¿Por qué es tan importante la elección del oscilador? ¿Qué hay que tener en cuenta al elegirlo?

La elección del oscilador es una de las decisiones más importantes a la hora de diseñar una aplicación, ya que es la que tiene mayor impacto en el funcionamiento del reloj. Todos los servidores de tiempo utilizan un oscilador, un sistema interno para sincronizar y mantener la hora. La sincronización horaria es el punto vital de las infraestructuras críticas: sin ella, éstas no podrían existir, y un posible fallo o desincronización podría tener consecuencias fatales. La sincronización temporal, a su vez, no puede existir sin los conceptos de servidor de tiempo y oscilador, los elementos que permiten de facto la actividad de sincronización. En este artículo nos centraremos en qué parámetros del oscilador son los más importantes en los sistemas de las industrias de la energía y las telecomunicaciones, y por qué es tan importante elegir el correcto.

¿Por qué es tan importante el oscilador?

Cualquier aplicación que requiera información horaria para funcionar utiliza un servidor horario. La mayoría de las veces, la señal horaria de referencia se toma de un satélite GPS o directamente de un reloj atómico. Sin embargo, como consecuencia de las interferencias o de la pérdida de señal, la hora de referencia puede ser incorrecta o imposible de recibir. En este caso, entra en acción el oscilador, un sistema interno de sincronización y mantenimiento del tiempo. Su tarea más importante es la llamada holdover: mantener el tiempo real correcto hasta que se restablezca la señal horaria maestra. Se trata de un trabajo increíblemente responsable e importante: en las industrias de infraestructuras críticas, la red depende tanto de la hora correcta del reloj que un retraso de μs o ms puede causar sólo un pequeño y/o breve fallo, pero también puede exponer a la empresa a pérdidas millonarias, por ejemplo, por daños en los componentes de la red o por la paralización de la prestación del servicio y los pagos de indemnización correspondientes.

Tipos de osciladores

Debido a la diversidad de osciladores, limitaremos nuestra consideración a los más populares utilizados en los servidores de tiempo diseñados para determinadas industrias de infraestructuras críticas: energía y telecomunicaciones. En este artículo hablaremos de TCXO (ang. Temperature Controlled Xtal Oscillator) i OCXO (ang. Oven Controlled Xtal Oscillator)y el rubidio (ang. Rubidium Oscillator).

TCXO es un oscilador de cuarzo con un circuito de compensación de temperatura. Para mantener la estabilidad del oscilador, se utiliza un sensor de temperatura interno con un circuito integrado que ajusta con precisión la frecuencia de resonancia del cristal en función de las variaciones de temperatura.

OCXO es otro oscilador de cuarzo, pero estabilizado térmicamente. La diferencia es que el cuarzo se coloca en una carcasa especial que mantiene el cristal y su entorno a una temperatura constante.

El oscilador de rubidio pertenece al grupo de osciladores utilizados en los relojes atómicos. El cesio o el hidrógeno también pueden encontrarse en este tipo de relojes, pero el rubidio es, sin embargo, el más popular debido a su coste. Un oscilador de este tipo utiliza una cámara de cristal llena de gas rubidio, una lámpara especial, un fotodetector y, a veces, además… un oscilador de cuarzo.

¿Qué hay que tener en cuenta al elegir un oscilador?

Nos centraremos en los parámetros más relevantes para mantener una correcta sincronización en los sistemas de energía y telecomunicaciones.

Frecuencia. El parámetro fundamental de cualquier oscilador es la frecuencia. Representa la tasa de repetición (ciclo) de la señal de salida del oscilador, que se mide en hercios (Hz). No se trata de un atributo avanzado, aunque es fundamental para este tipo de circuitos.

Estabilidad de la frecuencia. Una característica clave que se traduce en la calidad de un oscilador es su estabilidad. Por estabilidad del oscilador se entiende la estabilidad de la frecuencia de mantenimiento expresada en ppm (pulso por millón) o ppb (pulso por billón). Representa la desviación de la frecuencia de salida del valor ideal causada por las condiciones externas. Cuanto menor sea el valor, mayor será la estabilidad del reloj para mantener la hora correcta. La siguiente tabla muestra la precisión y la estabilidad de los osciladores según la capa y el tipo.

La estabilidad relativa del TCXO en comparación con el OCXO es peor, pero si se considera el TCXO y el OCXO más débil, la diferencia de estabilidad de estos osciladores es insignificante. Además, conviene tener en cuenta otros factores que influyen en la elección del chip.

Jitter y ruido de fase.

El jitter se considera la característica más importante del oscilador, después de la estabilidad de la frecuencia. El ruido de fase y el jitter son dos métodos para cuantificar el ruido del reloj que tienen un impacto directo en el rendimiento del sistema. El ruido de fase mide el ruido del reloj en el dominio de la frecuencia; el jitter mide el efecto del ruido en el reloj en el dominio del tiempo.

Es fundamental tener en cuenta el ruido del reloj al evaluar el presupuesto total de sincronización, ya que ambos suelen ser los factores que más contribuyen a los errores de sincronización del sistema. Por ejemplo, el jitter provoca errores de sincronización y muestreo en los convertidores analógico-digitales, mientras que el ruido de fase degrada la precisión, la resolución y la relación señal/ruido. Sin embargo, no todos los fabricantes de osciladores especifican el jitter de la misma manera. Los requisitos de fluctuación varían de una aplicación a otra, y hay diferentes tipos de fluctuación y diferentes rangos de integración para la fluctuación de fase integrada medida en el dominio de la frecuencia. Por ello, lo mejor es buscar información directamente en el fabricante.

Entorno de trabajo.

Las condiciones ambientales son uno de los factores más importantes que afectan a la estabilidad de la frecuencia. Nos referimos a la temperatura a la que se va a situar el aparato y, por tanto, el oscilador. Otros parámetros ambientales, como la humedad y la presión, a pesar de tener un impacto aún mayor en el oscilador, no son tan problemáticos. Ambas influencias ambientales se mitigan fácilmente gracias a la carcasa de cristal sellada herméticamente, que se llena con un gas inerte o se sella al vacío. En cambio, mitigar los efectos de la temperatura en el cristal no es tan sencillo. Las condiciones externas definidas pueden variar para las distintas categorías de osciladores, pero suelen incluir variaciones de temperatura y un desplazamiento inicial a 25°C (77°F).

Un oscilador debe funcionar siempre a la temperatura especificada por el fabricante, ya que sólo así se garantiza su correcto funcionamiento. Por supuesto, puede operar fuera de este rango, pero no se recomienda debido a una serie de efectos secundarios enfermizos. Uno de estos efectos es la perturbación de la frecuencia del oscilador, que se agrava aún más en condiciones industriales. Otro problema importante pueden ser las caídas inesperadas de la actividad, que pueden dar lugar a una interrupción completa de la oscilación del cristal. Además de los efectos indeseados mencionados, un efecto secundario garantizado es el envejecimiento acelerado del cristal, que puede afectar negativamente a la estabilidad y la precisión del mantenimiento de la frecuencia. La mejor solución para evitar las complicaciones es simplemente conocer de antemano el rango de temperatura de funcionamiento y seleccionar un oscilador teniendo esto en cuenta. La siguiente tabla muestra los rangos típicos de temperatura de funcionamiento.

Resumen

El oscilador es uno de los componentes más importantes con un impacto directo en el funcionamiento de la red. En caso de fallo, asume toda la responsabilidad de mantener la sincronización correcta y, por tanto, de garantizar el buen funcionamiento del sistema. A la hora de seleccionar un oscilador, los parámetros más importantes a tener en cuenta son:

• Frecuencia,
• Estabilidad de la frecuencia,
• Jittery el ruido de fase,
• Condiciones ambientales (temperatura).