sites
Тогда вам нужно делать генератор, в котором кварц работает на частоте последовательного резонанса.

Это совершенно другая схема. И нужно двойное термостатирование.

У меня сейчас генераторы с двойным термостатированием сутки держат с точностью не хуже 0.01 ppm, и то это дрейф схемы, а не резонатора...

Есть решение проблемы и предлагать "новое" путём просмотра предлагаемых в Интернете схем заведомо обречена на забвение.

" ...эквивалентное сопротивление индуктивности примерно равно 160 Ом и существенно больше экв. сопрот. резонатора, 7.2 Ом..." - что-то в данном примере не соответствует реальной действительности.

Edited by VNS

Share this post


Link to post
Share on other sites
что-то в данном примере не соответствует реальной действительности.

Резонатор взят реальный, измеренный производителем на дорогом оборудовании. 160 Ом - это много? Так могу последовательно с индуктивностью резистор включить, чтобы гарантированно не было влияния.

Share this post


Link to post
Share on other sites
Сразу хочу сказать, что я не работаю с автором темы и у меня не стоит вопрос как и чем померить частотную стабильность. Мое желание - направить в правильное русло методику разработки и дать понять над чем работать. Вижу предлагается много схем, идет сравнение по количеству элементов, а нужно ли это? Не вижу пока ответа на главный вопрос - как померить стабильность самого резонатора, а не его окружения, и можно ли вообще? Поэтому на основании своего опыта пытаюсь размышлять, решать вместе со всеми поставленный вопрос - это интересно для меня с профессиональной точки зрения, общения с людьми, занимающимися в этой области, обмена опытом.

 

Отдельно вопрос автору: не сомневаетесь, что достоверно измеряете частоту? Скорость измерения частоты (интервал измерения, период усреднения оценки)? Намекаю на другую методику измерения, другого параметра, подумайте (поищите) какого. Дальше встанет вопрос: а нужен ли термостат, точнее "сумасшедшая" стабильность поддержания температуры?

 

Хочу выразить вам признательность за столь активное и глубокое участие в вопросе!

 

Измерить стабильность самого резонатора, без окружения, возможно с помощью анализатора цепей в соответствии с МЭК-444 (детектируется переход фазы через 0 на резонансах). Однако, у серийных установок для таких измерений метрологическая точность составляет порядка 1ppm. Я встречал на IEEE статью (к сожалению, сейчас беглым поиском не смог найти ее), где была описана прецизионная установка для исследования долговременной стабильности с точностью порядка 1 ppb. (схема измерений строилась на лабораторных приборах, использовалось гетеродинирование (не меняет фазовых соотношений), умножение частоты (умножает разность фаз), фазовый компаратор).

 

Технический вопрос, решаемый мной заключался в следующем - можно ли простыми методами массово измерять долговременную нестабильность?

Экспериментально, с помощью анализа результатов измерений, удалось выяснить, что измеряя только выходную частоту генератора можно судить о долговременной нестабильности резонатора с точностью порядка 50 ppb. Но это лишь следствие анализа результатов и метрологического обоснования в нем нет. Нужен нормальный метрологический анализ.

 

Отвечая на остальные вопросы - да, частоту измеряем достоверно, с анализом доверительного интервала по серии измерений. Периоды измерения и т.п. выбраны верно, уже собаку съели на этом. Касательно стабильности термостата могу сказать что "сумасшедшая" не нужна, все зависит от крутизны ТЧХ резонатора в интересующей нас температурной точке. Если находиться рядом с точкой экстремума ТЧХ, то все просто. Если же ТЧХ крутая (1ppm/°C допустим), то требования к стабильности температуры резко возрастают.

 

 

Для поддержания темы приложу пару статеек с картинками с описанием механизмов старения в миниатюрных SMD резонаторах.

asiz2003.pdf

yin2013.pdf

Share this post


Link to post
Share on other sites

К сожалению пока не довел до логического конца. Основная идея была - показать, что для измерения долговременной нестабильности нужно сделать коэффициент связи с резонатором как можно меньше - в этом основное отличие от схем, когда пытаются достичь минимальных фазовых шумов. И есть специальные схемы включения резонатора, дающие возможность гибкого варьирования этого коэффициента. В этом случае окружающая схема перестает влиять и нет разницы, что было использовано в качестве активного элемента.

В начале темы я видел графики зависимости частоты от времени, но так и не услышал ответа, на каком временном интервале оценивалась частота? Другими словами, у частотомера должен быть некоторый период измерений, какой? Есть такой параметр - девиация Аллана, согласно которому при увеличении времени накопления погрешность измерения частоты сначала падает из-за влияния фазовых шумов, а потом может либо оставаться неизменной, либо начинать расти из-за старения. Измерение девиации Аллана я и хотел предложить. Есть методика измерения этого параметра, когда берется достаточно большое кол-во генераторов, они помещаются в термостат и измеряется девиация каждого генератора относительно всех остальных - т.е. измеряется не абсолютный, а относительный уход частоты и влияние температуры в какой-то мере компенсируется.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Длительность измерения 1-10 сек. Частота заполнения ~200 МГц. Соответственно погрешность ~1-10 ppb. Девиация соответствует методической погрешности.

Можно конечно попробовать продолжить увеличивать время измерения и посмотреть какой будет итоговая девиация, но я не думаю что она сильно упадет ввиду влияния других факторов нестабильности (температура, напряжение питания, и т.д.)

Share this post


Link to post
Share on other sites

Как - то странно выглядят ваши результаты. Какую модель SN74LVC1GU04 (1GX04) вы использовали?

Share this post


Link to post
Share on other sites
Девиация соответствует методической погрешности.

Приведите пожалуйста график девиации.

 

Частота заполнения ~200 МГц.

Свой стенд для измерения? Напишите подробно алгоритм измерения от момента оцифровки до вычисления частоты.

 

Как - то странно выглядят ваши результаты. Какую модель SN74LVC1GU04 (1GX04) вы использовали?

Криптованная спайс модель TI. Давайте разберемся в чем странности?

Share this post


Link to post
Share on other sites

Странности в общем поведении параметров.

А в чем вы моделировали и нет ли возможности посмотреть некриптованный текст модели?

Просто многие производители вместо реальных моделей выставляют упрощенные затычки. Хотелось бы понять, что именно заложено в модель - реальный аналог или цифровая упрощенка.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this