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Jan 25, 2024

L'oscillateur à cristal compensé par micro-ordinateur est enfin prêt pour l'espace

Depuis les années 1990, l'oscillateur à cristal compensé par micro-ordinateur, ou MCXO, a

Depuis les années 1990, l'oscillateur à cristal compensé par micro-ordinateur, ou MCXO, a été utilisé dans de nombreuses applications, notamment l'avionique militaire et commerciale, l'électronique au sol, ainsi que l'exploration pétrolière sous-marine. Ces dispositifs plus petits, plus légers et de faible puissance peuvent souvent remplacer les oscillateurs à cristal contrôlés par four (OCXO) plus volumineux et énergivores, tout en offrant une stabilité comparable sur une large plage de températures de fonctionnement. Mais le Saint Graal des applications MCXO est pour une utilisation dans l'espace. Presque tous les satellites utilisent au moins un OCXO pour la synchronisation de précision, malgré les gros inconvénients de leur consommation d'énergie élevée et de leur grande taille. L'obstacle pour le MCXO est qu'il utilise plusieurs appareils numériques qu'il a été difficile de se procurer en tant que composants rad-hard qualifiés pour l'espace. Jusqu'ici.

Cet article compare les types d'oscillateurs à cristal et présente le premier MCXO qui combine une conception technique intelligente avec des composants numériques durcis aux rads pour se qualifier pour les applications NewSpace (Figure 1).

Tous les oscillateurs à cristal, illustrés à la figure 2, sont basés sur les vibrations de fréquence très stables d'un résonateur à cristal de quartz piézoélectrique.

Habituellement, les cristaux et leurs circuits associés sont soigneusement conçus et fabriqués de sorte que le cristal de quartz vibre uniquement à la fréquence de résonance souhaitée. Un oscillateur à cristal autonome peut maintenir une stabilité de fréquence inférieure à ± 50 ppm sur la large plage de températures militaires de -55 à + 125 ℃, ce qui est suffisant pour la plupart des applications électroniques.

Si une stabilité plus étroitement contrôlée en fonction de la température est nécessaire, un oscillateur à cristal compensé en température, ou TCXO, ajoute un circuit de compensation pour corriger la variation de température de la fréquence du cristal et peut ainsi atteindre environ ± 1 PPM.

Si encore plus de stabilité est nécessaire, un oscillateur à cristal commandé par le four utilise la technique pour placer le cristal à l'intérieur d'un four à commande proportionnelle très précis, qui peut atteindre une meilleure stabilité de fréquence d'environ trois ordres de grandeur en fonction de la température; cependant, l'OCXO se fait au prix d'une taille, d'un poids et d'une consommation d'énergie beaucoup plus importants. Un OCXO typique consomme au moins quelques watts de puissance, tandis que la consommation électrique des XO (oscillateurs à cristal simple) et des TCXO est mesurée en milliwatts. En outre, les OCXO ont généralement des performances plus élevées pour d'autres paramètres importants de l'oscillateur, notamment le bruit de phase, la gigue et la stabilité à long terme (vieillissement).

L'objectif principal du MCXO est d'atteindre les performances de l'OCXO mais avec une consommation d'énergie beaucoup plus faible et un préchauffage beaucoup plus rapide (le temps qu'il faut à un oscillateur pour atteindre sa stabilité requise après la mise sous tension). La méthode d'une simplicité trompeuse que le MCXO utilise pour ce faire consiste à faire fonctionner le résonateur à cristal de quartz à deux fréquences différentes en même temps.

Ce faisant et en manipulant les données ainsi créées, le cristal MCXO devient un thermomètre auto-sensible ; c'est-à-dire que le cristal nous indique essentiellement exactement quelle est sa température à un moment donné et avec un degré de précision très élevé, permettant ainsi à la fréquence d'être compensée plus précisément que dans un TCXO. Il utilise également beaucoup moins d'énergie qu'un OCXO.

L'une des principales raisons de la supériorité de la compensation de température du MCXO est que l'auto-thermométrie du résonateur à cristal de quartz élimine le besoin d'un thermomètre séparé.

Chaque TCXO et OCXO nécessite un capteur de température séparé pour surveiller avec précision la température du résonateur à cristal de quartz. Dans le cas de l'OCXO, il faut connaître la température du cristal afin de corriger continuellement cette température à la température du four souhaitée. Dans le cas du TCXO, connaître la température du cristal permet au circuit de compensation de calculer la correction exacte nécessaire en raison des variations de fréquence-température. La difficulté est que le capteur de température ne peut pas être monté sur le résonateur à cristal réel en raison des effets de charge de masse et de contamination, mais doit plutôt être monté à l'extérieur de l'emballage hermétiquement scellé du cristal et en raison du décalage thermique, le thermomètre ne sera jamais être en fait à la température exacte du résonateur à cristal.

Le MCXO élimine ce problème car le cristal signale sa propre température réelle en temps réel. Comment le cristal fait-il cela ? En faisant vibrer le cristal MCXO à deux fréquences différentes en même temps. Chaque cristal piézoélectrique peut osciller dans de nombreux modes différents, chacun avec sa propre fréquence.

Un point clé de la conception d'un cristal est de lui faire préférer osciller dans un mode particulier. Mais avec le cristal MCXO, le cristal est conçu pour osciller dans deux modes en même temps, l'un étant le mode fondamental d'un cristal coupé SC - une coupe très spéciale à double rotation par rapport aux axes hexagonaux du cristal de quartz qui donnent aux cristaux une excellente stabilité de la température. Le deuxième mode de vibration est sur la troisième harmonique du cristal. Les cristaux utilisés dans les oscillateurs de précision peuvent vibrer sur un mode fondamental, où la fréquence est proportionnelle à l'épaisseur de l'ébauche de quartz, ou sur toute harmonique impaire.

Dans ce cas, la troisième harmonique harmonique est utilisée, mais la troisième fréquence harmonique n'est pas exactement trois fois celle du mode fondamental, mais très proche de 2,999. Ce rapport varie en fait avec la température, et ce rapport de la fréquence du mode fondamental à la troisième fréquence harmonique est l'indicateur le plus précis de la température exacte du cristal à tout moment. Tout cela est très soigneusement caractérisé et stocké pour chaque cristal MCXO et est ensuite utilisé en temps réel pour calculer la température exacte en fonction du rapport des deux fréquences à tout moment.

Le résultat est que le MCXO peut être conçu pour donner approximativement les mêmes performances qu'un bon OCXO mais avec une puissance inférieure à 100 milliwatts par rapport aux trois à cinq watts d'un OCXO. Le temps de préchauffage typique d'un OCXO est de plus de 10 minutes contre moins d'une minute pour le MCXO. En d'autres termes, le MCXO peut offrir plus d'un ordre de grandeur de consommation d'énergie inférieure et un temps de préchauffage plus rapide que l'OCXO. Ceci, pour certaines applications, est révolutionnaire.

Lors du développement des MCXO au début des années 2000, les composants numériques de niveau spatial et rad nécessaires étaient très coûteux, ce qui signifiait qu'un produit MCXO de niveau spatial se vendait pour des centaines de milliers de dollars chacun.

À l'aube de l'ère des méga constellations de satellites, connues sous le nom d'orbite terrestre basse (LEO) ou New Space, il est devenu possible de trouver des microcontrôleurs et d'autres appareils numériques tolérants aux radiations et pouvant être filtrés. L'utilisation de ces composants numériques est entrée dans le QT2020 MCXO (Figure 3), sorti en 2021, qui a maintenant été pleinement qualifié pour une utilisation dans les applications LEO New Space.

Le QT2020 MCXO a été conçu dans le but d'être utilisé dans des satellites et d'autres applications spatiales, en utilisant uniquement des composants tolérants aux rads. La série de produits est disponible à 10, 20, 30, 40, 50, 60 ou 80 MHz, avec une stabilité aussi faible que ± 10 PPB dans un boîtier de 2 pouces par 1 pouce par 1,33 pouce. Et il offre les hautes performances d'un OCXO mais avec une consommation électrique inférieure à 90 mW.

Le QT2020 MCXO est désormais un produit standard qui peut être acheté sans difficulté et à un coût raisonnable. Les prix varient en fonction de la stabilité et d'autres options. Par exemple, une version matérielle complète et totalement RAD peut être développée si l'application prend en charge un prix plus élevé.

Le QT2020 MCXO a été testé pour TID jusqu'à 50 kRAD sans rencontrer de problèmes, et le niveau de consommation actuel était « stable comme un roc » à mesure que la dose de rayonnement augmentait, ce qui donne l'optimisme que les résultats d'un seul événement seront bons. Maintenant, des tests à événement unique sont en cours d'organisation.

La figure 4 montre un schéma fonctionnel simplifié du QT2020 MCXO. Les signaux de l'oscillateur à double mode sont mélangés pour générer une fréquence de battement après avoir été normalisés par un diviseur de fréquence. La fréquence de battement est une différence entre les deux modes d'oscillateur et représente la température du cristal. Il alimente le compteur du microcontrôleur pour générer une lecture numérique de la température "N1". Les données pour N1 sont collectées et stockées dans la mémoire du microcontrôleur. Pour chaque N1, un calcul polynomial fournit un coefficient de correction "N2". Un VCXO de 10 MHz fournit le signal à l'un des compteurs du microcontrôleur pour le comparer au signal Fo. La correction N2 est appliquée ici. Un convertisseur numérique-analogique applique une tension de commande au VCXO pour le maintenir à la fréquence cible.

Le graphique de la figure 5 montre comment le cristal taillé SC à double mode fonctionne comme un thermomètre à détection automatique. La ligne courbe en pointillés est la courbe de fréquence en fonction de la température pour le mode fondamental du cristal, et la ligne courbe continue est la courbe de fréquence en fonction de la température pour la troisième harmonique du cristal. Lorsque l'oscillateur est mesuré à une température donnée, la lecture de la troisième harmonique (divisée par 10) est divisée par la lecture de la fondamentale, et le rapport résultant est appelé la fréquence de battement et il tombe sur la ligne droite. Cela montre exactement à quelle température se trouve le cristal à ce moment-là puisque le cristal particulier en question a été précisément caractérisé pour la façon dont sa fréquence de battement varie linéairement avec la température.

Les principales caractéristiques de performance du QT2020 MCXO montrent qu'il est considérablement meilleur pour la taille, le poids, la consommation d'énergie et le temps de préchauffage que n'importe quel OCXO et qu'il est considérablement meilleur pour la stabilité de fréquence que n'importe quel TCXO.

Le QT2020 MCXO occupe un créneau avec une stabilité bien meilleure que le meilleur TCXO et offre la stabilité et le bruit équivalents aux OCXO typiques. Il a également une consommation d'énergie extrêmement faible, une petite taille, un préchauffage rapide et est entièrement certifié et évalué jusqu'à 50 kRADs TID. Le temps nous le dira, mais ce MCXO ultra-durci promet d'être une technologie révolutionnaire et habilitante. Déjà, de nombreux fabricants de satellites passent des commandes, évaluent le produit et prévoient de faire voler le QT2020 MCXO dans des applications New Space passionnantes.

Toutes les images utilisées avec l'aimable autorisation de Q-Tech

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