Атомные часы в корпусе микросхемы
Если вы представляете атомные часы размером с комнату со всеми видами оптических, криогенных и электронных систем и связанных с ними соединений (рис. 1), или даже гораздо меньший 19-дюймовый, монтируемый в стойку блок, это не обязательно реальность — если вы можете согласиться с немного меньшей точностью, чем та, которая доступна через системы с рейтингом NIST. В 2011 году компания Symmetricom представила свои атомные часы в корпусе микросхемы SA45 (CSAC), основанные на технологии цезиевых часов (компания Symmetricom была приобретена Microsemi в октябре 2013 года; в свою очередь, Microsemi была приобретена Microchip Technology в 2018 году). Его точность была на два порядка выше, чем у кварцевых генераторов с терморегулятором (OCXO), и на четыре порядка выше, чем у кварцевых генераторов (TCXO).
Рис. 1. Атомные часы NIST F1 (2005) используется атомы цезия для определения длительности секунды с такой точностью, что погрешность накопленная за 80 миллионов лет может составить всего 1 секунду. Если немного снизить точность, то атомные часы могут быть значительно меньших размеров.
Новейший CSAC от Microchip Technology , SA65, значительно улучшает характеристики своего предшественника и совместим с SA45 по форме, установке и функциям, что упрощает модернизацию и проектирование. Несмотря на то, что SA65 не соответствует характеристикам часов на основе цезия в NIST или даже большого монтируемого в стойку устройства, очевидно, что он соответствует значительно меньшим размерам, весу и потребляемой мощности по сравнению с этими первичными и вторичными стандартами.
Рис. 2. Модуль имеет размеры всего 1,6 × 1,39 × 0,45 дюйма (примерно 40 × 35 × 11,5 мм), весит 1,25 унции (35 граммов) и требует мощности менее 120 мВт
В устанавливаемых на плату атомных часах (CSAC) микросхемы SA65 от Microchip Technology используется сильно модифицированная, радикально уменьшенная версия более крупных атомных часов на основе цезия, чтобы обеспечить производительность, которая намного лучше, чем точность на основе TXCO или OXCO устройств.
Применение генератора в первую очередь ориентированы на требования mil/aero, включая высокопроизводительные приемники GPS, ранцевые радиостанции, системы подавления помех IED, автономные сенсорные сети, беспилотные автомобили и подводные сенсорные системы. По сути, он подходит для ситуаций, когда точность генератора улучшает характеристики или когда временные сигналы глобальных навигационных спутниковых систем (GNSS) физически недоступны, ухудшены, ограничены (менее четырех спутников) или прием невозможен.
SA65 CSAC обеспечивает выходы RF и 1 импульс в секунду (PPS) на стандартных уровнях CMOS. Краткосрочная нестабильность составляет 3,0 × 10 –10 за интервал в одну секунду (τ), типичное долгосрочное старение составляет < 9 × 10 –10 / месяц, и максимальное изменение частоты достигает ± 3 × 10 –10 в диапазоне рабочих температур от –40 до + 80 ° C. В генераторе предусмотрен вход 1 PPS, который можно использовать для синхронизации выхода устройства 1 PPS с внешними опорными часами с точностью ± 100 нс, а также для привязки его фазы и частоты с точностью до 1 нс и 1,0 × 10 — 12 соответственно.
Генератор обеспечивает всестороннее управление, мониторинг и калибровку через стандартный последовательный интерфейс RS-232. Интерфейс также используется для установки и считывания внутренних счетчиков часов CSAC.
Ключевыми компонентами CSAC являются микроволновый синтезатор, микропроцессор и TCXO (рис. 3) . Микроволновый синтезатор генерирует сигнал частотой 4596,3 ГГц с разрешением настройки приблизительно 1 × 10 –12 . Микропроцессор обеспечивает множество функций, включая реализацию петлевого фильтра автоподстройки частоты для TCXO, оптимизацию работы физического пакета, мониторинг состояния работоспособности, а также управление через порт последовательной связи.
Рис. 3. Упрощенная блок-схема SA65 не показывает всех его сложных особенностей, но выделает основные функциональные блоки устройства
При нормальной работе частота TXCO непрерывно сравнивается и корректируется с частотой сверхтонкого основного состояния атомов цезия. Это улучшает стабильность и чувствительность TCXO к окружающей среде на четыре-пять порядков. Конечно, такая технология стоит недешево — она оценивается примерно в 5500 долларов за единичные заказы и половину этой суммы за партии от 250 и более штук.
Рис. 4. Developer’s Kit (1000 долларов США)
Источник: www.electronicdesign.com