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Jul 17, 2023

O oscilador de cristal compensado por microcomputador está finalmente pronto para o espaço

Desde a década de 1990, o oscilador de cristal compensado por microcomputador, ou MCXO, tem

Desde a década de 1990, o oscilador de cristal compensado por microcomputador, ou MCXO, tem sido usado em muitas aplicações, incluindo aviônicos militares e comerciais, eletrônicos terrestres e exploração de petróleo submarina. Esses dispositivos menores, mais leves e de menor consumo de energia geralmente podem substituir osciladores de cristal controlados por forno (OCXOs) mais volumosos e que consomem energia, ao mesmo tempo em que fornecem estabilidade comparável em uma ampla faixa de temperaturas operacionais. Mas o santo graal dos aplicativos MCXO é para uso no espaço. Quase todos os satélites empregam pelo menos um OCXO para temporização de precisão, apesar das grandes desvantagens de seu alto consumo de energia e tamanho grande. O obstáculo para o MCXO é que ele usa vários dispositivos digitais que têm sido difíceis de adquirir como componentes rad-hard qualificados para espaço. Até agora.

Este artigo compara os tipos de osciladores de cristal e apresenta o primeiro MCXO que combina um projeto de engenharia inteligente com componentes digitais endurecidos por rad para se qualificar para aplicativos NewSpace (Figura 1).

Todos os osciladores de cristal, mostrados na Figura 2, são baseados nas vibrações de frequência muito estáveis ​​de um ressonador de cristal de quartzo piezoelétrico.

Normalmente, os cristais e seus circuitos associados são cuidadosamente projetados e elaborados para que o cristal de quartzo vibre apenas na frequência de ressonância desejada. Um oscilador de cristal autônomo pode manter a estabilidade de frequência de menos de ± 50 ppm na ampla faixa de temperatura militar de -55 a +125 ℃, o que é bom o suficiente para a maioria das aplicações eletrônicas.

Se for necessária uma estabilidade mais rigorosamente controlada sobre a temperatura, um oscilador de cristal com compensação de temperatura, ou TCXO, adiciona circuitos de compensação para corrigir a variação de temperatura da frequência do cristal e pode, assim, atingir cerca de ±1 PPM.

Se ainda mais estabilidade for necessária, um oscilador de cristal controlado por forno usa a técnica para colocar o cristal dentro de um forno proporcionalmente controlado muito preciso, que pode atingir cerca de três ordens de magnitude de melhor estabilidade de frequência em relação à temperatura; no entanto, o OCXO vem com o custo de muito mais tamanho, peso e consumo de energia. Um OCXO típico consome pelo menos alguns watts de energia, enquanto o consumo de energia de XOs (osciladores de cristal simples) e TCXOs é medido em miliwatts. Além disso, OCXOs normalmente têm desempenho superior para outros parâmetros importantes do oscilador, incluindo ruído de fase, jitter e estabilidade de longo prazo (envelhecimento).

O objetivo principal do MCXO é alcançar o desempenho do OCXO, mas com consumo de energia muito menor e aquecimento muito mais rápido (o tempo que um oscilador leva para atingir a estabilidade necessária após a ativação). O método enganosamente simples que o MCXO usa para fazer isso é operar o ressonador de cristal de quartzo em duas frequências diferentes ao mesmo tempo.

Fazendo isso e manipulando os dados assim criados, o cristal MCXO torna-se um termômetro auto-sensível; ou seja, o cristal essencialmente nos diz exatamente qual é a sua temperatura em um determinado momento e com um grau de precisão muito alto, permitindo assim que a frequência seja compensada com mais precisão do que em um TCXO. Ele também usa muito menos energia do que um OCXO.

Uma das principais razões para a superioridade da compensação de temperatura do MCXO é que a autotermometria do ressonador de cristal de quartzo elimina a necessidade de um termômetro separado.

Cada TCXO e OCXO requer um sensor de temperatura separado para monitorar com precisão a temperatura do ressonador de cristal de quartzo. No caso do OCXO, deve-se conhecer a temperatura do cristal para corrigir continuamente essa temperatura para a temperatura desejada do forno. No caso do TCXO, conhecer a temperatura do cristal permite que o circuito de compensação calcule a correção exata necessária devido às variações de frequência e temperatura. A dificuldade é que o sensor de temperatura não pode ser montado no ressonador de cristal real por causa da carga de massa e dos efeitos de contaminação, mas deve ser montado do lado de fora da embalagem hermeticamente fechada do cristal e, devido ao intervalo de tempo térmico, o termômetro nunca realmente estar na temperatura exata do ressonador de cristal.