Dlaczego wybór oscylatora jest tak ważny? Co brać pod uwagę przy jego wyborze?

Wybór oscylatora jest jedną z ważniejszych decyzji do podjęcia przy projektowaniu aplikacji – to on ma największy wpływ na działanie zegara. Każdy serwer czasu korzysta z oscylatora – wewnętrznego systemu synchronizacji i podtrzymywania czasu. Synchronizacja czasu jest punktem witalnym infrastruktury krytycznej – bez niej infrastruktura krytyczna nie mogłaby istnieć, a ewentualna awaria czy desynchronizacja mogą mieć fatalne skutki. Z kolei synchronizacja czasu nie może istnieć bez pojęć serwera czasu i oscylatora – elementów, które de facto umożliwiają czynność synchronizacji. W tym artykule skupimy się na tym, jakie parametry oscylatora są najważniejsze w systemach branż energetycznej i telekomunikacyjnej oraz dlaczego tak ważny jest odpowiedni jego wybór.

Dlaczego oscylator jest tak ważny?

Każda aplikacja wymagająca do pracy informacji o czasie korzysta z serwera czasu. Przeważnie sygnał czasu wzorcowego jest pobierany z satelity GPS lub bezpośrednio z zegara atomowego. Jednak w wyniku zakłóceń lub zaniku sygnału, czas wzorcowy może być nieprawidłowy lub niemożliwy do odebrania. W tym przypadku do akcji wkracza oscylator – wewnętrzny system synchronizacji i podtrzymywania czasu. Jego najważniejszym zadaniem jest tzw. holdover – utrzymanie prawidłowego czasu rzeczywistego do czasu przywrócenia sygnału czasu wzorcowego. Jest to niesamowicie odpowiedzialna i ważna praca – w branżach infrastruktury krytycznej sieć jest tak wysoce zależna od prawidłowego czasu zegara, że opóźnienie czasu rzędu μs czy ms może spowodować tylko małą i/lub krótką awarię, ale może również narazić przedsiębiorstwo milionowe straty np. poprzez uszkodzenie elementów sieci czy paraliż dostarczania usługi i związane z tym wypłaty odszkodowań.

Rodzaje oscylatorów

Z uwagi różnorodność oscylatorów, zawęzimy nasze rozważania tylko do najpopularniejszych wykorzystywanych w serwerach czasu przeznaczonych dla wybranych branż infrastruktury strategicznej – energetyki i telekomunikacji. W artykule omówimy TCXO (ang. Temperature Controlled Xtal Oscillator) i OCXO (ang. Oven Controlled Xtal Oscillator) oraz rubidowego (ang. Rubidium Oscillator).

TCXO to oscylator kwarcowy z obwodem kompensacji temperatury. W celu utrzymania stabilności oscylatora wykorzystywany jest wewnętrzny czujnik temperatury z układem scalonym, który precyzyjnie reguluje częstotliwość rezonansu kryształu w zależności od zmian temperatury.

OCXO to kolejny oscylator kwarcowy, ale stabilizowany termicznie. Różnica polega na umieszczeniu kwarcu w specjalnej obudowie, która utrzymuje kryształ i jego otoczenie w stałej temperaturze.

Oscylator rubidowy należy do grupy oscylatorów wykorzystywanych w zegarach atomowych. W takich zegarach można spotkać również cez lub wodór, ale jednak z uwagi na koszty najpopularniejszy jest rubid. Taki oscylator wykorzystuje szklaną komorę wypełnioną gazem rubidu, specjalną lampę, fotodetektor, a czasami również dodatkowo… oscylator kwarcowy.

Na co zwrócić uwagę przy doborze oscylatora?

Skupimy się na tych parametrach, które są najistotniejsze dla utrzymania prawidłowego czasu w systemach energetycznych i telekomunikacyjnych.

Częstotliwość. Podstawowym parametrem każdego oscylatora jest częstotliwość. Oznacza ona częstość powtarzalności (cykl) sygnału wyjściowego z oscylatora, która jest mierzona w hercach (Hz). Nie jest to zaawansowany atrybut, aczkolwiek jest on fundamentalny dla tego typu układów.

Stabilność częstotliwości. Kluczową cechą przekładającą się na jakość oscylatora jest jego stabilność. Poprzez stabilność oscylatora rozumiemy stabilność częstotliwości utrzymującej wyrażanej w ppm (Pulse Per Million) lub ppb (Pulse Per Billion). Przedstawia ona odchylenie częstotliwości wyjściowej od wartości idealnej spowodowane warunkami zewnętrznymi. Im mniejsza wartość, tym lepsza jest stabilność utrzymania poprawnego czasu przez zegar. W tabeli poniżej przedstawiono dokładność i stabilność oscylatorów w zależności od warstwy i rodzaju.

Względna stabilność TCXO w porównaniu do OCXO jest gorsza, jednak jeżeli brane pod uwagę będą TCXO i najsłabszy OCXO to różnica stabilności tych oscylatorów jest znikoma. A wtedy warto rozważyć również inne czynniki mające wpływ na wybór układu.

Jitter i szum fazowy. Jitter jest uważany za najważniejszą cechę oscylatora zaraz po stabilności częstotliwości. Szum fazowy i jitter to dwie metody ilościowego określania szumu sygnału zegarowego, mające bezpośredni wpływ na wydajność systemu. Szum fazowy mierzy szum zegara w dziedzinie częstotliwości; jitter mierzy wpływ szumu na zegar w dziedzinie czasu.

Uwzględnienie szumu zegara przy ocenie całkowitego budżetu na taktowanie ma krytyczne znaczenie, ponieważ obie te rzeczy są zwykle najczęstszymi czynnikami powodującymi błędy czasowe systemu. Przykładowo jitter powoduje błędy taktowania i próbkowania w przetwornikach analogowo-cyfrowych, a szum fazowy pogarsza dokładność, rozdzielczość i stosunek sygnału do szumu. Jednak nie wszyscy producenci oscylatorów określają jitter w ten sam sposób. Wymagania dotyczące jitteru różnią się w zależności od zastosowania, a ponadto istnieją różne rodzaje jitteru i różne zakresy integracji dla zintegrowanego jitteru fazowego mierzonego w dziedzinie częstotliwości. Stąd też najlepszym rozwiązaniem jest poszukanie informacji bezpośrednio u producenta.

Środowisko pracy. Warunki otoczenia są jednym z najistotniejszych czynników wpływających na stabilność częstotliwości. Mowa tu o temperaturze w jakim znajdować ma się urządzenie, a tym samym oscylator. Pozostałe parametry środowiskowe tj. wilgotność i ciśnienie, pomimo potencjalnie jeszcze większego wpływu na oscylator, nie są tak problematyczne. Oba wpływy środowiskowe są łatwo niwelowane przez hermetycznie zamkniętą obudowę kryształu, którą wypełnia się ją gazem obojętnym lub zamyka się w warunkach próżni. Z kolei z łagodzeniem wpływu temperatury na kryształ nie jest już tak prosto. Zdefiniowane warunki zewnętrze mogą być różne dla różnych kategorii oscylatorów, ale zwykle obejmują zmiany temperatury i początkowy offset w temperaturze 25°C (77°F).

Oscylator powinien zawsze pracować w temperaturze określonej przez producenta, ponieważ tylko wtedy zagwarantowana jest jego prawidłowa praca. Oczywiście może operować poza tym zakresem, ale nie zaleca się tego ze względu na szereg dolegliwych efektów ubocznych. Jednym z takich efektów jest zaburzenie częstotliwość drgań oscylatora, które w warunkach przemysłowych pogarsza się jeszcze bardziej. Innym dużym problemem mogą okazać się niespodziewane spadki aktywności, których skutkiem może być całkowite przerwanie oscylacji kryształu. Oprócz powyższych efektów niepożądanych, gwarantowanym skutkiem ubocznym jest przyspieszone starzenie się kryształu, które może negatywnie wpływać na stabilność i dokładność utrzymania częstotliwości. Najlepszym rozwiązaniem na ominięcie komplikacji jest po prostu wcześniejsze poznanie zakresu temperatury pracy i wybranie oscylatora z jego uwzględnieniem. W tabeli poniżej przedstawiono typowe zakresy temperatur pracy.

Podsumowanie

Oscylator jest jednym z ważniejszych elementów mających bezpośredni wpływ na działanie sieci. W przypadku awarii, to on przejmuje całą odpowiedzialność za utrzymanie prawidłowego czasu i tym samym zapewnienie poprawnego funkcjonowania systemu. Przy wyborze oscylatora najistotniejszymi parametrami jakie należy brać pod uwagę są:

• Częstotliwość,
• Stabilność częstotliwości,
• Jitter i szum fazowy,
• Warunki środowiskowe (temperatura).