Фильтр по тематике

Измерение G-чувствительности кварцевых генераторов

Важным требованием, предъявляемым к кварцевым генераторам, является обеспечение высокой стабильности частоты генерируемых колебаний, определяющей точность и разрешающую способность радиолокационных и радионавигационных систем, погрешность измерений в устройствах измерительной техники, качественные характеристики и надёжность систем связи, радиовещания и телевидения. Эта стабильность зависит от многих факторов, включая ускорение, приложенное к генератору, которое может проявляться в виде постоянного ускорения, вибрации, ударов, перемещения, наклона или вращения. Именно такое влияние на стабильность частоты рассматривается в данной статье.

Измерение G-чувствительности кварцевых генераторов

Определение G-чувствительности. Векторное представление

Зависимость стабильности частоты кварцевых генераторов от воздействия ускорения или вибрации особенно критична для некоторых применений, например при работе на подвижной технике. Данный параметр принято называть G-чувствительностью генератора. Он определяется как относительное изменение выходной частоты генератора при воздействии ускорения 1g. Величина возникшего частотного сдвига при этом может варьироваться от 10–8 до 10–11 на 1g.

G-чувствительность является векторной величиной, т.к. зависит не только от значения, но и от направления ускорения относительно трёх взаимно перпендикулярных осей генератора. Таким образом, наибольший сдвиг частоты генератора произойдёт, в случае если приложенное ускорение направлено параллельно вектору G-чувствительности. Величину и ориентацию вектора G-чувствительности G определяют путём измерения отдельных взаимно ортогональных компонент в осях x, y, z. (см. рис. 1) [1].

Методы измерения

2G tipover

Самый простой способ оценить G-чувствительность генератора по одной из осей (Gx, Gy, Gz) – измерить изменение частоты генератора вследствие поворота вокруг этой оси (2G tipover test). Поскольку во время переворота ускорение изменяется на 2g, то для вычисления G-чувствительности по этой оси потребуется поделить на 2 полученное изменение частоты генератора. Для получения Г следует провести подобный замер для всех трёх осей и вычислить его величину по формуле:

Г=√G2x+G2y+G2z [2].

На рисунке 2 представлен пример прописи частоты во время нескольких последовательных поворотов вокруг одной оси. Полученный сдвиг частоты составляет 0,89´10-9 – таким образом, G-чувствительность вдоль этой оси будет составлять 0,45´10-9. Для других осей подобные результаты составили 0,3´10-9 и 0,21´10-9 – соответственно, G генератора будет равен 0,58´10-9/g.

Несомненным достоинством этого метода является его простота: подобное измерение можно провести без дополнительных приборов прямо на столе.
К сожалению, данный метод не универсален, т.к. генераторы с низкой температурной стабильностью демонстрируют дополнительные изменения частоты, не зависящие от G-чувствительности резонатора, которые вызваны изменением температуры вследствие конвекции воздуха в генераторе. Помимо этого, необходимо понимать, что для расчёта G-чувствительности необходимо брать отсчёты частоты непосредственно до и после поворота. Метод 2G tipover применим для измерения G-чувствительности термостатированных высокостабильных генераторов – результаты при этом хорошо совпадают с результатами измерения другими способами (см. табл. 1).

Автоматизированный стенд

На рисунке 3 представлены схема и изображение автоматизированного стенда для проведения испытания методом 2G tipover.

Данный стенд обеспечивает автоматический поворот вокруг каждой из трёх осей генераторов и снятие частоты непосредственно до и после поворота. Помимо этого, в стенде предусмотрены места сразу для 15 генераторов.

Измерения при постоянном вращении

Ещё одним из возможных вариантов измерения G-чувствительности являются измерения при постоянном вращении, за счёт которого температура равномерно распределяется внутри объёма генератора, что позволяет более точно оценить результат воздействия ускорения.

На рисунке 4 изображён стенд для проведения подобного испытания. Генератор помещается внутрь стенда, во время вращения его частота фиксируется с помощью счётчика частоты. Также в данном стенде предусмотрена возможность изменения скорости вращения. Во время вращения генератора в подобной установке частота изменяется по синусоидальному закону. При этом каждое измерение содержит влияние воздействия сразу по 2 осям.

Результаты снятия частоты во время вращения вокруг одной из осей в данном стенде представлены на рисунке 5. Расчёты при этом более сложны, т.к. в результате каждого вращения происходит изменение ускорения сразу вдоль двух осей. Тем самым результаты такого метода являются менее наглядными. Также необходимо иметь в виду, что при высокой скорости вращения должно быть установлено очень малое время счёта 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 хорошей температурной стабильностью.

Косвенный метод измерения

Другим подходом к измерению G-чувствительности является косвенный метод, позволяющий рассчитать её на основе оценки уровня фазовых шумов под воздействием вибрации.

Как уже было сказано, при приложении ускорения к генератору происходит сдвиг частоты (∆f), пропорциональный величине ускорения и зависящий от его направления. Определяется как:

где f0 – частота генератора без воздействия, а – приложенное ускорение, Г – вектор G-чувствительности, y – сдвиг частоты [3].

Стоит обратить внимание, что в данном случае может появиться погрешность, обусловленная изменением уровня фазовых шумов (ФШ) генератора под влиянием не только приложенной к нему вибрации, но и различных шумов в тракте сигнала.

На рисунке 6 показаны стенд для испытаний фазовых шумов под воздействием вибрации и структурная схема измерений.

Генератор 1 (см. рис. 6а), 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 генератор с измерительной системой 4. Все провода должны быть надёжно закреплены, чтобы не возникало дополнительных изменений фазы.

Специальное приспособление 5 из инженерного пластика ZEDEX 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 (см. 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 следующей формуле:

где А – пиковое значение приложенного ускорения, fv – частота вибрации, L(fv) – уровень фазовых шумов на частоте вибрации [3].

На рисунке 8 показаны результаты оценки уровня фазовых шумов под воздействием синусоидальной вибрации с частотой 210 Гц и амплитудой 5g. Таким образом, измерив уровень фазовых шумов, можно рассчитать G-чувствительность генератора:
 

Широкополосная синусоидальная вибрация

Для оценки G-чувствительности также можно применять и широкополосную вибрацию. В таком случае вибрация случайным образом распределена по диапазону частот, фаз, амплитуд (см. рис. 9), и ускорение может быть описано его спектральной плотностью мощности Sa(f) [4].

Воздействие случайной вибрации на фазовый шум определяется по формуле:

Тогда формула для G-чувствительности будет иметь следующий вид:

где Sa(fv) – спектральная плотность мощности (СПМ) случайного ускорения (g2/Гц) [3].

На рисунке 10 изображена деградация фазовых шумов генератора при воздействии на него широкополосной синусоидальной вибрации в диапазоне 50…200 Гц и среднеквадратичной СПМ 0,17 g2/Гц.

Фазовые шумы под воздействием вибрации

Следует понимать, что уровень фазовых шумов зависит в первую очередь от G-чувствительности генератора и приложенной вибрации, а не от уровня фазовых шумов самого генератора. Так, например, два генератора на 100 МГц с разным уровнем фазовых шумов –129 дБн/Гц и –149 дБн/Гц на 100 Гц от несущей частоты и одинаковой величиной G-чувствительности 1´10–9/g при приложенной вибрации с амплитудой 5g будут иметь одинаковый уровень фазовых шумов –52 дБн/Гц на 100 Гц. А генератор с G-чувствительностью 3´10–10/g будет иметь уровень фазовых шумов –63 дБн/Гц на 100 Гц.

На рисунке 11 видно, что у генератора (голубая кривая) с низкой G-чувствительностью уровень фазовых шумов при воздействии ускорения ниже, чем у генераторов с высокой G-чувствительностью.

Сравнение методов

В таблице 1 приведены результаты измерения нескольких генераторов всеми описанными в статье методами.

Для 10 МГц генераторов результаты примерно одинаковы, в то время как для 100 МГц приборов результаты измерений на переворот показывают большие величины, чем косвенные методы измерений 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.

На сегодняшний день АО «Морион» может предложить генераторы с низкой G-чувствительностью (см. табл. 2).

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. Vol. 35. № 3. May 1998.
  3. Vig J.R. Quartz crystal resonators and oscillators: a tutorial, US Army. Communications-Electronics Research, Development & Engeneering Center Fort Monmouth. NJ, USA. March 2004.
  4. Hati A. PM Noise of Oscillators and Components in the Presence of Vibration. NIST. 2009.

Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!

Комментарии
Рекомендуем

  Подписывайтесь на наш канал в Telegram и читайте новости раньше всех! Подписаться