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高稳定时钟服务器中,如何选择合适的振荡器进行时间保持
来源:Meinberg Blog | 作者:Douglas Arnold | 发布时间: 369天前 | 833 次浏览 | 分享到:
在选型和使用时钟服务器的过程中,往往会需要考虑到时钟服务器的保持能力(与外部同步信号失锁后,设备时间的保持能力)。如何准确地选择对应的振荡器来为设备提供相应的保持能力呢?这是一个性能与经济化的博弈。

    在选型时钟服务器的过程中,你有一个保持要求,并且你的时钟服务器供应商提供一系列的振荡器可供选择。选择更稳定的振荡器更好,但它们也更昂贵。你想知道哪一个是满足你要求的最便宜的选项。然而,供应商的数据表并不一定以你需要的方式描述振荡器性能。例如,假设你需要一个GNSS为参考源的时间服务器,在失去GNSS信号后至少4小时内保持在5微秒以内。此外,假设供应商的数据表有如下的一个表格。这是Meinberg时间服务器振荡器选项的实际当前最差性能规格。那么,你怎么处理这些数字呢?你需要使用振荡器方程以及以下指导来进行计算。

    首先,如果你关心的是最坏情况,请确保供应商提供的是这些值,而不是典型值或1 sigma值。你至少需要3 sigma值。这些信息可以通过向供应商提问来获取。接下来,考虑你的要求。你想知道4小时内会发生什么,但表格没有显示这一点。使用与该时间间隔大致相同的时间间隔。振荡器的短期稳定性与这个要求无关,因为这些效应在一分钟左右后趋于平均。同样,一周、一月或一年后的情况对于这个要求来说也太长了,可以忽略。所以,你可以忽略这些。使用24小时的数据,因为它最接近你关心的时间间隔。其次,如果你有温控环境,你可以忽略温度依赖漂移。

    现在让我们进入振荡器方程:

x(t) = x0 + y0*t +Dper*t2/2 + E(t)


    这里,x(t) 是从保持开始时的相位误差(时间误差),x0 是 x(t=0),y0 是 t=0 时的分数频率误差,D 是分数频率漂移(单位时间的变化率),E 代表环境效应引起的误差。通常,主要的环境效应是温度变化。在我们的例子中,我们将忽略 E。等一下,这些 x 和 y 是什么?为什么不用类似 𝛥t 和 𝛥f 这样的符号?嗯,x 和 y 是时间行业中传统使用的符号。把这当作你刚刚克服的精确计时业务的一个入门障碍。

    我们需要确保在所需的保持时间x(th) <5μs。对于x0,我们使用 PPS 的精度值,对于y0,使用 GPS 同步精度(24小时平均值),对于
D,使用自由运行一天的精度值除以一天的时间(即,1天)。我们将时间、时间间隔和时间误差的单位都设为秒。因此,我们需要漂移率以分数频率误差每秒为单位表示,也就是说1天 = 86400秒,而保持时间4小时则为14400秒。

结合振荡器列表所给出来的参数,则:

振荡器类型

启动时间误差(x0

启动频率误差(y0)频率漂移/每秒(Dper四小时后误差
TCXO1E-71E-111.16E-121.21E-04
OCXO-LQ1E-71E-112.31E-132.42E-05
OCXO-SQ5E-81E-115.79E-146.20E-06
OCXO-HQ5E-81E-125.79E-156.65E-07
OCXO-DHQ5E-81E-121.16E-151.85E-07
Rb
5E-81E-121.16E-167.64E-08

    我们需要确保保持期间的误差低于 5 微秒或 5E-6 秒。从表格中可以看到,OCXO SQ 不完全适合这个用例,但 OCXO HQ 可以满足要求。

    如果我们在室外或其他没有温控的环境中呢?对于最坏情况分析,假设进入保持状态后立即遇到大幅度的温度变化。因此,用温度依赖的漂移替换初始频率误差。你确实说过要考虑最坏情况,对吧?现在表格看起来是这样的:

振荡器类型启动时间误差(x0)启动频率误差(y0)频率漂移/每秒(Dper)四小时后误差
TCXO1E-71E-61.16E-121.45E-02
OCXO-LQ1E-72E-72.31E-132.90E-03
OCXO-SQ5E-81E-75.79E-141.45E-03
OCXO-HQ5E-81E-85.79E-151.45E-04
OCXO-DHQ5E-82E-101.16E-153.05E-06
Rb5E-86E-101.16E-168.70E-06

    因此,在这种情况下,你需要一个具备双重恒温槽的OCXO-DHQ振荡器,即使是铷原子钟也不符合要求。这就表明,当温度效应占主要因素时,高端的OCXO振荡器,在短期内守时性能要优于铷原子钟。

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