Современная электроника №5/2022

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 37 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2022 – операция усреднения по вре- мени. То есть девиация Аллана опреде- ляется бесконечным усреднением разности двух соседних отсчётов частоты, отстающих друг от друга на время τ . Понятно, что при практиче- ском применении берётся некото- рое конечное число таких усредне- ний. Обычно для надёжной оценки необходимо провести усреднение, по крайней мере, 100 раз. При этом мож- но переписать формулу для её исполь- зования уже с конечным количеством усреднений: , где M – количество усреднений. Если провести расчёт девиации Алла- на для данных, представленных на рис. 2, при разных временах наблю- дения, то можно получить следующий график, на котором по оси Х отложено время наблюдения ( τ ). Можно обратить внимание, что гра- фик изменения частоты на рис. 3 имеет постоянный наклон. Этот наклон появ- ляется вследствие старения кварцевого резонатора. На графике девиации Алла- на (рис. 4) он проявляется увеличени- ем значения с ростом времени усредне- ния. Старение резонатора может начать сказываться на результатах оценки даже при малых временах усреднения (10 секунд и даже чуть меньше), в осо- бенности если генератор был выклю- чен долгое время. Если представить стабильности раз- ных типов генераторов на одном гра- фике, то можно получить картину, представленную на рис. 5. Можно видеть, что на коротких вре- менах наблюдения стабильность пре- цизионных кварцевых генераторов превышает стабильность рубидиевых и цезиевых генераторов и находится на одном уровне с водородными стандар- тами частоты. С увеличением времени стабильность кварцевых генераторов ухудшается из-за старения кварцево- го резонатора. Конечно, представлен- ный на рис. 5 диапазон стабильностей для кварцевых генераторов относится только к одному из их самых стабиль- ных типов – термостатированному кварцевому генератору. Стабильность частоты кварцево- го генератора напрямую зависит от качества кварцевого резонатора, тех- нологии его изготовления, конструк- тивных решений. Оценивать качество изготовления кварцевого резонатора и его влияние на стабильность часто- ты можно в основном только стати- стически – изготавливая опытные партии генераторов и измеряя их параметры. Это довольно трудный и долгий процесс. Конечно, чтобы реализовать все возможности резонатора при проек- тировании кварцевого генератора, должны быть учтены многие нюан- сы. Мы можем сказать, что у нас есть целая линейка прецизионных кварце- вых генераторов, в которых применя- ются однотипные резонаторы, но при этом их кратковременная стабильность лежит в диапазоне от нескольких еди- ниц 10 –12 (ГК199) до 8·10 –14 (ГК336R). Для обеспечения высокой кратковре- менной стабильности крайне важно: ● максимально устранить влияние из- менения температуры окружающей среды; ● обеспечить чистое питание цепей ге- нератора и особенно цепи варикапа; ● использовать элементную базу с крайне низкими собственными шу- мами. На первом пункте остановимся чуть более подробно. Чтобы уменьшить тем- пературную нестабильность в прецизи- онных кварцевых генераторах приме- няется термостатирование. Кварцевый резонаторивсечувствительные кизмене- ниютемпературыэлементыпомещаются внутрь термостата, в которомподдержи- вается постоянная температура (рис. 6). Температура внутри термостата уста- навливается несколько выше (обычно на 5–15 о С) верхней рабочей темпера- туры эксплуатации генератора. Такая конструкция позволяет получить тем- Рис. 3. График относительного изменения частоты кварцевого генератора с временем счёта 0,1 с Рис. 5. Стабильность для разных типов генераторов: кварцевых, рубидиевых, цезиевых, водородных Рис. 4. График девиации Аллана