Метрология кварцевого генератора, Какую погрешность частоты вносит схема генератора? Опции

[Reanimator++]

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

 

[Reanimator++]

Сразу хочу сказать, что я не работаю с автором темы и у меня не стоит вопрос как и чем померить частотную стабильность. Мое желание - направить в правильное русло методику разработки и дать понять над чем работать. Вижу предлагается много схем, идет сравнение по количеству элементов, а нужно ли это? Не вижу пока ответа на главный вопрос - как померить стабильность самого резонатора, а не его окружения, и можно ли вообще? Поэтому на основании своего опыта пытаюсь размышлять, решать вместе со всеми поставленный вопрос - это интересно для меня с профессиональной точки зрения, общения с людьми, занимающимися в этой области, обмена опытом.

Отдельно вопрос автору: не сомневаетесь, что достоверно измеряете частоту? Скорость измерения частоты (интервал измерения, период усреднения оценки)? Намекаю на другую методику измерения, другого параметра, подумайте (поищите) какого. Дальше встанет вопрос: а нужен ли термостат, точнее "сумасшедшая" стабильность поддержания температуры?

Хочу выразить вам признательность за столь активное и глубокое участие в вопросе!

Измерить стабильность самого резонатора, без окружения, возможно с помощью анализатора цепей в соответствии с МЭК-444 (детектируется переход фазы через 0 на резонансах). Однако, у серийных установок для таких измерений метрологическая точность составляет порядка 1ppm. Я встречал на IEEE статью (к сожалению, сейчас беглым поиском не смог найти ее), где была описана прецизионная установка для исследования долговременной стабильности с точностью порядка 1 ppb. (схема измерений строилась на лабораторных приборах, использовалось гетеродинирование (не меняет фазовых соотношений), умножение частоты (умножает разность фаз), фазовый компаратор).

Технический вопрос, решаемый мной заключался в следующем - можно ли простыми методами массово измерять долговременную нестабильность?
Экспериментально, с помощью анализа результатов измерений, удалось выяснить, что измеряя только выходную частоту генератора можно судить о долговременной нестабильности резонатора с точностью порядка 50 ppb. Но это лишь следствие анализа результатов и метрологического обоснования в нем нет. Нужен нормальный метрологический анализ.

Отвечая на остальные вопросы - да, частоту измеряем достоверно, с анализом доверительного интервала по серии измерений. Периоды измерения и т.п. выбраны верно, уже собаку съели на этом. Касательно стабильности термостата могу сказать что "сумасшедшая" не нужна, все зависит от крутизны ТЧХ резонатора в интересующей нас температурной точке. Если находиться рядом с точкой экстремума ТЧХ, то все просто. Если же ТЧХ крутая (1ppm/°C допустим), то требования к стабильности температуры резко возрастают.


Для поддержания темы приложу пару статеек с картинками с описанием механизмов старения в миниатюрных SMD резонаторах.

Прикрепленные файлы

 asiz2003.pdf ( 727.91 килобайт ) Кол-во скачиваний: 28
 yin2013.pdf ( 756.27 килобайт ) Кол-во скачиваний: 27

 

[rloc]

К сожалению пока не довел до логического конца. Основная идея была - показать, что для измерения долговременной нестабильности нужно сделать коэффициент связи с резонатором как можно меньше - в этом основное отличие от схем, когда пытаются достичь минимальных фазовых шумов. И есть специальные схемы включения резонатора, дающие возможность гибкого варьирования этого коэффициента. В этом случае окружающая схема перестает влиять и нет разницы, что было использовано в качестве активного элемента.
В начале темы я видел графики зависимости частоты от времени, но так и не услышал ответа, на каком временном интервале оценивалась частота? Другими словами, у частотомера должен быть некоторый период измерений, какой? Есть такой параметр - девиация Аллана, согласно которому при увеличении времени накопления погрешность измерения частоты сначала падает из-за влияния фазовых шумов, а потом может либо оставаться неизменной, либо начинать расти из-за старения. Измерение девиации Аллана я и хотел предложить. Есть методика измерения этого параметра, когда берется достаточно большое кол-во генераторов, они помещаются в термостат и измеряется девиация каждого генератора относительно всех остальных - т.е. измеряется не абсолютный, а относительный уход частоты и влияние температуры в какой-то мере компенсируется.