Post on 05-Jan-2017
Projet :asservissementnumerique d’un
oscillateur aquartz
J.-M Friedt & al
Objectifs
Projet : asservissement numerique d’unoscillateur a quartz
E. Carry, J.-M Friedt
jmfriedt@femto-st.fr
transparents a jmfriedt.free.fr
4 aout 2017
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Projet :asservissementnumerique d’un
oscillateur aquartz
J.-M Friedt & al
Objectifs
Objectifs du projet• Le concept : un oscillateur asservi sur une source stable (1 PPS du
GPS – GPS disciplined oscillator 1 2)
• L’etude : correction en frequence de l’oscillateura quartz cadencant un microcontroleur
• La realisation : schema et routaged’un circuit autour d’un Atmega32U4
• Demonstration experimentale de larealisation
Application : synchronisation de mesures sur des bases etendues(interferometrie 3 : 1 µs = 300 m)
1. http ://www.microsemi.com/products/timing-synchronization-systems/embedded-timing-solutions/modules/gps-disciplined-oscillators
2. J.-M. Friedt, A. Masse, F. Bassignot, Les microcontroleurs MSP430 pour lesapplications faibles consommations – asservissement d’un oscillateur sur le GPS.,GNU/Linux Magazine France 98, Octobre 2007
3. E.N. Anagnostou, D.P. Lalas, National Observatory of Athens Long-RangeLightning Detection System,http://www.zeus.iag.usp.br/pub/publications/al02.pdf
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Projet :asservissementnumerique d’un
oscillateur aquartz
J.-M Friedt & al
Objectifs
Exemple d’instabilite del’oscillateur local
• Un oscillateur de reference presente une stabilite court terme(<100 s) de 10−9 − 10−10 sous un environnement controle stable
• En pratique, un systeme embarque est soumis a de largesfluctuations de l’environnement
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
5
10
15
20
temps (minutes)
mes
ures
hob
o (o C
)
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
x 104
0
0.5
1
∆ T
(o C)
à 30
cm
500 1000 1500 2000 2500 3000
5
10
15
20
TM
SP
430 (
oC)
(T/12/4096*1.5)/0.0035−291
<.>60
−50 0 50 1004.3399
4.3399
4.3399
4.3399
4.34
4.34
4.34
x 108 20 MHz resonator, multiplied to 400 MHz (PLL) + mixer at 34 MHz
temperature (oC)
f (H
z)
f[Hz]=0.0432*T 3−3.4975*T2−107.35*T+cst
433.988 MHz
2 kHz
Gauche : mesure de temperature exterieure et en sous-sol pendant 2,5 jours (1mesure/min)
Droite : oscillateur de reference (20 MHz), multiplie a 433 MHz, en fonction de la
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Projet :asservissementnumerique d’un
oscillateur aquartz
J.-M Friedt & al
Objectifs
Correction d’oscillateur local• L’ajustement de l’oscillateur local s’obient en polarisant une varicap
sur un des pieds du resonateur 4
• Un compteur de frequence mesure la frequence de l’oscillateur (letemps de porte est considere comme exact)
• Un asservissement compense les derives de frequence
• Compteur direct⇒ simple a implementer dans tout microprocesseurpossedant un timer (Input Capture)
polarisation
(Vdc)
2.0147 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148
x 106
0
0.01
0.02
frequence|Y
|
vide27 pF37 pF
2.0147 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148
x 106
−2
0
2
2.0147 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148
x 106
−2
0
2
2.0147 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148
x 106
−2
0
2
2.0147 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148 2.0148
x 106
−2
0
2
φ Y
2.014750 MHz 2.014820 MHz ∆ f=70 Hz
4. J. Vig, Quartz Crystal Resonators and Oscillators (2000) ahttp://www.am1.us/Local Papers/U11625%20VIG-TUTORIAL.pdf
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Projet :asservissementnumerique d’un
oscillateur aquartz
J.-M Friedt & al
Objectifs
Reference GPS
Motorola Oncore VP Thales A12
Novatel Superstar2
200 ns sur le signal 1 s 1PPS ⇒ 0.2 ppm stabilite relative (< 0.5 ppm)sur le long terme puisque GPS n’est pas affecte par les derivesthermiques, stress, vieillissement ...
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Projet :asservissementnumerique d’un
oscillateur aquartz
J.-M Friedt & al
Objectifs
Demonstration experimentale :boucle ouverte
MotorolaOncore VP
1 PPS
HP53131A
counterref. Cs
10 MHz
PC (recording)
32 kHz
PWM
MSP430
4 MHz
freq., PID, T
RS232
compteur
RS232 3600
3800
4000
4200
4400
4600
4800
0 20 40 60 80 100 120
freq
uenc
e %
655
36 (
Hz)
PWM -> DAC (u.a.)
• Evolution de lafrequence en fonctionde la tension depolarisation (boucleouverte)
• ajustement sur 1 kHzautour de 4 MHz(250 ppm) 6 / 10
Projet :asservissementnumerique d’un
oscillateur aquartz
J.-M Friedt & al
Objectifs
Demonstration experimentale :boucle fermee
Boucle ouverte : -1 ppm/K au-tour de 25oC, les fluctuations detemperature sont visibles sur lefrequence
Boucle fermee : les fluctuationsde temperature sont visibles surla commande
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oscillateur aquartz
J.-M Friedt & al
Objectifs
Analyse des resultats
100
101
102
103
104
105
100
101
τ (s)
στ
open loop closed loopclosed loop
PID feedback
no feedback
with feedback
100
101
102
103
104
105
106
10−9
10−8
10−7
10−6
10−5
τ (s)
σ τ
MSP430, openHP53131 openMSP430, closedHP53131, closed
3 s/year
1 day
variation de frequence absolue ∆f variation de frequence relative ∆f /f
• 5× 10−8 = 0.05 ppm en accord avec une stabilite du 1 PPS de50 ns
• Reference de temps accessible a toutes les unites, memespatialement distantes
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J.-M Friedt & al
Objectifs
Organisation du projet
• Groupes de 4 ou 5 etudiants
• 9 seances
1 Cette seance de presentation du projet (1,5 h), suivie de laconception du circuit et introduction au routage (Eagle 5) – 2,5 h.
2 Une seance proposant le resultat du routage de circuit (1,5 h) – unepresentation par groupe
3 Une seance de modelisation de la partie analogique (3 h)4 5 seances “intensives” de cablage, programmation et mise en œuvre
(5 × 4 h)
• A l’issue du projet, un membre de chaque equipe est choisi auhasard et presente le resultat de la realisation
Homogeneiser les groupes, pas tous les membres avec la memeexperience !
5. www.cadsoft.de9 / 10