Хрустальная печь - Crystal oven

OCXO внутри HP digital частотомер.

А хрустальная печь это камера с регулируемой температурой, используемая для поддержания Кристалл кварца в электронном кварцевые генераторы при постоянной температуре, чтобы предотвратить изменение частота из-за колебаний температуры окружающей среды. An осциллятор этого типа известен как кварцевый генератор с духовым управлением (OCXO, где «XO» - старое сокращение от «кварцевого генератора».) Этот тип генератора обеспечивает максимальную стабильность частоты, возможную для кварцевого резонатора. Обычно они используются для контроля частоты радиопередатчики, базовые станции сотовой связи, военное оборудование связи, а также для точного измерения частоты.

Миниатюрная хрустальная печь, используемая для стабилизации частоты передатчика радиосигнала на электронных лампах.

Описание

Кристаллы кварца широко используются в электронные генераторы точно контролировать частота произведено. Частота, на которой кристалл кварца резонатор вибрирует, зависит от его физических размеров. Изменение температуры вызывает расширение или сжатие кварца из-за тепловое расширение, изменение частота сигнала, создаваемого генератором. Хотя кварц имеет очень низкую коэффициент температурного расширения, изменения температуры по-прежнему являются основной причиной изменения частоты кварцевых генераторов.

Печатная плата -установлен OCXO с 2016 года.

Духовка - это теплоизолированный корпус, содержащий кристалл и один или несколько электрических нагревательные элементы. Поскольку другие электронные компоненты в цепи также уязвимы к температурному дрейфу, обычно вся цепь генератора находится внутри печи. А термистор датчик температуры в управление с обратной связью Схема используется для управления мощностью нагревателя и обеспечения поддержания в духовке точной желаемой температуры. Поскольку печь работает при температуре выше окружающей среды, генератору обычно требуется период прогрева после подачи питания для достижения своей рабочей температуры.[1] В течение этого периода прогрева частота не будет иметь полной номинальной стабильности.

Для печи выбрана такая температура, при которой наклон кривой зависимости частоты кристалла от температуры равен нулю, что дополнительно улучшает стабильность. Используются кристаллы AT- или SC-среза (с компенсацией напряжения). SC-разрез имеет более широкий температурный диапазон, в котором достигается почти нулевой температурный коэффициент, что сокращает время прогрева.[2] Мощность транзисторы обычно используются для обогревателей вместо сопротивление нагревательные элементы. Их выходная мощность пропорциональна току, а не квадрату тока, что линеаризует коэффициент усиления контура управления.[2]

Обычная температура для хрустальной печи 75 ° С.[3] но может варьироваться между 30 - 80 ° С в зависимости от настройки.[4]

Большинство стандартных промышленных кристаллов рассчитаны на температуру окружающей среды 0 - 70 ° С, промышленные версии обычно указываются -40 - +85 ° С.[5]

Точность

Некоторые из самых первых хрустальных печей. Эти прецизионные кварцевые генераторы 100 кГц с термостатом в Бюро стандартов США (сейчас NIST ) служил стандартом частоты для США в 1929 году.

Из-за мощности, необходимой для работы нагревателя, OCXO требует большей мощности, чем генераторы, работающие при температуре окружающей среды, а требования к нагревателю, тепловой массе и теплоизоляции означают, что они физически больше. Поэтому они не используются в устройствах с батарейным питанием или миниатюрных устройствах, таких как часы. Однако, в свою очередь, генератор с духовым управлением обеспечивает наилучшую стабильность частоты, возможную от кристалла. Кратковременная стабильность частоты OCXO обычно составляет 1 × 10−12 в течение нескольких секунд, в то время как долговременная стабильность ограничена примерно 1 × 10−8 (10 частей на миллиард) в год путем старения кристалла.[1] Для повышения точности необходимо переключиться на атомный стандарт частоты, например рубидиевый стандарт, цезиевый стандарт, или же водородный мазер. Другая более дешевая альтернатива - это дисциплинировать кварцевый генератор с помощью GPS сигнал времени, создавая управляемый GPS осциллятор (GPSDO ). Использование GPS-приемника, который может генерировать сигналы точного времени (с точностью до ~ 30 нс из универсальное глобальное время ), GPSDO может поддерживать точность колебаний 10−13 в течение длительного периода времени.

Хрустальные печи также используются в оптике. В кристаллах, используемых для нелинейная оптика, частота также чувствительна к температуре, и поэтому они требуют температурной стабилизации, особенно когда лазерный луч нагревает кристалл. Кроме того, часто используется быстрая перестройка кристалла. Для этого применения кристалл и термистор должны находиться в очень тесном контакте, и оба должны иметь как можно более низкую теплоемкость. Чтобы избежать разрушения кристалла, следует избегать резких перепадов температуры за короткое время.

Сравнение с другими стандартами частоты

Тип осциллятора*Точность**Старение / 10 летРадиация на РАДМощностьВес (г)
Кварцевый генератор (XO)[6] 10−5 до 10−4 10...20 PPM -2 × 10−12 20 мкВт 20
Кварцевый генератор с температурной компенсацией (TCXO)[6] 10−6 2 ... 5 частей на миллион -2 × 10−12 100 мкВт 50
Кварцевый генератор с компенсацией микрокомпьютера (MCXO)[6] 10−8 до 10−7 1 ... 3 частей на миллион -2 × 10−12 200 мкВт 100
Кварцевый генератор, управляемый печью (OCXO)[6]
- 5 ... 10 МГц
- 15 ... 100 МГц		 2 × 10−8
5 × 10−7		 2 × 10−8 до 2 × 10−7
2 × 10−6 до 11 × 10−9		 -2 × 10−12 1 ... 3 Вт 200...500
Атомный эталон частоты рубидия (RbXO)[6] 10−9 5 × 10−10 до 5 × 10−9 2 × 10−13 6 ... 12 Вт 1500...2500
Цезиевый атомный эталон частоты[6] 10−12 до 10−11 10−12 до 10−11 2 × 10−14 25 ... 40 Вт 10000...20000
спутниковая система навигации (GPS) 4 × 10−8 до 10−11
[7][8]		  10−13 4 Вт 340
Радиосигнал времени (DCF77 ) 4 × 10−13[9] 4,6 Вт[10] 87[11]

* Размеры от <5 см3 для тактовых генераторов до> 30 литров для CS стандарты. Стоимость варьируется от <5 долларов США для тактовых генераторов > 40 000 долларов США для стандартов CS.

** Включая влияние военной среды и одного года старения.

Рекомендации

  1. ^ а б «OCXO». Глоссарий. Отделение времени и частоты, NIST. 2008. Архивировано с оригинал на 2008-09-15. Получено 2008-08-07.
  2. ^ а б Марвин Э., Фрекинг (1996). «Пятьдесят лет прогресса в стандартах частоты на кристалле кварца». Proc. Симпозиум по контролю частоты IEEE 1996 г.. Институт инженеров по электротехнике и электронике. С. 33–46. Архивировано из оригинал на 2009-05-12. Получено 2009-03-31.
  3. ^ «Регулятор температуры для хрустальной печи». freecircuitdiagram.com. Бесплатная электрическая схема. Получено 2009-11-17.
  4. ^ «ЭКСМА ОПТИКА - производитель лазерных компонентов - Печь для нелинейных кристаллов ТК7». eksmaoptics.com. Архивировано из оригинал на 2012-06-18. Получено 2009-11-17.
  5. ^ "Коммерческий осциллятор IQXO-350, -350I" (PDF). surplectronics.com. Получено 2009-11-18.
  6. ^ а б c d е ж «Учебное пособие« Прецизионная генерация частоты с использованием стандартов OCXO и атомного рубидия для приложений в коммерческих, космических, военных и сложных условиях », IEEE Long Island Chapter 18 марта 2004 г.» (PDF). ieee.li. Получено 2009-11-16.
  7. ^ «Время и частота - именно так, как вам нужно» (PDF). Spectruminstruments.net. Получено 2009-11-18.
  8. ^ «Время GPS и задание частоты приемник» (PDF). leapsecond.com. Получено 2009-11-18.
  9. ^ «Конвенция URSI / IEEE XXIX по радионауке, Эспоо, Финляндия, 1-2 ноября 2004 г.» (PDF). vtt.fi. Получено 2009-11-18.
  10. ^ "Серийные радиочасы DCF77 Meinberg C51". meinberg.de. Получено 2009-11-18.
  11. ^ «ETH - IfE-Wearable Computing - миниатюрный карманный датчик движения с часами DCF77». wearable.ethz.ch. Архивировано из оригинал на 2011-07-06. Получено 2009-11-18.

внешняя ссылка