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Jan 25, 2024

マイコン補償水晶発振器がついに宇宙への準備が整う

Dagli anni '90, gli oscillatori a cristallo compensati da microcomputer (MCXO)

1990 年代以来、マイクロコンピューター補償水晶発振器 (MCXO) は、軍用および商業用航空電子機器、地上のエレクトロニクス、海底石油探査など、多くの用途に使用されてきました。 これらの小型、軽量、低電力デバイスは、多くの場合、大型で電力を消費するオーブン制御水晶発振器 (OCXO) を置き換えることができると同時に、幅広い動作温度にわたって同等の安定性を提供します。 しかし、MCXO アプリケーションの聖杯は宇宙で使用することです。 ほとんどすべての衛星は、消費電力が高くサイズが大きいという大きな欠点があるにもかかわらず、正確なタイミングを実現するために少なくとも 1 つの OCXO を採用しています。 MCXO にとっての障害は、宇宙認定の耐放射線コンポーネントとしての調達が困難ないくつかのデジタル デバイスを使用していることです。 今まで。

この記事では、水晶発振器のタイプを比較し、NewSpace アプリケーションに適格な、優れたエンジニアリング設計と耐放射線デジタル コンポーネントを組み合わせた最初の MCXO を紹介します (図 1)。

図 2 に示すすべての水晶発振器は、圧電水晶共振子の非常に安定した周波数振動に基づいています。

通常、水晶振動子とその関連回路は、水晶振動子が 1 つの所望の共振周波数でのみ振動するように慎重に設計され、作られています。 スタンドアロンの水晶発振器は、-55 ～ +125℃ の広い軍用温度範囲にわたって ±50 ppm 未満の周波数安定性を維持できます。これは、ほとんどのエレクトロニクス アプリケーションには十分です。

温度に対する安定性をより厳密に制御する必要がある場合は、温度補償水晶発振器 (TCXO) に補償回路を追加して水晶周波数の温度変動を補正し、約 ±1 PPM を達成できます。

さらに安定性が必要な場合、オーブン制御水晶発振器は、非常に正確に比例制御されたオーブン内に水晶を入れる技術を使用します。これにより、温度に対する周波数安定性が約 3 桁向上します。 ただし、OCXO はサイズ、重量、消費電力が大幅に増加します。 一般的な OCXO は少なくとも数ワットの電力を消費しますが、XO (単純な水晶発振器) と TCXO の消費電力はミリワット単位で測定されます。 また、OCXO は通常、位相ノイズ、ジッター、長期安定性 (経年変化) など、他の重要な発振器パラメーターに対してより高いパフォーマンスを備えています。

MCXO の駆動目的は、OCXO のパフォーマンスを達成しながら、消費電力を大幅に削減し、ウォームアップ (発振器がターンオン後に必要な安定性に達するまでにかかる時間) を大幅に高速化することです。 MCXO がこれを行うために使用する一見単純な方法は、水晶振動子を 2 つの異なる周波数で同時に動作させることです。

これを実行し、作成されたデータを操作することにより、MCXO クリスタルは自己感知温度計になります。 つまり、水晶は基本的に、その瞬間の温度を非常に高い精度で正確に知らせるため、TCXO よりも周波数をより正確に補償できるようになります。 また、消費電力も OCXO よりもはるかに少なくなります。

MCXO の温度補償が優れている主な理由の 1 つは、水晶振動子の自己温度測定により、別個の温度計が必要ないことです。

すべての TCX​​O および OCXO には、水晶振動子の温度を正確に監視するために個別の温度センサーが必要です。 OCXO の場合、結晶温度を所望のオーブン温度に継続的に補正するには、結晶温度を知る必要があります。 TCXO の場合、水晶の温度がわかれば、補償回路は周波数と温度の変動によって必要となる正確な補正を計算できます。 問題は、質量負荷と汚染の影響のため、温度センサーを実際の水晶振動子に取り付けることができず、その代わりに水晶の密閉パッケージの外側に取り付ける必要があり、熱タイムラグのため、温度計が決して作動しないことです。実際には水晶発振子の温度と同じになります。

MCXO では、クリスタルが自身の実際の温度をリアルタイムで報告するため、この問題は解決されます。 クリスタルはどのようにしてこれを行うのでしょうか？ MCXO クリスタルを 2 つの異なる周波数で同時に振動させることによって。 すべての圧電結晶は、それぞれ独自の周波数を持つさまざまなモードで発振できます。

水晶の設計の重要な点は、ある特定のモードで発振することを優先させることです。 しかし、MCXO クリスタルでは、クリスタルは 2 つのモードで同時に発振するように設計されています。1 つは SC カットクリスタルの基本モードです。これは、クリスタルに優れた特性を与える、六角形のクォーツクリスタル軸に対して非常に特殊な二重回転カットです。温度の安定性。 2 番目の振動モードはクリスタルの 3 倍音にあります。 精密発振器で使用される水晶は、周波数が水晶ブランクの厚さに比例する基本モード、または任意の奇数倍音で振動します。

この場合、3 次高調波が使用されますが、3 次高調波の周波数は基本モードのちょうど 3 倍ではなく、2.999 に非常に近くなります。 この比率は実際には温度によって微妙に変化し、基本モード周波数と 3 次倍音周波数の比率は、いつでもクリスタルの正確な温度を示す最も正確な指標となります。 これらすべては非常に慎重に特性評価され、MCXO クリスタルごとに保存され、リアルタイムで使用されて、いつでも 2 つの周波数の比に基づいて正確な温度が計算されます。

その結果、MCXO は、優れた OCXO とほぼ同じパフォーマンスを発揮するように作成できますが、出力は OCXO の 3 ～ 5 ワットと比較して 100 ミリワット未満です。 OCXO の標準的なウォームアップ時間は 10 分以上ですが、MCXO の場合は 1 分未満です。 言い換えれば、MCXO は OCXO よりも 1 桁以上低い消費電力とより速いウォームアップ時間を提供できます。 これは、一部のアプリケーションにとっては革命的です。

2000 年代初頭に MCXO を開発したとき、必要な宇宙レベルおよび放射線ハードレベルのデジタル コンポーネントは非常に高価でした。つまり、MCXO 宇宙レベルの製品は、それぞれ数十万ドルで販売されることになります。

地球低軌道 (LEO) またはニュー スペースとして知られる巨大衛星群の時代の幕開けに、耐放射線性とアップスクリーニング可能なマイクロコントローラーやその他のデジタル デバイスを見つけることができるようになりました。 これらのデジタル コンポーネントは、2021 年にリリースされた QT2020 MCXO (図 3) に使用され、現在、LEO New Space アプリケーションでの使用が完全に認定されています。

QT2020 MCXO は、耐放射線性コンポーネントのみを使用し、衛星やその他の宇宙用途での使用を目的として設計されました。 この製品シリーズは、2 インチ x 1 インチ x 1.33 インチのパッケージで、±10 PPB という低い安定性を備え、10、20、30、40、50、60、または 80 MHz で入手可能です。 また、OCXO の高性能を備えながら、消費電力は 90mW 未満です。

QT2020 MCXO は、手頃な価格で容易に調達できる標準製品になりました。 価格は安定性やその他のオプションによって異なります。 たとえば、アプリケーションがより高い価格をサポートする場合は、完全な TotalRAD ハード バージョンを開発できます。

QT2020 MCXO は、最大 50 kRAD の TID でテストされましたが、問題は発生しませんでした。また、放射線量が増加しても現在の消費レベルは「安定」しており、単一イベントの結果は良好であるという楽観的な見方ができています。 現在、単一イベントのテストが準備されています。

図 4 に、QT2020 MCXO の簡略化したブロック図を示します。 デュアルモード発振器からの信号は、分周器によって正規化された後、ミックスダウンされてビート周波数を生成します。 ビート周波数は 2 つの発振器モードの差であり、水晶温度を表します。 マイクロコントローラーのカウンターに信号を送り、デジタル温度読み取り値「N1」を生成します。 N1 のデータは収集され、マイクロコントローラーのメモリに保存されます。 各 N1 について、多項式計算により補正係数「N2」が得られます。 10MHz VCXO は信号をマイクロコントローラーのカウンターの 1 つに提供し、Fo 信号と比較します。 ここでN2補正が適用されます。 デジタル - アナログ コンバータは、VCXO を目標周波数に保つために制御電圧を VCXO に適用します。

図 5 のチャートは、デュアルモード SC カット水晶が自己感知温度計としてどのように機能するかを示しています。 破線の曲線は水晶の基本モードの周波数対温度曲線であり、実線の曲線は水晶の 3 次倍音の周波数対温度曲線です。 発振器を任意の温度で測定すると、3 番目の倍音の測定値 (10 で割った) が基本波の測定値で除算され、得られた比はビート周波数と呼ばれ、直線上に収まります。 問題の特定の水晶は、そのビート周波数が温度に対して線形にどのように変化するかについて正確に特徴付けられているため、これはその時の水晶の温度を正確に示します。

QT2020 MCXO の主な性能特性は、サイズ、重量、消費電力、ウォームアップ時間の点でどの OCXO よりも大幅に優れており、周波数安定性の点でもどの TCX​​O よりもかなり優れていることを示しています。

QT2020 MCXO は、最高の TCX​​O よりもはるかに優れた安定性でニッチ市場を満たし、一般的な OCXO と同等の安定性とノイズを提供します。 また、消費電力が非常に低く、サイズが小さく、ウォームアップが速く、完全に認定されており、最大 50 kRADs TID の定格を備えています。 時間が経てばわかりますが、この耐放射線性の高い MCXO は、革新的な実現テクノロジーになることが約束されています。 すでに多くの衛星メーカーが発注し、製品を評価し、エキサイティングな新宇宙用途で QT2020 MCXO を飛行させることを計画しています。

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