Perché la scelta dell'oscillatore è così importante? Che cosa occorre prendere in considerazione al momento della scelta?

La scelta dell'oscillatore è una delle decisioni più importanti da prendere quando si progetta un'applicazione: è quella che ha il maggiore impatto sulle prestazioni del clock. Ogni time server utilizza un oscillatore, un sistema interno di sincronizzazione e mantenimento del tempo. La sincronizzazione temporale è un punto vitale per le infrastrutture critiche: senza di essa, le infrastrutture critiche non potrebbero esistere e un eventuale guasto o desincronizzazione potrebbe avere conseguenze fatali. La sincronizzazione temporale, invece, non può esistere senza i concetti di time server e oscillatore, cioè elementi che di fatto rendono possibile l'attività di sincronizzazione. In questo articolo ci concentreremo sui parametri dell'oscillatore più importanti nei sistemi dei settori di energia elettrica e di telecomunicazione e ci domandiamo perché sia così importante scegliere quello più appropriato.

Perché l'oscillatore è così importante?

Ogni applicazione che richiede per funzionare le informazioni temporali utilizza un time server. Di solito, il segnale orario di riferimento è prelevato da un satellite GPS o direttamente da un orologio atomico. Tuttavia, a causa delle interferenze o dell'affievolimento del segnale, l'ora di riferimento può essere errata o impossibile da ricevere. In questo caso, entra in azione l'oscillatore, un sistema interno di cronometraggio e di mantenimento del tempo. Il compito più importante dell'oscillatore è il cosiddetto holdover, ovvero il mantenimento del tempo reale corretto fino al ripristino del segnale orario di riferimento. Si tratta di un lavoro incredibilmente responsabile e importante: nei settori delle infrastrutture critiche, la rete dipende talmente tanto dall'ora corretta dell'orologio che un ritardo temporale anche solo a livello di μs o ms potrebbe causare un piccolo e/o breve guasto, ma potrebbe anche esporre l'azienda a perdite di milioni di dollari, ad esempio a causa di danni ai componenti della rete o alla paralisi dell'erogazione del servizio e al relativo pagamento degli indennizzi.

Tipi di oscillatori

Vista la varietà di oscillatori, ci limiteremo ad esaminare solo quelli più diffusi, utilizzati nei time server progettati per alcuni settori di infrastrutture strategiche, come l'energia e le telecomunicazioni. Nel presente articolo esamineremo i seguenti oscillatori TCXO (Temperature Controlled Xtal Oscillator), OCXO (Oven Controlled Xtal Oscillator) l'oscillatore al Rubidio (Rubidium Oscillator).

Il TCXO è un oscillatore al quarzo con un circuito di compensazione della temperatura. Per mantenere la stabilità dell'oscillatore, viene utilizzato un sensore interno di temperatura con un circuito integrato, che regola con precisione la frequenza di risonanza del cristallo in base alle variazioni di temperatura.

L'OCXO è un altro oscillatore al quarzo, ma stabilizzato termicamente. La differenza sta nel posizionamento del quarzo in un involucro speciale che mantiene il cristallo e l'ambiente circostante a una temperatura costante.

L'oscillatore al rubidio appartiene al gruppo di oscillatori utilizzati negli orologi atomici. In questi orologi si possono trovare anche il cesio o l'idrogeno, ma il rubidio è comunque il più popolare per ragioni di costo. Questo tipo di oscillatore utilizza una camera di vetro riempita di gas rubidio, una lampada speciale, una foto rilevatore e talvolta anche un oscillatore al quarzo.

A cosa fare attenzione quando si sceglie un oscillatore?

D'ora in poi ci concentreremo sui parametri più importanti per il mantenimento della corretta temporizzazione nei sistemi di energia elettrica e di telecomunicazione.

Frequenza: D'ora in poi ci concentreremo sui parametri più importanti per il mantenimento della corretta temporizzazione nei sistemi di energia elettrica e di telecomunicazione. Non si tratta di un attributo avanzato, ma è fondamentale per questo tipo di accordo.

Stabilità di frequenza: Una caratteristica fondamentale che determina la qualità dell'oscillatore è la sua stabilità. Per stabilità dell'oscillatore si intende la stabilità della frequenza di mantenimento espressa in ppm (Pulse Per Million) o ppb (Pulse Per Billion). Esso rappresenta la deviazione della frequenza di uscita dal valore ideale a causa di condizioni esterne. Più il valore è basso, migliore è la stabilità dell'orologio nel mantenere l'ora corretta. Nella tabella sottostante sono riportate la precisione e la stabilità degli oscillatori in base allo strato e al tipo

La stabilità relativa del TCXO rispetto all'OCXO è inferiore, ma se si considerano il TCXO e l'OCXO il più basso, la differenza di stabilità di questi oscillatori risulta irrilevante. Quindi è opportuno considerare anche altri fattori che influenzano la scelta del sistema.

Jitter e rumore di fase: Il jitter è considerato la caratteristica principale di un oscillatore, subito dopo la stabilità di frequenza. Il rumore di fase e il jitter sono due metodi per quantificare il rumore del segnale di clock che hanno un impatto diretto sulle prestazioni del sistema. Il rumore di fase misura il rumore del clock nel dominio della frequenza; il jitter misura l'effetto del rumore sul clock nel dominio del tempo.

È fondamentale tenere conto del rumore di clock quando si valuta il budget totale per il clock, poiché entrambi questi fattori sono di solito i fattori più comuni che determinano gli errori di temporizzazione del sistema. Ad esempio, il jitter genera errori di timing e di campionamento nei convertitori analogico-digitali, mentre il rumore di fase degrada l'accuratezza, la risoluzione e il coefficiente di segnale/rumore. Tuttavia, non tutti i produttori di oscillatori definiscono il jitter allo stesso modo. I requisiti relativi al jitter variano a seconda dell'applicazione ed esistono diversi tipi di jitter e diversi intervalli di integrazione per un jitter di fase integrato misurato nel dominio della frequenza. Pertanto, la soluzione migliore è quella di chiedere informazioni direttamente al produttore.

Ambiente di lavoro: Le condizioni ambientali sono uno dei fattori più significativi per la stabilità della frequenza. Si tratta della temperatura in cui si trova il dispositivo, e quindi l'oscillatore. Altri parametri ambientali, come l'umidità e la pressione, pur avendo potenzialmente un impatto ancora maggiore sull'oscillatore, non sono altrettanto problematici. Entrambe le influenze ambientali sono facilmente annullabili grazie alla cassa di cristallo ermeticamente sigillata, riempita con un gas inerte o sigillata sotto vuoto. Non è invece così semplice mitigare gli effetti della temperatura sul cristallo. Le condizioni esterne definite possono variare in base alle diverse categorie di oscillatori, ma in genere includono variazioni di temperatura e un offset iniziale a 25°C (77°F)..

L'oscillatore deve sempre funzionare alla temperatura specificata dal produttore, in quanto solo in questo modo è garantito il suo corretto funzionamento. Naturalmente è possibile operare al di fuori di questo intervallo, ma non è consigliabile a causa di una serie di fastidiosi effetti collaterali. Uno di questi effetti è il disturbo della frequenza dell'oscillatore, che si accentua ulteriormente nelle condizioni industriali. Un altro problema notevole è rappresentato da cali di attività inaspettati, che possono provocare un'interruzione completa dell'oscillazione del cristallo. Oltre agli effetti negativi sopra descritti, un effetto collaterale confermato è l'invecchiamento accelerato del cristallo, che può influire negativamente sulla stabilità e sull'accuratezza del mantenimento della frequenza La soluzione migliore per evitare complicazioni è semplicemente quella di conoscere a priori l'intervallo di temperatura di esercizio e di scegliere l'oscillatore in base a questo criterio. La tabella sottostante mostra i tipici intervalli di temperatura di esercizio.

Riassunto

L'oscillatore è uno dei componenti più importanti che influiscono direttamente sulle prestazioni della rete. Nel caso di un guasto, si assume la responsabilità di mantenere l'ora corretta e quindi di garantire il corretto funzionamento del sistema. l momento di scegliere un oscillatore, occorre tenere in considerazione i seguenti parametri fondamentali:

• Frequenza,

• Stabilità di frequenza,

• Jitter e rumore di fase,

• Condizioni ambientali (temperatura).