NIST-F1 laser cooled Cesium primary frequency standard
Patrón de vapor de Rubidio
Al igual que el de cesio, usa un resonador pasivo para estabilizar un oscilador de cuarzo.
El vapor de rubidio junto con un gas inerte es iluminado por un rayo de luz filtrada. Parte de la luz es absorbida en función de las microondas aplicadas. El fotodetector sensa los cambios de luz recibida y realimenta al generador de microondas.
Patrón de vapor de Rubidio
La frecuencia de resonancia es influenciada por la presión del gas buffer.
Debe ser calibrado contra un patrón de referencia como por ejemplo un patrón de haz de cesio. Luego, se mantiene muy estable.
Es portátil
Tiene una de las mejores relaciones costo/desempeño
Tiene vida útil buena (>15 años)
Patrón de vapor de Rubidio
Patrón de cristal de cuarzo
Basan su funcionamiento en la piezoelectricidad.
Piezoelectricidad: polarización producida por un esfuerzo mecánico la cual es proporcional al mismo.
Es un fenómeno reversible:
Al aplicar presión sobre el cristal aparece una fuerza electromotriz
La aplicación de tensión provoca una deformación en el cristal
Patrón de cristal de cuarzo
El cristal de cuarzo está formado por silicio y oxígeno (SiO2)
Su forma característica se debe a la distribución de los átomos en la estructura cristalina
Es un material anisotrópico: sus propiedades físicas dependen de la dirección
Son los más pequeños y económicos
Su vida útil es indefinida
Están ampliamente difundidos, hasta forman parte de los patrones atómicos
Ejes del cristal de cuarzo
Al eje mayor, el eje Z, se lo denomina eje óptico por ser no anisotrópico a la luz visible
Los ejes Y son perpendiculares a las caras del prisma
Los ejes X biseccionan los ángulos formados por las caras
En un cristal de 6 caras hay 3 ejes X y 3 ejes Y.
Cortes del cristal de cuarzo
Los distintos ángulos de corte determinan:
El coeficiente de temperatura
La relación entre deformación mecánica y tensión producida
La capacidad de resonar en sobretono armónico.
Influencias sobre
la frecuencia de oscilación del cuarzo
Temperatura
Tiempo
Excitación
Gravedad
Golpes
Vibraciones
Retrazado
Influencias sobre el cuarzo
Excitación: un cristal con corte AT cambia 10–9 con una variación de 1µW en la excitación.
Gravedad/golpes/aceleración/vibraciones: produce una deformación temporaria que altera la frecuencia en el orden de por 1×10–9 cada “g”. Darlo vuelta puede producir cambios del orden de 2×10–9
Retrazado: al apagar y volver a encender un oscilador de cuarzo no necesariamente vuelve a la misma frecuencia. Un valor típico puede estar en el orden de 10-8.
Cuarzo: tiempo
Envejecimiento: variaciones graduales a largo plazo.
Causas:
Cambio en coef de elasticidad
Escape de gases atrapados
Entrada o salida de contaminantes
Estabilidad: variaciones aleatorias al corto plazo debidas al ruido de frecuencia o fase.
Se caracteriza con el desvío estándar durante un segundo.
Cuarzo: temperatura
Dependen del corte del cristal.
Las variaciones pueden ser grandes si se usa en un rango de temperatura amplio.
Hay técnicas de compensación para reducir estos efectos:
Cuarzo: RTXO
No tienen compensación alguna.
El fabricante especifica límites pero no se conoce la ley de variación.
Son los más económicos.
Valor típico: 2.5×10-6 entre 0ºC y 50ºC
Room Temperature Crystal oscillator
Cuarzo: TCXO
Tienen un elemento sensible a la temperatura que permite compensar parcialmente la característica del cristal.
El fabricante especifica límites pero no se conoce la ley de variación.
Son más costosos que los RTXO.
Valor típico: 5×10-7 entre 0ºC y 50ºC
Temperature Compensated Crystal oscillator
Cuarzo: OCXO
Se coloca al cristal dentro de un horno a temperatura constante.
Se elije una temperatura donde la curva tiene pendiente cero.
Son los más costosos y de mayor consumo.
Por su tamaño y consumo no se usan en aplicaciones portátiles.
Además mejoran la estabilidad en el tiempo.
Tienen un warm-up más largo.
Valor típico: 7×10-9 entre 0ºC y 50ºC
Oven Controlled Crystal oscillator
Cuarzo: Resumen
Comparación de los distintos tipos de patrones:
Comparación de los distintos tipos de patrones:
Desviación de Allan
La estadística clásica usa la desviación estándar para medir la dispersión. Ésta es válida para variables sin dependencia temporal.
Como la frecuencia de un oscilador varía en el tiempo, al tomar muestras y calcular la media y desvío estándar se obtienen resultados que no convergen a ningún valor.
Para estos casos se usa la varianza de Allan.
La principal diferencia es que hace la resta entre el valor medido y el valor anterior en lugar de usar el valor medio.
Se usa para caracterizar la estabilidad de osciladores.
GPS como patrón de transferencia
El sistema de posicionamiento global está formado por 24 satélites que contienen 2 rubidios y 2 cesios cada uno.
Los satélites están a 20200km de altura y orbitan con un período de 11h 58min (12 horas siderales).
Normalmente al menos 4 satélites son visibles en cualquier lugar del mundo
GPS como patrón de transferencia
Los efectos de la teoría de la relatividad deben ser tenidos en cuenta.
La velocidad relativa del satélite hace que pierda 7.2µs por día respecto de La Tierra.
Por el contrario, la altitud hace que gane 45.6µs por día.
La ganancia neta es de 38.4µs por día.
Los relojes atómicos de los satélites son ajustados para que pierdan 38.4µs por día, de modo que desde La Tierra se perciba que están a la frecuencia correcta.
GPS como patrón de transferencia
Transmiten en dos frecuencias portadoras: L1 a 1575.42 MHz y L2 a 1227.6 MHz.
Los receptores de GPS proveen una salida de 1pps (y a veces de 1kHz) la cual se usa para enclavar en fase un oscilador de cuarzo o de rubidio por medio de un PLL.
Es como tener un oscilador ”autocalibrable”
A dicho oscilador se lo conoce como oscilador disciplinado por GPS, o ”GPS-DO”
Los GPS-DO no son automáticamente trazables a patrones internacionales. Deben ser comparados con patrones de mayor jerarquía para asegurarse que el sistema esté bien diseñado e interprete correctamente las señales de los satélites
Comparación de patrones
Las extremadamente pequeñas incertidumbres hacen que sea imposible comparar patrones por medio de la medición directa de la frecuencia.
En cambio, se mide la diferencia de fase entre las señales y se observa cómo varía en el tiempo.
Método del intervalo de tiempo
La fase se mide a partir del intervalo de tiempo (TI) entre ambas señales.
Con la diferencia de fase y el período de medición podremos conocer la desviación en frecuencia:
Por ejemplo: medimos una diferencia de fase de +1µs durante un período de medición de 24hs
Comparación de patrones
Time interval counter (TIC)
La mayoría de los contadores tienen una resolución de 100ns, que es el período de la base de tiempo.
Otros tienen multiplicadores de frecuencia que permiten llegar a 10ns o 1ns. Todos ellos insuficientes para comparar señales de 10MHz.
Los TIC son contadores específicamente diseñados para medir TI.
Tienen divisores de frecuencia en sus entradas que permiten llevar los 10MHz a 1Hz.
A frecuencia baja, la resolución en TI es suficiente.
Por medio de interpolación llegan a resoluciones de 20ps.
Medición de estabilidad con TIC
Computando la varianza de Allan a partir de las mediciones de diferencia de fase hechas con el TIC se puede caracterizar la estabilidad de un oscilador respecto a otro de referencia.
Medición de estabilidad con TIC
Sumatoria de la última columna = 2.2×10-21
Desviación de Allan:
Ver curvas de comparación entre osciladores.
Fuentes
Agilent AN 1289, The Science of Timekeeping
Agilent AN 200-2, Fundamentals of Quartz Oscillators
NIST, An Introduction to Frequency Calibrations
NIST, An Introduction to Frequency Calibration Part II
Agilent AN 52-1, Fundamentals of Time and Frequency Standards
Agilent AN1272, GPS and Precision Timing
NIST, Selecting a Primary Frequency Standard for a Calibration Laboratory
NIST, Primary Frequency Standards and the Realization of the SI Second
Symmetricom, A Modern Militarized Rubidium Frequency Standard
Pendulum, New GPS Disciplined Oscillator is fully traceable
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