реклама на сайте
подробности

 
 
> Метрология кварцевого генератора, Какую погрешность частоты вносит схема генератора?
Reanimator++
сообщение Mar 5 2015, 20:19
Сообщение #1


Местный
***

Группа: Свой
Сообщений: 399
Регистрация: 1-01-06
Из: Волгоград
Пользователь №: 12 763



Имеем обыкновенный генератор на инверторе, по схеме Пирса.
Картинка во вложении.
Генераторы вместе с кварцевыми резонаторами помещаем в термостат при 60-70 градусов с высокой стабильностью температуры (~0.05 °С).
Выдерживаем 3 часа для установления теплового равновесия.
Начинаем измерять частоту с течением времени.
Имеем такую картину по изделиям. (вложение 2)
Или такую. (вложение 3)

Вопрос - как оценить влияние схемы генератора на долговременную стабильность частоты кварцевого резонатора?
Цель - отделить резонаторы с долговременной стабильностью хуже требуемой.


Эскизы прикрепленных изображений
Прикрепленное изображение
Прикрепленное изображение
Прикрепленное изображение
 
Go to the top of the page
 
+Quote Post
 
Start new topic
Ответов
st232bd
сообщение Mar 23 2015, 12:13
Сообщение #2


Частый гость
**

Группа: Свой
Сообщений: 170
Регистрация: 12-02-08
Из: г.Минск (РБ)
Пользователь №: 34 969



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.
Go to the top of the page
 
+Quote Post
rloc
сообщение Mar 23 2015, 18:15
Сообщение #3


Узкополосный широкополосник
******

Группа: Свой
Сообщений: 2 316
Регистрация: 13-12-04
Из: Moscow
Пользователь №: 1 462



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.


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:


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


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:

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.
Go to the top of the page
 
+Quote Post
rloc
сообщение Mar 29 2015, 20:30
Сообщение #4


Узкополосный широкополосник
******

Группа: Свой
Сообщений: 2 316
Регистрация: 13-12-04
Из: Moscow
Пользователь №: 1 462



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:

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):

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):

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.



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).




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.
Go to the top of the page
 
+Quote Post
VNS
сообщение Apr 2 2015, 03:56
Сообщение #5


Местный
***

Группа: Участник
Сообщений: 256
Регистрация: 15-04-13
Из: Казахстан, г. Алматы
Пользователь №: 76 504



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.

Сообщение отредактировал VNS - Apr 2 2015, 04:04
Go to the top of the page
 
+Quote Post

Сообщений в этой теме
- Reanimator++   Метрология кварцевого генератора   Mar 5 2015, 20:19
- - Белый дед   Генератор нормальный для начала нужно сделать вмес...   Mar 5 2015, 22:40
|- - КОРД   Цитата(Белый дед @ Mar 5 2015, 23:40) Ген...   Mar 6 2015, 07:09
- - Reanimator++   Обоснуйте, пожалуйста.   Mar 5 2015, 22:43
- - Белый дед   Стабильность каких параметров резонатора вам нужно...   Mar 5 2015, 22:46
- - Reanimator++   Интересует только резонансная частота кварцевого р...   Mar 5 2015, 22:49
- - Белый дед   Резонанса последовательного, параллельного или как...   Mar 5 2015, 22:52
- - Reanimator++   Ну, конечно последовательного. Это резонаторы для ...   Mar 5 2015, 23:04
- - Белый дед   Тогда вам нужно делать генератор, в котором кварц ...   Mar 5 2015, 23:23
|- - VNS   Цитата(Белый дед @ Mar 6 2015, 02:23) Тог...   Apr 2 2015, 22:39
|- - rloc   Цитата(VNS @ Apr 3 2015, 02:39) что-то в ...   Apr 3 2015, 13:52
- - Reanimator++   Насколько я знаю схема Пирса работает на частоте п...   Mar 5 2015, 23:35
- - Белый дед   Кварц в этом генератора работает индуктивностью ка...   Mar 5 2015, 23:44
- - Reanimator++   А мне не требуется чтобы выходная частота генерато...   Mar 5 2015, 23:53
|- - _4afc_   Цитата(Reanimator++ @ Mar 6 2015, 0...   Mar 6 2015, 09:55
||- - VNS   Цитата(_4afc_ @ Mar 6 2015, 12:55) ...Как...   Mar 16 2015, 14:00
||- - vhk   Цитата(VNS @ Mar 16 2015, 17:00) Генерато...   Mar 17 2015, 07:28
||- - VNS   Цитата(vhk @ Mar 17 2015, 11:28) Почему в...   Mar 17 2015, 14:36
||- - vhk   Фазовые шум генераторов на ТД много больше, чем у...   Mar 17 2015, 15:22
||- - VNS   Цитата(vhk @ Mar 17 2015, 19:22) Фазовые ...   Mar 17 2015, 16:55
||- - vhk   Цитата(VNS @ Mar 17 2015, 19:55) По части...   Mar 17 2015, 17:24
||- - VNS   Цитата(vhk @ Mar 17 2015, 21:24) Проверьт...   Mar 17 2015, 18:24
||- - vhk   Цитата(VNS @ Mar 17 2015, 21:24) Проверят...   Mar 17 2015, 19:55
||- - VNS   Цитата(vhk @ Mar 17 2015, 22:55) Программ...   Mar 18 2015, 04:24
||- - rloc   Каким удивительным образом развивается тема! С...   Mar 18 2015, 05:52
||- - VNS   Цитата(rloc @ Mar 18 2015, 09:52) ...Скол...   Mar 18 2015, 13:56
||- - rloc   Малых по размерам кристаллов на частоты в районе 2...   Mar 19 2015, 04:41
||- - VNS   Цитата(rloc @ Mar 19 2015, 08:41) ...С ма...   Mar 19 2015, 06:03
|- - VNS   Цитата(Reanimator++ @ Mar 6 2015, 0...   Apr 22 2015, 08:34
|- - rloc   Цитата(VNS @ Apr 22 2015, 12:34) 'Rea...   Apr 22 2015, 09:26
- - Белый дед   Понятно. Похоже у вас дрейф связан с десорбцией вс...   Mar 6 2015, 00:14
- - Reanimator++   Осталось только доказать что на картинках действит...   Mar 6 2015, 00:20
- - Белый дед   Вам нужно определиться. Если нужно измерять параме...   Mar 6 2015, 07:41
- - Owl_   Несколько вопросов к ТС-у: 1. Семейство графиков б...   Mar 6 2015, 08:15
- - Reanimator++   Цитата(Белый дед @ Mar 6 2015, 11:41) Вам...   Mar 6 2015, 15:44
|- - Owl_   Цитата(Reanimator++ @ Mar 6 2015, 1...   Mar 6 2015, 17:01
- - Белый дед   А еще мне кажется, что в этой схеме мощность рассе...   Mar 6 2015, 18:19
- - Reanimator++   На надо пытаться решать технологическую задачу. Мн...   Mar 6 2015, 20:28
- - Белый дед   По-моему, вы просто уже над всеми издеваетесь. Поч...   Mar 6 2015, 20:56
- - ledum   Я бы попробовал заменить активный элемент. На LVCU...   Mar 7 2015, 14:25
- - rudy_b   Вообще-то на серии LVC нельзя так собирать квазиан...   Mar 8 2015, 15:04
- - Reanimator++   Прочитал Альтшуллера. Вот выдержки, где говорится ...   Mar 8 2015, 15:49
- - Tanya   Цитата(Reanimator++ @ Mar 5 2015, 2...   Mar 8 2015, 16:42
- - ledum   http://www.onsemi.ru.com/pub_link/Collateral/AND81...   Mar 8 2015, 21:38
|- - rudy_b   Цитата(ledum @ Mar 9 2015, 01:38) ... Вез...   Mar 9 2015, 00:16
|- - ledum   Цитата(rudy_b @ Mar 9 2015, 02:16) ...   Mar 9 2015, 11:03
- - rudy_b   Да, возможно (хотя я в этом сильно не уверен) эти ...   Mar 9 2015, 11:54
- - vhk   Цитата(Reanimator++ @ Mar 5 2015, 2...   Mar 20 2015, 09:23
|- - rloc   Цитата(vhk @ Mar 20 2015, 13:23) Сделал о...   Mar 20 2015, 11:44
|- - vhk   Цитата(rloc @ Mar 20 2015, 14:44) Как Вы ...   Mar 20 2015, 11:51
|- - rloc   Возможно и есть, подробно не вникал, но хочется ра...   Mar 20 2015, 12:11
|- - rloc   Сразу хочу сказать, что я не работаю с автором тем...   Apr 2 2015, 11:55
- - Reanimator++   Цитата(rloc)Сразу хочу сказать, что я не работаю с...   Apr 19 2015, 20:20
|- - rloc   К сожалению пока не довел до логического конца. Ос...   Apr 19 2015, 21:39
- - Reanimator++   Длительность измерения 1-10 сек. Частота заполнени...   Apr 19 2015, 22:29
|- - rloc   Цитата(Reanimator++ @ Apr 20 2015, ...   Apr 20 2015, 03:13
- - rudy_b   Как - то странно выглядят ваши результаты. Какую м...   Apr 20 2015, 00:52
- - rudy_b   Странности в общем поведении параметров. А в чем в...   Apr 20 2015, 17:38
|- - rloc   Цитата(rudy_b @ Apr 20 2015, 21:38) Стран...   Apr 20 2015, 19:02
|- - rudy_b   Я уже писал об этот тут. Но, похоже, не услышали. ...   Apr 20 2015, 20:08
|- - rloc   Будьте аккуратны в своих высказываниях. При оценке...   Apr 20 2015, 20:28
|- - rloc   Ранее приводил разбор схемы ГК известной фирмы. В ...   Apr 21 2015, 15:32
- - Reanimator++   Цитата(rloc @ Apr 20 2015, 07:13) Приведи...   Apr 21 2015, 19:33
- - Reanimator++   Цитата(VNS @ Apr 22 2015, 12:34) Reanimat...   Apr 22 2015, 18:22
|- - rloc   Цитата(Reanimator++ @ Apr 22 2015, ...   Apr 22 2015, 19:22
|- - VNS   Цитата(Reanimator++ @ Apr 22 2015, ...   Apr 23 2015, 04:54
|- - rloc   Цитата(VNS @ Apr 23 2015, 08:54) Наилучши...   Apr 23 2015, 05:26
||- - VNS   Цитата(rloc @ Apr 23 2015, 09:26) В чем е...   Apr 23 2015, 06:41
||- - rloc   Цитата(VNS @ Apr 23 2015, 10:41) Минималь...   Apr 23 2015, 07:15
|||- - VNS   Цитата(rloc @ Apr 23 2015, 11:15) Насколь...   Apr 23 2015, 12:53
|||- - rloc   Цитата(VNS @ Apr 23 2015, 16:53) Мощность...   Apr 23 2015, 14:05
|||- - VNS   Цитата(rloc @ Apr 23 2015, 18:05) Нарисуй...   Apr 23 2015, 15:56
|||- - rloc   Цитата(VNS @ Apr 23 2015, 19:56) Ваша про...   Apr 23 2015, 17:06
|||- - VNS   Цитата(rloc @ Apr 23 2015, 21:06) 1 ...Ес...   Apr 23 2015, 22:57
|||- - rloc   Цитата(VNS @ Apr 24 2015, 02:57) 1. В реа...   Apr 24 2015, 04:12
||- - vhk   Цитата(VNS @ Apr 23 2015, 10:41) Минималь...   Apr 24 2015, 12:59
||- - VNS   Существенным преимуществом ТД является то, что зна...   Apr 24 2015, 13:39
||- - vhk   Цитата(VNS @ Apr 24 2015, 17:39) Существе...   Apr 24 2015, 13:59
||- - VNS   Цитата(vhk @ Apr 24 2015, 17:59) ...У ...   Apr 24 2015, 14:20
||- - vhk   Цитата(VNS @ Apr 24 2015, 18:20) Что не з...   Apr 24 2015, 14:38
||- - VNS   Цитата(vhk @ Apr 24 2015, 18:38) То, что ...   Apr 24 2015, 21:25
||- - Orthodox   Цитата(VNS @ Apr 25 2015, 00:25) ...Практ...   Apr 25 2015, 19:48
||- - VNS   Цитата(Orthodox @ Apr 25 2015, 23:48) При...   Apr 26 2015, 22:25
||- - Orthodox   Цитата(VNS @ Apr 27 2015, 01:25) С1-75 им...   Apr 26 2015, 22:45
||- - VNS   С1-75 и сегодня один лучших приборов по ряду парам...   Apr 27 2015, 07:00
|- - Reanimator++   Цитата(VNS @ Apr 23 2015, 08:54) Наилучши...   Apr 23 2015, 16:10
- - rudy_b   У туннельных диодов есть серьезный недостаток - бы...   Apr 25 2015, 17:04
- - НЕХ   Параметры резонатора удобно наблюдать в такой схем...   Apr 27 2015, 15:17
- - rloc   Цитата(НЕХ @ Apr 27 2015, 19:17) тестовый...   Apr 27 2015, 19:23
- - VNS   Цитата(rloc @ Apr 27 2015, 23:23) ...Хоро...   Apr 28 2015, 13:13
- - НЕХ   Цитата(VNS @ Apr 28 2015, 16:13) В этой с...   Apr 28 2015, 16:03
- - rloc   Цитата(VNS @ Apr 28 2015, 17:13) В этой с...   Apr 28 2015, 17:31
- - vhk   Цитата(rloc @ Apr 28 2015, 21:31) Про мос...   Apr 28 2015, 20:29
|- - VNS   Цитата(vhk @ Apr 29 2015, 00:29) Интерес ...   Apr 29 2015, 00:19
|- - rloc   Цитата(VNS @ Apr 29 2015, 04:19) "СВ...   Apr 29 2015, 05:28
- - VNS   Цитата(rloc @ Apr 28 2015, 21:31) ...схем...   Apr 29 2015, 04:50
2 страниц V   1 2 >


Reply to this topicStart new topic
1 чел. читают эту тему (гостей: 1, скрытых пользователей: 0)
Пользователей: 0

 


RSS Текстовая версия Сейчас: 25th July 2025 - 02:45
Рейтинг@Mail.ru


Страница сгенерированна за 0.01509 секунд с 7
ELECTRONIX ©2004-2016