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Jan 25, 2024

L'oscillatore a cristallo compensato dal microcomputer è finalmente pronto per lo spazio

Since the 1990s, the microcomputer compensated crystal oscillator, or MCXO, has

Dagli anni '90, l'oscillatore a cristallo compensato da microcomputer, o MCXO, è stato utilizzato in molte applicazioni, tra cui l'avionica militare e commerciale, l'elettronica terrestre e l'esplorazione petrolifera sottomarina. Questi dispositivi più piccoli, più leggeri e a basso consumo possono spesso sostituire gli oscillatori a cristallo controllati da forno (OCXO) più ingombranti e che consumano energia, fornendo allo stesso tempo una stabilità comparabile su un'ampia gamma di temperature operative. Ma il Santo Graal delle applicazioni MCXO è l’uso nello spazio. Quasi tutti i satelliti utilizzano almeno un OCXO per la temporizzazione di precisione, nonostante i grossi inconvenienti derivanti dall'elevato consumo energetico e dalle grandi dimensioni. L'ostacolo per l'MCXO è che utilizza diversi dispositivi digitali che sono stati difficili da procurarsi come componenti resistenti e qualificati per lo spazio. Finora.

Questo articolo mette a confronto i tipi di oscillatori a cristallo e introduce il primo MCXO che combina un design ingegneristico intelligente con componenti digitali resistenti ai raggi rad per qualificarsi per le applicazioni NewSpace (Figura 1).

Tutti gli oscillatori a cristallo, mostrati nella Figura 2, si basano sulle vibrazioni di frequenza molto stabili di un risonatore piezoelettrico a cristallo di quarzo.

Di solito, i cristalli e i circuiti associati sono attentamente progettati e realizzati in modo che il cristallo di quarzo vibri solo alla frequenza di risonanza desiderata. Un oscillatore a cristallo autonomo può mantenere una stabilità di frequenza inferiore a ±50 ppm nell'ampio intervallo di temperature militari compreso tra -55 e +125 ℃, che è abbastanza buono per la maggior parte delle applicazioni elettroniche.

Se è necessaria una stabilità più strettamente controllata rispetto alla temperatura, un oscillatore a cristallo compensato in temperatura, o TCXO, aggiunge un circuito di compensazione per correggere la variazione di temperatura della frequenza del cristallo e può quindi raggiungere circa ±1 PPM.

Se è necessaria una stabilità ancora maggiore, un oscillatore a cristallo controllato da forno utilizza la tecnica per inserire il cristallo all'interno di un forno controllato proporzionalmente molto preciso, che può ottenere una migliore stabilità di frequenza rispetto alla temperatura di circa tre ordini di grandezza; tuttavia, l'OCXO ha un costo molto maggiore in termini di dimensioni, peso e consumo energetico. Un tipico OCXO assorbe almeno pochi watt di potenza, mentre il consumo energetico degli XO (semplici oscillatori a cristallo) e dei TCXO è misurato in milliwatt. Inoltre, gli OCXO in genere hanno prestazioni più elevate per altri importanti parametri dell'oscillatore, tra cui rumore di fase, jitter e stabilità a lungo termine (invecchiamento).

Lo scopo principale dell'MCXO è ottenere le prestazioni dell'OCXO ma con un consumo energetico molto inferiore e un riscaldamento molto più rapido (il tempo impiegato da un oscillatore per raggiungere la stabilità richiesta dopo l'accensione). Il metodo apparentemente semplice utilizzato dall'MCXO per farlo è quello di far funzionare il risonatore a cristallo di quarzo a due frequenze diverse contemporaneamente.

In questo modo e manipolando i dati così creati, il cristallo MCXO diventa un termometro auto-rilevante; cioè, il cristallo essenzialmente ci dice esattamente qual è la sua temperatura in un dato momento e con un altissimo grado di precisione, consentendo così una compensazione della frequenza più precisa rispetto a un TCXO. Inoltre utilizza molta meno energia di un OCXO.

Uno dei motivi principali della superiorità della compensazione della temperatura dell'MCXO è che l'autotermometria del risonatore a cristallo di quarzo elimina la necessità di un termometro separato.

Ogni TCXO e OCXO richiede un sensore di temperatura separato per monitorare con precisione la temperatura del risonatore in cristallo di quarzo. Nel caso dell'OCXO, è necessario conoscere la temperatura del cristallo per poter correggere continuamente tale temperatura alla temperatura del forno desiderata. Nel caso del TCXO, conoscere la temperatura del cristallo consente al circuito di compensazione di calcolare l'esatta correzione necessaria a causa delle variazioni di frequenza-temperatura. La difficoltà è che il sensore di temperatura non può essere montato sul vero risonatore di cristallo a causa del carico di massa e degli effetti di contaminazione, ma deve invece essere montato all'esterno della confezione ermeticamente sigillata del cristallo e, a causa dello sfasamento termico, il termometro non si essere effettivamente alla temperatura esatta del risonatore di cristallo.