Herzlich Willkommen beim beam-Verlag in Marburg, dem Fachverlag für anspruchsvolle Elektronik-Literatur.


Wir freuen uns, Sie auf unserem ePaper-Kiosk begrüßen zu können.

Aufrufe
vor 8 Jahren

11-2015

  • Text
  • Komponenten
  • Technik
  • Radio
  • Filter
  • Oszillatoren
  • Quarze
  • Emv
  • Wireless
  • Messtechnik
  • Bauelemente
Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Bild 5: Ein

Bild 5: Ein komplementärer PECL-Ausgang mit seinen Pullup- Widerständen Bild 6: Hochohmiger Querwiderstand zwischen den Ausgängen eines LVDS-Bausteins ohne Bezugnahme auf eine Referenz über den gesamten Betriebstemperaturbereich bei nomineller Versorgungsspannung und Nennlast sowie konstanten anderen Einflüssen. Es gilt: f-T stability = ± (f max - f min ) / (f max + f min ) • Initial-Frequenz-Temperatur-Genauigkeit (Initial Frequency-Temperature Accuracy) Das ist die maximale Abweichung der Oszillatorfrequenz vom Nennwert der Frequenz über den Betriebstemperaturbereich bei nomineller Versorgungsspannung und Nennlast sowie konstanten anderen Einflüssen. Es gilt: f-T accuracy = ± max [δf max , δf min ] mit δf max = |(f max - f nom ) / f nom | δf min = |(f min - f nom ) / f nom | Hinweis: Bei SPXOs und VCXOs wird manchmal die Frequenz bei einer Referenztemperatur f ref von z.B. 25 °C statt f nom genutzt. Nun zum Testablauf: Der noch nicht versorgte Oszillator sollte in einer Temperaturkammer platziert und am Ausgang korrekt belastet werden. Bei VCXOs, VC-TCXOs und VC-OCXOs wird die Steuerspannung VC gemäß den Herstellerhinweisen gewählt. Man muss absichern, dass sie während des gesamten Tests konstant bleibt. Dann erst sollt man die Versorgungsspannung anlegen. Der Oszillator sollte einer moderaten Luftzirkulation von 2 bis 3 m/s ausgesetzt sein. Dies ist besonders wichtig bei Messungen an OCXOs. Denn sonst ist es möglich, dass die Temperaturregelung des internen Ofens nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert, wenn die Kammertemperatur den oberen Wert der Betriebstemperatur erreicht. Die Temperaturänderung (Temperature Ramp) sollte nicht höher als 5 K/min für PXOs und VCXOs und geringer als 1 K/min für OCXOs und für Testobjekte mit hoher thermischer Trägheit (Thermal Mass) sein. Die Temperaturkammer sollte es erlauben, die Temperatur auf einem bestimmten Wert für eine angemessene Zeit (Soak Time) konstant zu halten. Die Messung der Ausgangsfrequenz sollte mit ausreichender Genauigkeit und Auslösung nach dem Erreichen des thermischen Gleichgewichts (Thermal Equilibrium) erfolgen. Messung des Phasenrauschens Test Level S Level B Random Vibration MIL-STD-202, meth. 214, cond. I-B, 5 min/ N/A axis Thermal Shock MIL-STD-202, meth. 107, cond. A-1 MIL-STD-202, meth. 107, cond. A-1 Electrical Test: - Input Current/Power - Output Waveform - Output Level - As specified X X X X Burn-in (Load) 240 h @ max. Operating Temperature 160 h @ max. Operating Temperature Seal Test MIL-STD-202, meth. 112 MIL-STD-202, meth. 112 Radiographic MIL-STD-202, meth. 209 N/A N/A N/A N/A X Hier muss man verschiedene Voraussetzungen erfüllen, um präzise Resultate zu erhalten. So muss die Versorgungsspannung ein sehr geringes Rauschen aufweisen. Schaltregler sollte man auf jeden Fall vermeiden. Der Betrieb mit Batterien ist zu empfehlen. Auch hier sollte ein hochkapazitiver Abblockkondensator (> 100 μF) nicht fehlen. Weiter zu beachten: Der EFC Input ist sehr sensibel gegenüber Rauschen, da über ihn der Quarzoszillator direkt moduliert wird. Daher muss die Steuerspannung VC einer extrem rauscharmen Quelle entstammen, möglichst einer Batterie. Einige Messinstrumente für das Phasenrauschen bieten eine geeignete Quelle an. Die Steuerspannung sollte über ein geschirmtes Kabel geleitet werden. Falls der Oszillator einen Referenzspannungsausgang besitzt (VREF), so wird dringend empfohlen, diese Spannung als Steuerspannung zu verwenden. Alternativ kann der VC Input an Masse gelegt werden. Um Interferenzen mit Nebenaussendungen der Umgebung zu vermeiden, wird empfohlen, den zu testenden Oszillator gegen die Umgebung elektromagnetisch abzuschirmen. Ein Quarz ist ein piezoelektrisches Bauelement. Sein Verhalten kann also z.B. durch Druck oder Beschleunigung beeinflusst werden. So ist der Quarz in einem Oszillator sehr empfindlich gegenüber jedweder mechanischen Vibration. Daher sollte man ihn nicht auf den selben Tisch stellen, auf dem sich auch das Test Equipment befindet. Dieses kann aufgrund eines Lüfters oder Transformators durchaus die Quelle von Vibrationen sein. Wenn man sehr geringe Rauschspannungen messen muss, dann ist auch darauf zu achten, dass das Eigenrauchen des Messinstruments in ausreichendem Maße geringer ist als der Messpegel. Bei dem Messverfahren der Kreuzkorrelation (Cross Correlation Test Mode) muss 30 hf-praxis 11/2015

Quarze und Oszillatorenen dafür gesorgt werden, dass die Anzahl der Korrelationen hoch genug ist, um ein sicheres Messergebnis zu erhalten. Messung der Kurzzeitstabilität Die empfehlenswertesten Messverfahren für die Kurzzeitstabilität (Shortterm Stability) sind die sogenannte Allan Deviation (ADEV) oder die Overlapping Allan Deviation (OADEAV). Die Nutzung von modernen, hochauflösenden Zählern kann zu fehlerhaften Ergebnissen aufgrund des internen Interpolationsvorgangs führen. Die folgenden Voraussetzungen müssen erfüllt sein, um Interferenzen und Triggerfehler auszuschließen: • keine Masseschleifen im Testaufbau • Nutzung einer phasenstabilen Verkabelung • Das zu messende Signal (Rechteck) muss eine kurze Anstiegszeit und eine kurze Abfallzeit aufweisen sowie einen geringen Jitter-Anteil. Kurze Zeiten entstehen durch geringe kapazitive Belastung. • Betreffs Versorgungs- und Steuerspannung gilt Dasselbe wie beim Phasenrauschen. • Die Umgebungstemperatur muss so stabil sein wie nur möglich. Thermische Isolation gegenüber der Umgebung ist sehr zu empfehlen. Strömende Luft muss man tunlichst vermeiden. • Akustische Schwingungen (Lärm) als auch mechanische Vibrationen dürfen nicht auftreten. • Das elektromagnetische Abschirmen des Oszillators kann in Fällen hoher elektromagnetischer Empfindlichkeit des Oszillators erforderlich sein. Vor der Gesamtanalyse sollte der Datensatz auf Kontinuität überprüft werden. Stark von der Gesamttendenz abweichende Ergebnisse („Außreißer”, Outliers) bezüglich Phase oder Frequenz sollten identifiziert und ausgeblendet werden, da sie vermutlich aufgrund externer Störeinflüsse entstanden sind oder grobe Messfehler darstellen. Bevor die eigentliche Messung beginnt, muss der Oszillator schon eine längere Zeit gelaufen sein, um sich zu stabilisieren. Temperaturstabilisierte Oszillatoren (OCXOs) erfordern eine längere Stabilisierungszeit als andere Oszillatortypen (SPXOs, VCXOs und TCXOs). Eine Daumenregel nennt für die Zeit der Stabilisierung mindestens zwölf Stunden. Für die Referenzmessungen sollte der Oszillator sich über 24 h stabilisieren können. Test der Alterung (Frequency Aging) Hierbei sollte der Oszillator bei einer bestimmten Temperatur kontinuierlich über mindestens 30 Tage laufen. Als Temperatur wählt man 70 °C oder die höchste spezifizierte Betriebstemperatur, falls diese geringer ist. Nach dem Einsetzen des Oszillators in den Temperaturofen sollte der Oszillator die Möglichkeit erhalten, die Lufttemperatur in dieser Kammer anzunehmen. Dann sollte der Oszillator angeschaltet und mindestens eine Stunde lang zwecks Stabilisierung betrieben werden. Stabilisierungszeiten bis zu 48 h werden vorgeschlagen. Nun können Messzyklen beginnen. Die erste Messung sollte sofort nach der Stabilisierung erfolgen. Die weiteren Messungen sollten in Abständen bis höchstens 72 h über mindestens 30 Tage vorgenommen werden. Ausreichend ist stets eine tägliche Messung etwa zur selben Tageszeit. Bei nicht temperaturstabilisierten Oszillatoren kann man die zeitlichen Abstände mit der Zeit vergrößern. Screening gemäß MIL-PRF-55310 Hundertprozentige Screening Tests müssen an hochzuverlässigen Oszillatoren erfolgen. Etwa für hochzuverlässige Weltraum-Applikationen ist der Screening Level S is vorgeschrieben, für andere hochzuverlässige Applikationen der Screening Level B. Für Class 1 Oscillators (diskrete Technik) und Class 3 Oscillators (mixed Technology) umfasst die Screening-Prozedur die in der Tabelle aufgeführten Schritte. Für Details konsultiere man die letzte Ausgabe der Norm MIL- PRF-55310. Übersetzung: FS Alterungstest von nicht temperaturstabilisierten Oszillatoren • Stabilisierung an Betriebsspannung über mindestens eine Stunde • erste Messung der Frequenz bei einer Referenztemperatur von z.B. 25 °C • Verbringung in einen Temperaturofen mit z.B. 85 °C, aber nicht höher als höchste Betriebstemperatur • weitere Messungen können nach 1, 2, 5, 10, 20 Tagen erfolgen • Zur Messung nimmt man den Oszillator aus dem Ofen und lagert ihn eine Stunde lang bei Raumtemperatur, um Temperaturschocks vorzubeugen. • Messung der Frequenz bei Referenztemperatur • letzte Messung nach 30 Tagen Alterungstest von OCXOs • Messung bei Raumtemperatur • zunächst mindestens zwei Stunden Stabilisierung an Betriebsspannung • Frequenzmessung mindestens fünfmal pro Woche (bei Axtal stündlich!) • letzte Messung nach 30 Tagen • Datennutzung erst ab Messung am dritten Tag Die erhaltenen Messergebnisse sollten nach der Methode der geringsten Quadrierung (Method of Least Squares) gemäß einer der Funktionen Logarithmic Fit: f(t) Log = a 0 + a 1 x log (a 2 x t + 1) oder Polynomial Fit: f(t) Poly = a 0 + a 1 x t + a 2 x t 0,5 verarbeitet werden. Darin ist f(t) die Frequenz des Quarzoszillators, t die Anzahl der Tage nach dem Start der künstlichen Alterung und a 0 , a 1 , a 2 sind Konstanten gemäß der geringsten Quadrierung. Die gesamte Frequenzänderung und die Alterungsrate am Ende der spezifizierten Periode sollten unter Nutzung der obigen und der folgenden Formeln ermittelt werden: • Alterung pro Tag (Aging Rate) = f(d 0 + 1) - f(d 0 ) • Alterung pro Monat = f(d 0 + 30) - f(d 0 ) • Alterung pro Jahr = f(d 0 + 365) - f(d 0 ) Hierin ist f(t) eine der Alterungs-Approximationen aus obigem logarithmic oder polynominal Fit mit den festen Parametern a 0 , a 1 und a 2 und d 0 des letzten Tages der künstlichen Alterung plus 30 Tage. Hinweis: Statt der absoluten Frequenz ist es üblich, die relative Frequenz ∆f/f (in ppm oder ppb) zu nutzen. hf-praxis 11/2015 31

hf-praxis

PC & Industrie

© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel