Источники опорных колебаний

ВИДЫ И ПАРАМЕТРЫ ИСТОЧНИКОВ ОПОРНЫХ КОЛЕБАНИЙ

Для правильного функционирования любого электронного средства необходим источник периодических колебаний с достаточно малой нестабильностью частоты повторения, предназначенный для синхронизации процессов, модуляции сигналов по закону передаваемого сообщения или выделения полезной информации. Высокочастотные колебания такого генератора создают опорные моменты времени для формирования сигналов с нужными значениями фазы, частоты, закона модуляции и т. д. Достижение компромисса между высокими требованиями к параметрам генераторов опорных колебаний определенной частоты в интервале дестабилизирующих факторов при ограничениях на массогабаритные показатели и энергопотребление характеризует искусство инженера — разработчика устройств формирования сигналов. Оно требует глубоких знаний, использования новых научно-технических достижений и высокой технологической культуры.

Источники опорных колебаний различаются по назначению, рабочей частоте, уровню паразитного отклонения частоты, виду активного элемента, выходной мощности, сервисным возможностям. В табл. 2.1 представлены параметры источников опорных колебаний.

Источники опорных колебаний характеризуются следующими основными параметрами: форма выходного сигнала; частота повторения сигнала на выходе; выходная мощность; уровень нестабильности частоты. Вспомогательные (технические) параметры источника опорного сигнала количественно определяют чувствительность основных параметров к изменениям внешних возмущающих факторов (температуры, изменений активной и реактивной компонент сопротивления нагрузки, вариаций влажности, давления воздуха, уровня проникающей радиации, питающих напряжений или токов, уровня вибраций или ударов); потребительские свойства и сервисные возможности (массогабаритные показатели, энергопотребление, совокупность режимов и удоб;

ство управления параметрами, стоимость изделия, удобство присоединения сопрягаемых узлов, ремонтопригодность и т. д.).

Выходная мощность источника сигнала Р_вых = U₀²/2R_H определяется на согласованной активной нагрузке R_H (по умолчанию /?" = = 50 Ом) при номинальной температуре окружающей среды (по умолчанию +25 ^вС). Она измеряется либо в системных единицах — ваттах, либо в децибелах относительно определенной мощности. Часто применяется шкала децибел относительно 1 милливатта: выходной мощности А в милливаттах соответствует мощность А = = 10 lg А, выраженная в дБмВт. В ряде случаев применяют нормировку по отношению к 1 • 10'¹² Вт — дБпВт; к 1 • 10'⁹ — дБнВт; 1 Вт — дБВт (в англоязычной литературе мощности 1 дБмВт соответствует 1 dBm).

Уровень несинусоидальности выходного сигнала характеризуется выраженным в децибелах содержанием мощности второй А_ъ третьей >4₃ и следующих гармоник в спектре выходного сигнала по отношению к мощности несущего колебания. Иногда коэффициент несинусоидальности рассчитывают как отношение суммы мощностей всех гармоник, кроме первой, к мощности первой гармоники.

Непосредственно после включения питающего напряжения опорного автогенератора происходят процессы установления его амплитуды и частоты. Длительность «выбега» частоты зависит от постоянной времени колебательной системы и характера тепловых процессов в конструкции генератора. Для источников колебаний с прецизионной стабильностью частоты выбирают изохронные режимы генерации, в которых изменения амплитуды оказывают слабое влияние на вариации частоты.

Для сокращения длительности процесса установления температуры в термостабилизированных конструкциях включают на время прогрева дополнительный источник нагревающей мощности. В интегральных микросхемах опорных генераторов применяют «спящий» режим с пониженным энергопотреблением, что позволяет сократить продолжительность процесса установления частоты и мощности. В высокодобротных колебательных системах например в кварцевых фильтрах, входящих в состав некоторых видов опорных генераторов, эквивалентная постоянная времени может ограничивать длительность процесса установления частоты. В процессе установления амплитуды колебания могут быть неизохронными, поэтому в высокостабильных опорных генераторах импульсный режим не используется.

Когда тепловой режим установился, то нестабильность частоты является случайным процессом, параметры которого определяются внутренними процессами движения зарядов (дробовые и тепловые эффекты) и влиянием факторов внешних воздействий: вариаций давления и влажности воздуха, вибраций и ударов, акустическими воздействиями, проникающей радиацией, мощными электромагнитными воздействиями и т. д.

За большое время наблюдения может происходить дрейф средней частоты, связанный со старением стабилизирующего резонатора или деградацией вакуума в колбах с атомными частицами.

Для расчета конкретного радиоэлектронного средства надо знать S₉(F) его возбудителя как функцию отстройки Fот несущей частоты с учетом вклада узлов синтеза частот и обработки сигнала (см. рис. 1.4). Общую оценку уровня нестабильности частоты опорного генератора удобнее давать в виде СКО за определенный отрезок времени. В качестве характеристики кратковременного паразитного отклонения (нестабильности) частоты Ь_К(Т_К) принимают относительное СКО частоты за интервал времени наблюдения Т_к длительностью 1, 10, 100 или 1000 с при усреднении за 1, 10 или 100 мс. Эта величина характеризует вклад в частотный шум естественных процессов, например дробового и теплового шума элементов задающего автогенератора.

Долговременная нестабильность (дрейф) частоты 5_Д(Т_а) за интервалы времени наблюдения Т_а длительностью в сутки, неделю, месяц, год, 10 или более лет при усреднении за 1 ч или 1 сут характеризует эффекты старения или деградации элементов.

Температурный коэффициент частоты (ТКЧ) измеряют при номинальной температуре в относительных миллионных долях на 1 °C (10″ V°)> Термокомпенсированные генераторы могут иметь низкий ТКЧ в одном интервале температур и проявлять существенный рост вариаций частоты в более широком интервале. Более полно температурные уходы частоты характеризуются зависимостью величины ТКЧ от рабочей температуры. Оптимальная внутренняя рабочая температура термостатированных опорных генераторов выбирается в окрестности соседних точек экстремума (перегиба) такой зависимости. Дополнительную опасность, с точки зрения нестабильности частоты, могут представлять динамические изменения температуры: тепловые удары (резкое изменение температуры) и многократное повторение циклов нагрева и охлаждения. Эти параметры нормируются для источников колебаний, работающих в особо тяжелых условиях, например на спутниках Земли в космосе.

Вариации фазы за короткое время могут проявлять эффект дрожания, который обусловлен влиянием пульсаций питающего напряжения, внешними акустическими воздействиями (микрофонный эффект) или фликкер-эффектами в элементах генератора. Его оценивают величиной СКО моментов перехода фазы через нуль за 1 с и измеряют в пикосекундах.

При использовании стабильных по частоте опорных генераторов необходимо учитывать ограничение на выходную мощность. Превышение ее допустимых значений для высокостабильного опорного генератора приводит к росту температуры стабилизирующего частоту резонатора, что увеличивает частотные отклонения. Кроме того, рост мощности активного элемента увеличивает уровень естественных (дробовых и тепловых) шумов, определяющих флуктуации частоты.

Для опорных генераторов с навесными элементами колебательной системы существенным параметром может стать чувствительность по отношению к механическим воздействиям (к вибрациям с определенной частотой или к ударам), измеряемая в единицах ускорения свободного падения (g). Дополнительно в этом случае может указываться частота вибраций или наиболее опасное направление приложения вектора механического воздействия по отношению к характерной координате конструкции источника колебаний.