CC BY
36<Тешетневс^ие чтения. 2016
В модели сымитированы системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и тактовой синхронизации (СТС), необходимые для нормального функционирования собственно демодулятора [2].
В точках 1 и 2 было произведено снятие сигнала и спектра.
Суммарное ослабление сигнала состоит из потерь мощности сигнала при распространении в свободном пространстве, потерь в антенно-фидерной системе на передающем конце трассы, селективных потерь в парах воды и кислороде, потерь на трассе дождя, неточного наведения передающей и принимающей антенны, поляризационных потерь [3; 4].
Библиографические ссылки
1. Зябликов С. Ю., Алыбин В. Г., Антонов Ю. Н., Зильберг М. Б., Сизяков А. Ю., Трофилеев А. А. Оптимизация передатчика спутникового ретранслятора по критерию минимума вероятности ошибки демодуляции сигнала // Радиотехника. 2011. № 9.
2. Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь: пер. с англ. / под ред. В. В. Маркова. М. : Связь, 1979. 585 с.
УДК 621.373.12
3. Каитор Л. М. Спутниковые системы связи : справочник. М., 2002.
4. Справочник по радиолокации / под ред. М. Сколника. Нью-Йорк, 1970 ; пер. с англ. под общ. ред. К. Н. Трофимова. Т. 1. Основы радиолокации. под ред. Я. С. Ицхоки. М. : Сов. радио, 1976. 456 с.
References
1. Zyablikov S. Yu., Alybin V. G., Antonov Yu. N., Zil'berg M. B., Sizyakov A. Yu., Trofileev A. A. Optimizaciya peredatchika sputnikovogo retranslyatora po kriteriyu minimuma veroyatnosti oshibki demodulyacii signala // Radiotekhnika. 2011. №9.
2. Spilker Dzh. Cifrovaya sputnikovaya svyaz': Per. s angl. / pod red. V. V. Markova. M. : Svyaz', 1979. 585 p.
3. Kantor L. M. Sputnikovye sistemy svyazi. Spravochnik. M., 2002.
4. Spravochnik po radiolokacii / pod red. M. Skolnika. N'yu-Jork, 1970 ; per. s angl. pod obshchej red. K. N. Trofimova. Vol. 1. Osnovy radiolokacii. Pod red. Ya. S. Ickhoki. M. : Sov. Radio, 1976. 456 p.
© Орлов Д. М., Кудряшов А. С., 2016
МЕТОД СНИЖЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ТЕРМОСТАТИРОВАННОГО КВАРЦЕВОГО ГЕНЕРАТОРА
В. Ю. Саяпин, В. Ю. Лебедев, В. И. Тисленко
Научно-исследовательский институт радиотехнических систем Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники Российская Федерация, 634045, г. Томск, ул. Вершинина, 72 E-mail: [email protected]
Выполнены исследования по разработке математической модели вариации частоты кварцевого генератора, обусловленной температурной нестабильностью. Предложена полиномиальная модель вариации частоты, выполнена идентификация параметров модели и последующая верификация. Разработанная модель вариации частоты кварцевого генератора позволит снизить погрешность формирования бортовых шкал времени космических аппаратов и другого оборудования.
Ключевые слова: кварцевый генератор, температурная нестабильность частоты, полиномиальная модель.
THE METHOD OF REDUCING THERMAL INSTABILITY OF OVEN CONTROL
CRYSTAL OSCILLATORS
V. Yu. Sayapin, V. Yu. Lebedev, V. I. Tislenko
Research Institute of radiosystem Tomsk State University Control Systems and Radioelectronics 72, Vershinina St., Tomsk, 634045, Russian Federation E-mail: [email protected]
The research presents the development of the mathematical model of a quartz oscillator frequency variation caused by temperature instability. The polynomial model offrequency variation is proposed, identification of model parameters and verification are made. The model of quartz oscillator frequency variation provides reducing the time scales inaccuracy of space vehicles.
Keywords: quartz oscillator, temperature instability of frequency, polynomial model.
Генератор на основе кварцевого резонатора является одним из основных устройств, используемых для генерации опорной частоты. Повышаемые с каждым
годом требования к точности опорной частоты приводят к необходимости повышения стабильности кварцевого генератора. Основным фактором, влияющим
Системы управления, космическая навигация и связь
на нестабильность частоты генератора, является температура [1]. Популярным способом повышения стабильности частоты таких генераторов является термостабилизация. Стабильность кварцевых термостаби-лизированных генераторов может достигать 10-8—10-7 (0,01-0,1 ppm) [2]. Дополнительного повышения температурной стабильности термостабилизированного кварцевого генератора можно добиться за счет введения дополнительной компенсирующей функции, связывающей остаточную нестабильность генератора и изменение его температуры.
В работе проведены исследования по разработке математической модели, описывающей связь между относительной нестабильностью частоты (ОНЧ) кварцевого генератора, управляемого напряжением (ГУН), и температурой корпуса генератора.
Был проведен следующий эксперимент: генератор, на корпусе которого располагался термометр, помещался в термокамеру. Температура термокамеры изменялась при помощи модуля управления камерой, и производилось измерение отклонения частоты генератора и фиксация показаний термометра.
Методика измерений стабильности частоты генератора основана на одновременной оцифровке выходных синусоидальных сигналов исследуемого генератора и опорного СЧ для оценки разности фаз между сигналами, пересчитываемой в нестабильность частоты [3]. Порядок измерения нестабильности состоял в следующем:
1. Температура в термокамере изменяется от 0 до 50 °С один раз в 20 минут с шагом 10 °С.
2. Раз в 2 секунды осциллограф записывает выборки сигналов 51 и S2 от ГУН и СЧ соответственно с частотой дискретизации 100 МГц и длительностью 5 мс.
3. На ЭВМ вычисляются преобразования Гильберта сигналов S1 и S2, в результате которых формируются комплексные сигналы.
4. Вычисляется разность фаз между сигналами по
формуле Дф = arg(S1 • S1), где arg - аргумент комплексного числа, * - оператор комплексного сопряжения.
5. Вычисляется относительная нестабильность частоты по формуле Д///0 = 5(Дф)/dt.
6. Фиксируется температура корпуса TK в момент измерения.
7. Массив данных Д// и TK сохраняется в память ЭВМ для последующей обработки.
Данные, полученные в результате измерений, приведены на рис 1.
При создании модели температурной зависимости генератора требуется использовать температуру самого генератора (Тг), а не температуру корпуса (Тк). Предложено оценивать температуру генератора Тг путем использования скользящего среднего Тк с заданным значением окна N
Tr(t )-
1 t
-X TK (j - t^), t < N + tз¡ t j=0 1 t
- X
N
iv j=t - N+1
Tk (j - O, t > N + tз¡
Рис. 1. Графики изменения ОНЧ ГУН и температуры корпуса
Взаимосвязь А/ / / и Тг представляется в виде полиномиальной функции [2] Д///0 кТТ^ , где
I=0
[к1, к2... кг] = К - массив коэффициентов полинома; г — степень полинома.
В общем случае А/ / / представляет собой функцию от температуры корпуса ТК с заданными параметрами задержки (зад, размера окна сглаживания N коэффициентов полинома К и степени полинома г: А/ / /0 = =/(Тг; к) = /Т; г, К, N (зад).
Математическая оценка коэффициентов К осуществлена методом МНК. Значения коэффициентов были получены для г от 1 до 5 при различных значениях N (зад.. Во всех случаях область минимума целевой функции МНК сосредоточена в точках со значением N = 1 400 с и (зад = 660 с. Начиная со 2-й степени значение минимума целевой функции практически не уменьшается, т. е. использование полинома выше степени 2 нецелесообразно.
Проведённое исследование показало возможность прогнозирования ухода частоты кварцевого генератора, что позволит снизить ОНЧ с 0,59—1,55-10 8 отн. ед. до 0,2—5-10—1° отн. ед., в среднем равное 1,41-1010.
Дополнительно была осуществлена идентификация модели по входным и выходным массивам данных при других структурах этой модели, более сложных по вычислительной сложности по сравнению с полиномиальной. Это такие модели, как авторегрессионные, пространства состояний, различные нелинейные, спектральные и корреляционные модели [4].
Наилучший результат показала нелинейная авторегрессионная модель при снижении ОНЧ до 0,2—4,6-10-10 отн. ед. Использование простой полиномиальной модели приемлемо для моделирования температурной зависимости кварцевого генератора, и применение более сложных моделей не является необходимым.
Для проверки верности полученной модели и возможности прогнозирования ухода частоты был проведен дополнительный эксперимент с записью значений отклонения частоты и температуры (рис. 2). В прогнозе отклонения частоты были использованы значения коэффициентов К, полученные в предыдущем эксперименте. Разность между измеренным и прогнозным значением ОНЧ находилась в диапазоне 0,2—3 10-10 отн. ед. Результаты, полученные в ходе дополнительного эксперимента, подтверждают верность параметров модели, рассчитанных в первом эксперименте, и позволяют допустить возможность
Решетневс^ие чтения. 2016
их использования для прогнозирования температурной нестабильности ГУН.
Рис. 2. Экспериментальное и прогнозируемое значения ОНЧ ГУН
Учет ухода частоты кварцевого генератора при помощи полиномиальной модели температурного ухода второго порядка позволяет снизить относительную нестабильность генератора до 1 • 10-10 отн. ед, обусловленную температурными колебаниями корпуса в диапазоне - 10... 60 °С. Без использования техники введения поправки температурного ухода частоты таких результатов удается добиться при использовании дорогостоящих ультрапрецизионных генераторов с двухступенчатым термостатированием [5].
Библиографические ссылки
1. Белов Л. Компоненты синтезаторов стабильной частоты - генераторы, управляемые напряжением // Электроника: НТБ. 2004. № 1. С. 42-46.
2. Гусев С. В. Исследование и разработка микросхем для компенсации температурной нестабильности выходной частоты кварцевых генераторов : автореф. дис. ... канд. техн. наук. М. : ИПК МИЕТ, 2012. 27 с.
3. Методика экспериментальной оценки девиации Аллана высокостабильных атомных стандартов с ис-
пользованием цифрового осциллографа / А. С. Аникин, А. В. Артемов, В. Г. Корниенко и др. // Доклады ТУСУРа. 2013. № 3 (29). С. 10-16.
4. Трусова А. Ю., Ильина А. И. Моделирование и анализ динамических систем // Вестник СамГУ. 2003. № 7 (108). С. 127-133.
5. Вороховский Я. Прецизионные кварцевые резонаторы и генераторы для современных радиоэлектронных комплексов // Электроника: НТБ. 2010. № 1. С. 34-38.
References
1. Belov L. Komponenty sintezatorov stabil'noi chastoty - generatory, upravlyaemye napryazheniem [Components of stable frequency synthesizer - voltage-controlled oscillators]. Smolensk, Elektronika NTB. 2004. № 1. P. 42-46. (In Russ.)
2. Gusev S. Issledovanie i razrabotka mikroskhem dlya kompensatsii temperaturnoi nestabil'nosti vykhodnoi chastoty kvartsevykh generatorov [The microchip research и engineering for compensation of temperature stability of quartz oscillator output frequency]. Moscow : IPK MIET. 2012. 27 p. (In Russ.)
3. Anikin A. S., Artemov A. V., Kornienko V. G., Lebedev V. Yu. [Experimental techniques of the Allan deviation in high-stable atomic standards by using a digital oscilloscope] // Doklady TUSURa. 2013. № 3. P. 10-16. (In Russ.)
4. Trusova A. Yu., Ilyina A. I. Modelirovanie i analiz dinamicheskih sistem [Modeling and analysis of dynamic data] // Samara, Vestnik SamGU. 2003. № 7(108). P. 127-133. (In Russ.)
5. Vorohovskij Ja.. Precizionnye kvarcevye rezonatory i generatory dlja sovremennyh radiojelektronnyh kompleksov [Precision quartz crystals and oscillators for modern radioelectronic systems]. Smolensk : Elektronika NTB. 2010. № 1. P. 34-48. (In Russ.)
© Саяпин В. Ю., Лебедев В. Ю.,Тисленко В. И., 2016
УДК 621.384.2
МИКРОМОЩНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ НА СЛУЖБЕ МИКРОРОБОТОТЕХНИКИ*
В. Г. Сидоров, Т. В. Ткачева*, М. А. Шкловец, А. В. Ушаков
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Новое поколение робототехнических устройств нуждается в компактных элементах питания. Одним из перспективных направлений в этой области считается создание радиоактивных источников питания на основе бетавольтаического эффекта.
Ключевые слова: радиоактивные источники питания, бетавольтаический эффект.
*Работы проведены при поддержке ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014-2020 годы», соглашение о предоставлении субсидии № 14.577.21.0117.
