Un horno de cristal es una cámara de temperatura controlada que se utiliza para mantener el cristal de cuarzo en los osciladores de cristal electrónicos a una temperatura constante, con el fin de evitar cambios en la frecuencia debidos a variaciones en la temperatura ambiente. Un oscilador de este tipo se conoce como oscilador de cristal controlado por horno ( OCXO , donde "XO" es una antigua abreviatura de "oscilador de cristal"). Este tipo de oscilador logra la mayor estabilidad de frecuencia posible con un cristal. Por lo general, se utilizan para controlar la frecuencia de transmisores de radio , estaciones base celulares, equipos de comunicaciones militares y para la medición de frecuencia de precisión.
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Descripción
Los cristales de cuarzo se utilizan ampliamente en osciladores electrónicos para controlar con precisión la frecuencia producida. La frecuencia a la que vibra un resonador de cristal de cuarzo depende de sus dimensiones físicas. Un cambio de temperatura hace que el cuarzo se expanda o contraiga debido a la expansión térmica , cambiando la frecuencia de la señal producida por el oscilador. Aunque el cuarzo tiene un coeficiente de expansión térmica muy bajo , los cambios de temperatura siguen siendo la principal causa de variación de frecuencia en los osciladores de cristal.
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El horno es un recinto aislado térmicamente que contiene el cristal y uno o más elementos calefactores eléctricos . Dado que otros componentes electrónicos en el circuito también son vulnerables a la variación de temperatura, generalmente todo el circuito del oscilador está encerrado en el horno. Se utiliza un sensor de temperatura de termistor en un circuito de control de circuito cerrado para controlar la energía al calentador y garantizar que el horno se mantenga a la temperatura precisa deseada. Debido a que el horno funciona por encima de la temperatura ambiente, el oscilador generalmente requiere un período de calentamiento después de que se haya aplicado energía para alcanzar su temperatura de funcionamiento. [1] Durante este período de calentamiento, la frecuencia no tendrá la estabilidad nominal completa.
La temperatura seleccionada para el horno es aquella a la que la pendiente de la curva de frecuencia frente a temperatura del cristal es cero, lo que mejora aún más la estabilidad. Se utilizan cristales de corte AT o SC (estrés compensado). El corte SC tiene un rango de temperatura más amplio sobre el cual se logra un coeficiente de temperatura cercano a cero y, por lo tanto, reduce el tiempo de calentamiento. [2] Los transistores de potencia se utilizan generalmente para los calentadores en lugar de los elementos de calentamiento de resistencia . Su potencia de salida es proporcional a la corriente, en lugar del cuadrado de la corriente, lo que linealiza la ganancia del bucle de control. [2]
Una temperatura común para un cristal de horno es 75 ° C . [3] pero puede variar entre 30 y 80 ° C según la configuración. [4]
La mayoría de los cristales comerciales estándar se especifican a una temperatura ambiente de 0 a 70 ° C , las versiones industriales se suelen especificar a -40 hasta 85 ° C . [5]
Precisión
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Debido a la energía requerida para hacer funcionar el calentador, los OCXO requieren más energía que los osciladores que funcionan a temperatura ambiente, y el requisito del calentador, la masa térmica y el aislamiento térmico significa que son físicamente más grandes. Por lo tanto, no se utilizan en aplicaciones que funcionan con baterías o en miniatura, como relojes . Sin embargo, a cambio, el oscilador controlado por horno logra la mejor estabilidad de frecuencia posible de un cristal. La estabilidad de frecuencia a corto plazo de los OCXO es típicamente 1 × 10 −12 durante unos pocos segundos, mientras que la estabilidad a largo plazo se limita a alrededor de 1 × 10 −8 (10 ppb) por año debido al envejecimiento del cristal. [1] Lograr una mejor precisión requiere cambiar a un estándar de frecuencia atómica , como un estándar de rubidio , estándar de cesio o máser de hidrógeno . Otra alternativa más barata es disciplinar un oscilador de cristal con una señal de tiempo GPS , creando un oscilador disciplinado por GPS ( GPSDO ). El uso de un receptor GPS que puede generar señales de tiempo precisas (hasta dentro de ~ 30 ns de UTC ), un GPSDO puede mantener la precisión de oscilación de 10 -13 por períodos prolongados de tiempo.
Los hornos de cristal también se utilizan en óptica. En los cristales utilizados para óptica no lineal , la frecuencia también es sensible a la temperatura y, por lo tanto, requieren estabilización de temperatura, especialmente cuando el rayo láser calienta el cristal. Además, a menudo se emplea una resintonización rápida del cristal. Para esta aplicación, el cristal y el termistor deben estar en contacto muy estrecho y ambos deben tener una capacidad calorífica lo más baja posible. Para no romper el cristal, se deben evitar grandes variaciones de temperatura en cortos tiempos.
Comparación con otros estándares de frecuencia
Tipo de oscilador * | Precisión ** | Crianza / 10 años | Radiación por RAD | Energía | Peso (gramos) |
---|---|---|---|---|---|
Oscilador de cristal (XO) [6] | 10 −5 a 10 −4 | 10 ... 20 PPM | -2 × 10 −12 | 20 µW | 20 |
Oscilador de cristal con compensación de temperatura (TCXO) [6] | 10 −6 | 2 ... 5 PPM | -2 × 10 −12 | 100 µW | 50 |
Oscilador de cristal compensado por microordenador (MCXO) [6] | 10 −8 a 10 −7 | 1 ... 3 PPM | -2 × 10 −12 | 200 µW | 100 |
Oscilador de cristal controlado por horno (OCXO) [6] - 5 ... 10 MHz - 15 ... 100 MHz | 2 × 10 −8 5 × 10 −7 | 2 × 10 −8 a 2 × 10 −7 2 × 10 −6 a 11 × 10 −9 | -2 × 10 −12 | 1 ... 3 W | 200 ... 500 |
Estándar de frecuencia atómica de rubidio (RbXO) [6] | 10 −9 | 5 × 10 −10 a 5 × 10 −9 | 2 × 10 −13 | 6 ... 12 W | 1500 ... 2500 |
Estándar de frecuencia atómica de cesio [6] | 10 −12 a 10 −11 | 10 −12 a 10 −11 | 2 × 10 −14 | 25 ... 40 W | 10000 ... 20000 |
Sistema de posicionamiento global (GPS) | 4 × 10 −8 a 10 −11 [7] [8] | 10 −13 | 4 W | 340 | |
Señal horaria de radio ( DCF77 ) | 4 × 10 −13 [9] | 4,6 W [10] | 87 [11] |
* Los tamaños van desde <5 cm 3 para osciladores de reloj hasta> 30 litros para estándares Cs . Los costos oscilan entre <5 dólares estadounidenses para los osciladores de reloj y > 40000 dólares estadounidenses para los estándares Cs.
** Incluidos los efectos del entorno militar y un año de envejecimiento.
Referencias
- ^ a b "OCXO" . Glosario . División de tiempo y frecuencia, NIST. 2008. Archivado desde el original el 15 de septiembre de 2008 . Consultado el 7 de agosto de 2008 .
- ^ a b Marvin E., Frerking (1996). "Cincuenta años de progreso en estándares de frecuencia de cristal de cuarzo" . Proc. 1996 Simposio de control de frecuencia IEEE . Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos. págs. 33–46. Archivado desde el original el 12 de mayo de 2009 . Consultado el 31 de marzo de 2009 .
- ^ "Controlador de temperatura para horno de cristal" . freecircuitdiagram.com . Diagrama de circuito libre . Consultado el 17 de noviembre de 2009 .
- ^ "EKSMA OPTICS - fabricante de componentes láser - Horno para Cristales No Lineales TK7" . eksmaoptics.com . Archivado desde el original el 18 de junio de 2012 . Consultado el 17 de noviembre de 2009 .
- ^ "Oscilador comercial IQXO-350, -350I" (PDF) . surplectronics.com . Consultado el 18 de noviembre de 2009 .
- ^ a b c d e f "Tutorial de generación de frecuencia de precisión utilizando OCXO y estándares atómicos de rubidio con aplicaciones para entornos comerciales, espaciales, militares y desafiantes IEEE Capítulo de Long Island 18 de marzo de 2004" (PDF) . ieee.li . Consultado el 16 de noviembre de 2009 .
- ^ "Tiempo y frecuencia: exactamente como lo necesita" (PDF) . espectroinstruments.net . Consultado el 18 de noviembre de 2009 .
- ^ "Receptor de referencia de frecuencia y hora GPS" (PDF) . leapsecond.com . Consultado el 18 de noviembre de 2009 .
- ^ "XXIX Convención URSI / IEEE sobre radiociencia, Espoo, Finlandia, 1-2 de noviembre de 2004" (PDF) . vtt.fi . Consultado el 18 de noviembre de 2009 .
- ^ "Radio reloj serie DCF77 Meinberg C51" . meinberg.de . Consultado el 18 de noviembre de 2009 .
- ^ "ETH - IfE-Wearable Computing - Sensor de movimiento de bolsillo en miniatura con reloj DCF77" . wearable.ethz.ch . Archivado desde el original el 6 de julio de 2011 . Consultado el 18 de noviembre de 2009 .
enlaces externos
- Marvin E., Frerking (1996). "Cincuenta años de progreso en estándares de frecuencia de cristal de cuarzo" . Proc. 1996 Simposio de control de frecuencia IEEE . Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos. págs. 33–46. Archivado desde el original el 12 de mayo de 2009 . Consultado el 31 de marzo de 2009 .
- febo.com - Estabilidad y precisión de frecuencia en el mundo real