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Jan 25, 2024

Der mikrocomputerkompensierte Quarzoszillator ist endlich bereit für den Weltraum

Seit den 1990er Jahren gibt es den mikrocomputerkompensierten Quarzoszillator (MCXO).

Seit den 1990er Jahren wird der mikrocomputerkompensierte Quarzoszillator (MCXO) in vielen Anwendungen eingesetzt, darunter in der militärischen und kommerziellen Avionik, in der bodengestützten Elektronik sowie bei der Unterwasserölexploration. Diese kleineren, leichteren Geräte mit geringerem Stromverbrauch können häufig sperrigere und stromverbrauchendere ofengesteuerte Quarzoszillatoren (OCXOs) ersetzen und bieten gleichzeitig eine vergleichbare Stabilität über einen weiten Betriebstemperaturbereich. Aber der heilige Gral der MCXO-Anwendungen ist der Einsatz im Weltraum. Fast jeder Satellit verwendet mindestens einen OCXO für präzises Timing, trotz der großen Nachteile seines hohen Stromverbrauchs und seiner Größe. Das Hindernis für den MCXO besteht darin, dass er mehrere digitale Geräte verwendet, deren Beschaffung als weltraumgeeignete, strahlungsharte Komponenten schwierig war. Bis jetzt.

In diesem Artikel werden Quarzoszillatortypen verglichen und der erste MCXO vorgestellt, der cleveres technisches Design mit strahlungsbeständigen digitalen Komponenten kombiniert, um sich für NewSpace-Anwendungen zu qualifizieren (Abbildung 1).

Alle in Abbildung 2 dargestellten Quarzoszillatoren basieren auf den sehr stabilen Frequenzschwingungen eines piezoelektrischen Quarzkristallresonators.

Normalerweise werden die Kristalle und die dazugehörigen Schaltkreise sorgfältig entworfen und gefertigt, sodass der Quarzkristall nur mit der gewünschten Resonanzfrequenz schwingt. Ein eigenständiger Quarzoszillator kann über den weiten militärischen Temperaturbereich von -55 bis +125 °C eine Frequenzstabilität von weniger als ±50 ppm aufrechterhalten, was für die meisten Elektronikanwendungen ausreichend ist.

Wenn eine strenger kontrollierte Stabilität über die Temperatur erforderlich ist, fügt ein temperaturkompensierter Quarzoszillator oder TCXO eine Kompensationsschaltung hinzu, um die Temperaturschwankung der Quarzfrequenz zu korrigieren, und kann so etwa ±1 PPM erreichen.

Wenn noch mehr Stabilität erforderlich ist, nutzt ein ofengesteuerter Quarzoszillator diese Technik, um den Kristall in einen sehr präzisen, proportional gesteuerten Ofen zu legen, der eine um etwa drei Größenordnungen bessere Frequenzstabilität über die Temperatur erreichen kann; Allerdings ist der OCXO mit viel mehr Größe, Gewicht und Stromverbrauch verbunden. Ein typischer OCXO verbraucht mindestens einige Watt Strom, während der Stromverbrauch von XOs (einfache Quarzoszillatoren) und TCXOs in Milliwatt gemessen wird. Außerdem weisen OCXOs in der Regel eine höhere Leistung bei anderen wichtigen Oszillatorparametern auf, darunter Phasenrauschen, Jitter und Langzeitstabilität (Alterung).

Der Antriebszweck des MCXO besteht darin, die Leistung des OCXO zu erreichen, jedoch mit viel geringerem Stromverbrauch und viel schnellerer Aufwärmzeit (die Zeit, die ein Oszillator benötigt, um nach dem Einschalten seine erforderliche Stabilität zu erreichen). Die täuschend einfache Methode, die der MCXO dazu verwendet, besteht darin, den Quarzkristallresonator gleichzeitig mit zwei verschiedenen Frequenzen zu betreiben.

Dadurch und durch die Manipulation der so erzeugten Daten wird der MCXO-Kristall zu einem selbsterkennenden Thermometer; Das heißt, der Kristall sagt uns im Wesentlichen genau, wie hoch seine Temperatur zu einem bestimmten Zeitpunkt ist, und das mit einem sehr hohen Maß an Präzision, wodurch die Frequenz präziser kompensiert werden kann als bei einem TCXO. Es verbraucht auch viel weniger Strom als ein OCXO.

Einer der Hauptgründe für die Überlegenheit der Temperaturkompensation des MCXO besteht darin, dass die Eigenthermometrie des Quarzkristallresonators die Notwendigkeit eines separaten Thermometers überflüssig macht.

Jeder TCXO und OCXO benötigt einen separaten Temperatursensor, um die Temperatur des Quarzkristallresonators präzise zu überwachen. Beim OCXO muss man die Kristalltemperatur kennen, um diese Temperatur kontinuierlich auf die gewünschte Ofentemperatur zu korrigieren. Im Fall des TCXO ermöglicht die Kenntnis der Kristalltemperatur der Kompensationsschaltung, die genaue Korrektur zu berechnen, die aufgrund von Frequenz-Temperaturschwankungen erforderlich ist. Die Schwierigkeit besteht darin, dass der Temperatursensor aufgrund von Massenbelastung und Kontaminationseffekten nicht am eigentlichen Kristallresonator montiert werden kann, sondern stattdessen an der Außenseite des hermetisch abgeschlossenen Gehäuses des Kristalls montiert werden muss und das Thermometer aufgrund der thermischen Zeitverzögerung niemals montiert werden kann tatsächlich die exakte Temperatur des Kristallresonators haben.

Der MCXO beseitigt dieses Problem, da der Kristall seine eigene tatsächliche Temperatur in Echtzeit meldet. Wie macht der Kristall das? Indem der MCXO-Kristall gleichzeitig mit zwei verschiedenen Frequenzen vibriert. Jeder piezoelektrische Kristall kann in vielen verschiedenen Modi schwingen, jeder mit seiner eigenen Frequenz.

Ein wichtiger Punkt beim Design eines Kristalls besteht darin, ihn dazu zu bringen, in einem bestimmten Modus zu schwingen. Beim MCXO-Kristall ist der Kristall jedoch so konzipiert, dass er in zwei Modi gleichzeitig schwingt. Einer davon ist der Grundmodus eines SC-Schliffkristalls – ein ganz besonderer, doppelt gedrehter Schliff in Bezug auf die sechseckigen Quarzkristallachsen, der den Kristallen hervorragende Eigenschaften verleiht Temperaturstabilität. Der zweite Schwingungsmodus liegt im dritten Oberton des Kristalls. Die in Präzisionsoszillatoren verwendeten Kristalle können in einem Grundmodus schwingen, bei dem die Frequenz proportional zur Dicke des Quarzrohlings ist, oder in einem beliebigen ungeraden Oberton.

In diesem Fall wird der Oberton der dritten Harmonische verwendet, die Frequenz des dritten Obertons beträgt jedoch nicht genau das Dreifache der Grundmode, sondern liegt sehr nahe bei 2,999. Dieses Verhältnis variiert tatsächlich geringfügig mit der Temperatur, und dieses Verhältnis der Grundmodenfrequenz zur Frequenz des dritten Obertons ist zu jedem Zeitpunkt der genaueste Indikator für die genaue Temperatur des Kristalls. All dies wird für jeden MCXO-Kristall sehr sorgfältig charakterisiert und gespeichert und dann in Echtzeit verwendet, um die genaue Temperatur basierend auf dem Verhältnis der beiden Frequenzen zu jedem Zeitpunkt zu berechnen.

Das Ergebnis ist, dass der MCXO ungefähr die gleiche Leistung wie ein guter OCXO liefern kann, jedoch mit einer Leistung von weniger als 100 Milliwatt im Vergleich zu den drei bis fünf Watt eines OCXO. Die typische Aufwärmzeit eines OCXO beträgt mehr als 10 Minuten im Vergleich zu weniger als einer Minute beim MCXO. Mit anderen Worten: Der MCXO kann einen um mehr als eine Größenordnung geringeren Stromverbrauch und eine schnellere Aufwärmzeit als der OCXO bieten. Dies ist für einige Anwendungen revolutionär.

Bei der Entwicklung von MCXOs in den frühen 2000er Jahren waren die benötigten Weltraum- und Rad-Hard-Level-Digitalkomponenten sehr teuer, was bedeutete, dass ein MCXO-Space-Level-Produkt für jeweils Hunderttausende Dollar verkauft werden würde.

Zu Beginn der Ära der Mega-Satellitenkonstellationen, bekannt als Low-Earth-Orbit (LEO) oder New Space, wurde es möglich, Mikrocontroller und andere digitale Geräte zu finden, die strahlungstolerant und up-screeningfähig waren. Die Verwendung dieser digitalen Komponenten floss in den 2021 veröffentlichten QT2020 MCXO (Abbildung 3) ein, der nun vollständig für den Einsatz in LEO New Space-Anwendungen qualifiziert ist.

Der QT2020 MCXO wurde mit dem Ziel entwickelt, in Satelliten und anderen Weltraumanwendungen eingesetzt zu werden, wobei ausschließlich strahlungstolerante Komponenten verwendet werden. Die Produktserie ist mit 10, 20, 30, 40, 50, 60 oder 80 MHz erhältlich, mit einer Stabilität von nur ±10 PPB in einem 2 x 1 x 1,33 Zoll großen Gehäuse. Und es bietet die hohe Leistung eines OCXO, jedoch mit einem Stromverbrauch von weniger als 90 mW.

Der QT2020 MCXO ist mittlerweile ein Standardprodukt, das problemlos und zu vertretbaren Kosten beschafft werden kann. Die Preise variieren je nach Stabilität und anderen Optionen. Beispielsweise kann eine vollständige, vollständig RAD-Hardversion entwickelt werden, wenn die Anwendung einen höheren Preis unterstützt.

Der QT2020 MCXO wurde ohne Probleme auf TID bis zu 50 kRAD getestet, und der aktuelle Verbrauch blieb mit steigender Strahlungsdosis „felsenstabil“, was optimistisch ist, dass die Ergebnisse bei Einzelereignissen gut sein werden. Derzeit werden Einzeltests durchgeführt.

Abbildung 4 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm des QT2020 MCXO. Die Signale des Dual-Mode-Oszillators werden nach der Normalisierung durch einen Frequenzteiler heruntergemischt, um eine Schwebungsfrequenz zu erzeugen. Die Schwebungsfrequenz ist ein Unterschied zwischen den beiden Oszillatormodi und repräsentiert die Kristalltemperatur. Es speist den Mikrocontroller-Zähler, um einen digitalen Temperaturwert „N1“ zu generieren. Daten für N1 werden gesammelt und im Speicher des Mikrocontrollers gespeichert. Für jedes N1 liefert eine Polynomberechnung einen Korrekturkoeffizienten „N2“. Ein 10-MHz-VCXO liefert das Signal an einen der Mikrocontroller-Zähler, um es mit dem Fo-Signal zu vergleichen. Hier wird die N2-Korrektur angewendet. Ein Digital-Analog-Wandler legt eine Steuerspannung an den VCXO an, um ihn auf der Zielfrequenz zu halten.

Das Diagramm in Abbildung 5 zeigt, wie der Dual-Mode-SC-Schliffkristall als selbsterkennendes Thermometer funktioniert. Die gestrichelte gekrümmte Linie ist die Frequenz-Temperatur-Kurve für den Grundmodus des Kristalls, und die durchgehende gekrümmte Linie ist die Frequenz-Temperatur-Kurve für den dritten Oberton des Kristalls. Wenn der Oszillator bei einer bestimmten Temperatur gemessen wird, wird der Messwert für den dritten Oberton (geteilt durch 10) durch den Messwert für den Grundton dividiert. Das resultierende Verhältnis wird Schwebungsfrequenz genannt und fällt auf die gerade Linie. Dies zeigt genau, welche Temperatur der Kristall zu diesem Zeitpunkt hat, da der betreffende Kristall genau dadurch charakterisiert wurde, wie sich seine Schwebungsfrequenz linear mit der Temperatur ändert.

Die wichtigsten Leistungsmerkmale des QT2020 MCXO zeigen, dass er hinsichtlich Größe, Gewicht, Stromverbrauch und Aufwärmzeit erheblich besser ist als jeder OCXO und hinsichtlich der Frequenzstabilität erheblich besser ist als jeder TCXO.

Der QT2020 MCXO füllt eine Nische mit viel besserer Stabilität als der beste TCXO und bietet die gleiche Stabilität und Geräuschentwicklung wie typische OCXOs. Außerdem zeichnet es sich durch einen äußerst geringen Stromverbrauch, eine geringe Größe, eine schnelle Aufwärmphase aus und ist vollständig zertifiziert und für einen TID von bis zu 50 kRAD ausgelegt. Die Zeit wird es zeigen, aber dieser strahlengehärtete MCXO verspricht eine revolutionäre, bahnbrechende Technologie zu werden. Viele Satellitenhersteller geben bereits Bestellungen auf, evaluieren das Produkt und planen, den QT2020 MCXO in spannenden New-Space-Anwendungen einzusetzen.

Alle verwendeten Bilder mit freundlicher Genehmigung von Q-Tech

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