De ce este atât de importantă alegerea unui oscilator? Ce să iei în considerare atunci când îl alegi?

Alegerea oscilatorului este una dintre cele mai importante decizii de luat la proiectarea unei aplicații – acesta are cea mai mare influență asupra funcționării ceasului. Fiecare server de timp folosește un oscilator - un sistem intern pentru sincronizarea și menținerea ceasului. Sincronizarea ceasului este punctul vital al infrastructurii critice - fără ea, infrastructura critică nu ar putea exista, iar o posibilă defecțiune sau desincronizare poate avea consecințe fatale. Sincronizarea ceasului, pe de altă parte, nu poate exista fără conceptele de server de timp și oscilator - elemente care permit de facto activitatea de sincronizare. În acest articol, ne vom concentra asupra parametrilor oscilatorului cei mai importanți în sistemele industriilor de energie și telecomunicații și de ce este atât de important să-l alegeți pe cel potrivit.

De ce oscilatorul este atât de important?

Orice aplicație care necesită informații despre timp pentru a funcționa utilizează un server de timp. De obicei, semnalul orar de referință este preluat de la un satelit GPS sau direct de la un ceas atomic. Cu toate acestea, ca urmare a interferenței sau a pierderii semnalului, ora de referință poate fi incorectă sau imposibil de recepționat. În acest caz, intră în acțiune oscilatorul - sistemul intern de sincronizare și de menținere a ceasului. Sarcina sa cea mai importantă este așa-numita holdover - menținerea timpului real corect până la restabilirea semnalului referință de timp. Aceasta este o sarcină extrem de responsabilă și importantă - în industriile de infrastructură critică, rețeaua depinde atât de mult de ora corectă a ceasului, încât o întârziere de μs sau ms poate provoca doar o defecțiune mică și/sau scurtă, dar poate expune și ȋntreprinderea la milioane de pierderi, de ex. prin deteriorarea unor elemente ale rețelei sau prin paralizia furnizării de servicii și plăți compensatorii aferente.

Tipuri de oscilatoare

Datorită varietății de oscilatoare, vom limita considerentele noastre doar la cele mai populare utilizate pentru sectoare de timp destinate unor industrii de infrastructură strategică - energie și telecomunicații. În acest articol vom descrie TCXO (eng.Temperature Controlled Xtal Oscillator) și OCXO (Oven Controlled Xtal Oscillator) și OCXO (eng. Oven Controlled Xtal Oscillator) și rubid (eng. Rubidium Oscillator).

TCXO este un oscilator cu cuarţi cu un circuit de compensare a temperaturii. Pentru a menține stabilitatea oscilatorului, este utilizat un senzor intern de temperatură cu sistem integrat care reglează cu precizie frecvența de rezonanță a cristalului în funcție de variațiile de temperatură.

OCXO este un alt oscilator cu cristal, dar stabilizat termic. Diferența este că cuarțul este plasat într-o carcasă specială care menține cristalul și împrejurimile sale la o temperatură constantă.

Oscilatorul cu rubidiu aparține la grupul de oscilatoare utilizate în ceasurile atomice. În astfel de ceasuri se găsesc și cesiu sau hidrogen, dar rubidiul este cel mai popular datorită costurilor mai mici. Un astfel de oscilator folosește o cameră de sticlă umplută cu gaz rubidiu, o lampă specială, un fotodetector și, uneori, și ... un oscilator cu cuarț.

La ce trebuie să vă uitați când alegi un oscilator?

Ne vom concentra pe parametrii care sunt cei mai importanți pentru menținerea timpului corect în sistemele de energie și telecomunicații.

Frecvența. Parametrul fundamental al oricărui oscilator este frecvența. Asta ȋnseamnă frecvența de repetare (ciclul) a semnalului de ieșire din oscilator, care este măsurată în herți (Hz). Acesta nu este un atribut avansat, deși este fundamental pentru acest tip de sisteme.

Stabilitatea frecvenței. Caracteristică esențială a calității oscilatorului este stabilitatea acestuia. Prin stabilitatea oscilatorului înțelegem stabilitatea frecvenței de menținere exprimată în ppm (Pulse Per Million) sau ppb (Pulse Per Billion). Reprezintă abaterea

frecvenței de ieșire de la valoarea ideală din cauza condițiilor externe. Cu cât valoarea este mai mică, cu atât este mai bună stabilitatea păstrării orei corecte de către ceas. Tabelul de mai jos arată acuratețea și stabilitatea oscilatoarelor în funcție de strat și tip.

Stabilitatea relativă a TCXO în comparație cu OCXO este mai proastă, dar dacă se iau în considerare TCXO și cel mai slab OCXO, atunci diferența de stabilitate a acestor oscilatoare este neglijabilă. Și apoi merită să luați în considerare și alți factori care influențează alegerea sistemului.

Jitter și zgomot de fază. Jitter-ul este considerată cea mai importantă caracteristică a oscilatorului după stabilitatea frecvenței. Zgomotul de fază și fluctuația sunt două metode de cuantificare a zgomotului semnalului de ceas care au un impact direct asupra performanței sistemului. Zgomotul de fază măsoară zgomotul de ceas în domeniul frecvenței; jitterul măsoară efectul zgomotului asupra ceasului în domeniul timpului.

Considerarea zgomotului ceasului atunci când se evaluează bugetul total pentru tactare are importanță critică, deoarece ambele sunt de obicei cele mai frecvente cauze ale erorilor de timp ale sistemului. De exemplu, jitter-ul provoacă erori de tactare și de eșantionare în transformatoarele analog-digital, iar zgomotul de fază deteriorează precizia, rezoluția și raportul semnal-zgomot. Cu toate acestea, nu toți producătorii de oscilatori definesc jitter-ul în același mod. Cerințele privind jitterul diferă de la o aplicație la alta și, în plus, există diferite tipuri de jitter și diferite intervale de integrare pentru jitterul integrat de fază măsurat în domeniu de frecvență. De aceea, cea mai bună soluție este să căutați informații direct de la producător.

Mediul de lucru. Condițiile de mediu sunt unul dintre cele mai importanți factori care influențează stabilitatea frecvenței. Este vorba despre temperatura la care urmează să fie amplasat dispozitivul şi, prin urmare, oscilatorul. Alte parametri de mediu, cum ar fi umiditatea și presiunea, nu sunt atât de problematice, în ciuda influenței potențială mai mare asupra oscilatorului. Ambele efecte de mediu sunt ușor neutralizate printr-o carcasă de cristal hermetic închisă, care este umplută cu un gaz neutru sau închisă în condiții de vid. Cu toate acestea, cu atenuația temperaturii asupra cristalului, nu mai este atât de simplu. Condițiile externe definite pot fi diferite pentru diferitele categorii de oscilatori, dar includ, de obicei, variațiile de temperatură și offsetul inițial la 25 °C (77 °F).

Oscilatorul ar trebui să funcționeze întotdeauna la temperatura specificată de producător, deoarece numai atunci este garantată funcționarea sa corectă. Desigur, poate funcționa în afara acestui interval, dar nu este recomandat din cauza unui număr de efecte secundare iritante. Un astfel de efect este distorsiunea frecvenței oscilatorului, care este și mai gravă în condiții industriale. O altă mare problemă poate fi scăderea neașteptată a activității, care poate duce la o întrerupere completă a oscilațiilor cristalului. În plus față de efectele nedorite de mai sus, un efect secundar garantat este îmbătrânirea accelerată a cristalului, care poate afecta negativ stabilitatea și acuratețea menținerii frecvenței. Cea mai bună soluție pentru a evita complicațiile este pur și simplu să cunoașteți dinainte intervalul de temperatură de funcționare și să alegeți oscilatorul având în vedere acest lucru. Intervalele tipice de temperatură de funcționare sunt prezentate în tabelul de mai jos.

Rezumat

Oscilatorul este unul dintre cele mai importante elemente cu impact direct asupra funcționării rețelei. În cazul unei defecțiuni, acesta își asumă toată responsabilitatea pentru menținerea ceasului corect și astfel asigurarea bunei funcționări a sistemului. Atunci când alegeți un oscilator, cei mai importanți parametri de luat în considerare sunt:

• Frecvență,

• Stabilitatea frecvențe,

• Jitter și zgomot de fază,

• Condiții de mediu (temperatură).