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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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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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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oscillateur aquartz

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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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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

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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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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