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使用微型原子钟可以使依赖GPS的设备按比例缩小

作者:Ramki Ramakrishnan 时间:2017-07-27来源:电子产品世界
编者按:本文介绍了微型原子钟的技术性能及其应用实例,并就OCXO、CSAC、MAC等技术进行了对比,分析了各技术的适用场景。

作者/ Ramki Ramakrishnan 美高森美公司时钟业务部产品线管理和业务开发总监

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201707/362268.htm

摘要:本文介绍了的技术性能及其应用实例,并就OCXO、CSAC、MAC等技术进行了对比,分析了各技术的适用场景。

  在许多方面,电子产品的创新发展一直是微型化。为了重新确认摩尔定律,设计人员日益在更小、更轻且更节能的电子产品内集成更多特点、功能和性能。但是,原子钟却是例外。原子钟是电子器件在信号丢失时,用于访问正确时间的器件。

  在推出(MAC)进行守时之前,设计人员能够采用的最好时钟是恒温晶体振荡器(OCXO)。与原子钟相比,这种晶体振荡器的尺寸更小、重量更轻且功耗更低,但是,其准确性和精确性较差,唯一的选择是采用在扩展性和便携性方面具有明显局限性的原子钟。MAC并非尺寸更小的同类时钟,它是一种不同的时钟。这种时钟的重新发明能够应对一系列全新的应用情况。

定时质量测量

  就定时而言,准确性(accuracy)和精确性(precision)是两个基本的质量测量指标:

  1)如果时间与标准时间(例如,铯标准或时间)一致,则这个时钟是准确的;

  2)如果其滴答之间的间隔( 振荡频率)与标准时钟的间隔(即使标准时钟不准确)一致,则这个时钟是精确的。

  精确性的严格指标是同步性(synchronicity),这是一种在环境中发生滴答的同步性测量指标。需要同步性的应用范例是雷达。为了获得扫描物体的清晰图像,接收物体弹回信号的接收器需要了解相关脉冲从发射器发送的准确瞬间。

  任何定时微型化面临的挑战之一,就是时钟的尺寸、重量和功耗()是否满足给定应用的需求。例如,铯芯片级原子钟(CSAC)是目前市场上尺寸最小的原子钟,它的规格是41mm×35mm× 11mm,重量小于35克,25oC时的功耗小于120mW。与此相反,铷MAC的功耗是5W,是继CSAC之后功耗最低的(然而,它的功耗比CSAC高40倍)。在推出MAC之前,12W标准铷时钟是具有类似性能但功耗最低的时钟。

  值较小的好处是显而易见的。现在,需要外部电源的器件可以采用电池供电,不需要散热器。另外,个人或无人机可以携带以前必须固定或要以卡车运载的器件。

  另一个挑战是时钟是否足够准确和精确。只有在满足应用对准确性和精确性的要求时,SWaP的减少才有意义。如果应用的接入丢失,所有时钟若不再参考外部时间来源,便会全部开始漂移。这种现象被称为老化,这是评价时钟对应用的适合性时应考虑的一个重要方面。

  影响老化的关键因素是温度。在极端环境(如沙漠、高海拔或海中)中使用时,由于温度的变化,定时错误率的增加和与温度相关的错误数量称为温度系数(tempco)。

  表1比较了OCXO、CSAC、MAC和标准铷振荡器的关键性能指标。

  市场上提供各种规格的时钟(如表1所示),表明现在设计人员能够以各种方式和在各种地点使用准确和精确的定时。但是,你还是要依据说明,应仔细分析和选择满足应用要求的时钟。例如,以标准铷时钟代替OCXO通常不可行,因为标准铷时钟并不适合OCXO的外形尺寸。CSAC或MAC主要适用于:

  1)更大的便携性:设备可以更小、更轻、电池运行时间更长(同样更小和更轻),且可在极端温度条件下工作;

  2)定时性能更好:应用可以采用更好的定时精确性和准确性。

  选择的重点通常在CSAC的更低功耗和重量(在较小程度上),及失去GPS时MAC卓越的老化性能之间。

秘密武器:同调性聚量捕捉(CPT)

  铷原子钟和铯原子钟的工作原理是光学检测微波合成器激发气体的共振频率。大时钟与小时钟的区别在于气体激发方式。在传统铯时钟和铷时钟中,气体在管内(如荧光灯)激发,而在更小的时钟中,气体在比灯小得多的垂直表面发射激光器(VCSEL) ── 镂空硅立方体中激发。CPT涉及微波合成器聚量在共振中气体原子内,在被光学检测器接收之前如何被穿过VCSEL的同调性激光束检测。

适合铷原子钟的应用场景

蜂窝基站

  铷原子钟满足4G/LTE基站高达24小时(3G和4G甚至更长)的严格定时要求。此外,铷原子钟的老化性能确保保持时间更长,意味着即使同步参考丢失,网络依然能够保持工作较长时间。与标准铷时钟相比,MAC的功耗更低(5W对比10W),亦导致功率和总体热密度更低,减少了对外部冷却的需求,同时提高了电子产品的可靠性并缩小了其尺寸。考虑到这些基站通常工作的环境,温度系数低也非常关键。

雷达基站

  雷达需要在发射器和接收器信号之间精确同步,与蜂窝基站相类似,在雷达系统中,微型化铷时钟的应用正在逐步取代OCXO。此外,雷达也从该技术的更低功耗中受益。

适合CSAC的应用场景

拆卸式智能电子设备(IED)干扰器

  低功耗对要求规格小、重量轻且采用电池供电的拆卸式IED干扰器来说非常关键。但是,它们还必须足够精确,仅干扰IED信号,而不干扰简单的通信。干扰信号必须严格同步,允许信号中的预定时隙(称为查看窗口),从而允许简单通信通过。

拆卸式军用电台

  便携性和高同步精确性非常重要,特别是需要更高带宽波形来处理视频和其它数据较多的编码信号时。

战术无人机(UAV)

  除依赖GPS(或时钟保持)导航之外,无人机还需要精确的定时用于其丰富的数据编码和视频通信。它们的尺寸、重量和功耗方面也为设计人员带来挑战。

海底震测感应

  海底传感器用于测定从船只发出的声波脉冲反射地下材料和返回海床所需的时间。然后,传感器栅格把这些时间测定差用于反映地层(如石油矿床)。水下无法提供GPS精确同步,因此,对布置在海底的传感器来说,保持时间长和低温度系数是非常重要的因素。

  本文来源于《电子产品世界》2017年第8期第26页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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