|
Метрология кварцевого генератора, Какую погрешность частоты вносит схема генератора? |
|
|
|
Mar 5 2015, 20:19
|
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
|
|
|
|
|
 |
Ответов
|
Mar 23 2015, 18:15
|
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.
|
|
|
|
|
Mar 29 2015, 20:30
|
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.
|
|
|
|
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
1 2 >
1 чел. читают эту тему (гостей: 1, скрытых пользователей: 0)
Пользователей: 0
|
|
|