晶振测试

关键词：

晶振测试（精选七篇）

晶振测试 篇1

高稳定度石英晶体谐振器 (简称高稳晶振) 是广泛应用于通讯、电子对抗、数传电台、计算机等电子信息产品的重要器件。高稳晶振的指标直接影响产品的可靠性, 因此如何检测其性能是非常重要的。

代表性测量仪器是频稳测试系统 (误差倍增器+多路开关) 。其原理是将被测频率源的频率起伏Δf进行倍频, 然后再用频率计数器进行测频来计算准确度、老化率、日波动等指标[1]。在频稳测试系统的设计中, 信号源是一个重要的组成部分。其作用为产生高性能的输出频率 (1～100 MHz) 可设定的钟信号, 与被测晶振的信号进行混频, 输出差值在倍频环的范围内。目前, 它广泛应用于信号源设计的直接数字频率合成 (DDS) 技术, 具有输出频率范围宽, 分辨力高, 相位噪声低, 易于实现等优点;其次, 对于高分辨力频率计数器, 在同等条件下, 频率分辨高一位, 倍增环路可少一路。经比较分析, 选择以DDS技术为核心, 采用AVR单片机和CPLD作为控制系统, 可适时控制、计算、处理, 并与上微机相连, 完成多路检测、分析、绘制状态图等工作。

1 频率误差倍增法测频的基本原理

设Fr为标准钟 (铷原子钟[2]) 频率, 被测频率Fx=Fr+Δf。通过第一级倍增[3]得到Fr+mΔf, 通过第二级倍增得到Fr+m2Δf……, 通过n级倍增, 则有:

$(mF{}_{\text{r}}+m{}^n\text{Δ}f)-(m-1)F{}_{\text{r}}=F{}_{\text{r}}+m{}^n\text{Δ}f(1)$

一般m=10, n=1, 2, 3, 4, 由于受倍频器本底噪声的影响, 最高n=5级。频差倍增最大达10-5。

由式 (1) 可知, 频稳测试系统只对接近标准钟输出频率的被测信号进行测量。因此, 需要研制高性能的新一代测试系统, 检测高稳晶振生产的质量。

2 测试系统的设计

2.1 信号源设计[4]

DDS是继直接频率合成和间接频率合成之后, 发展起来的新的频率合成技术。它通过系统时钟脉冲驱动来读取预先存储的波形数据, 经D/A数模转换器和低通滤波 (九阶椭圆滤波器[5]) 输出后得到所需的信号, 通过改变频率控制字的内容来实现不同频率的输出。DDS技术具有高的频率和相位分辨力, 输出频率范围宽, 输出信号的相位连续, 相位噪声低[6]。

$f{}_0=\frac{k}{2{}^{{\rm N}}}f{}_{\text{s}}(2)$

可选用ADI公司的AD9852[7]作为标准钟的核心部分, 铷原子钟提供其工作时钟。采用AVR (ATmega128) 单片机[8]和MAXⅡ (EPT240) 可编程器件对其进行控制, 实现了频率和相位可调, 输出频率范围为1～100 MHz的信号源, 其框图如图1所示。

在制作中, 需要考虑高低频干扰、信号的插入损耗与接触电阻, 并用软件对椭圆滤波器电路进行仿真。用HP频谱分析仪进行测试, 达到了设计的要求。

2.2 高分辨力频率计数器

采用倒数测量技术原理+模拟内插技术完成设计, 时间分辨力为1 ns;频率分辨力[9]为1×10-9/1 s。时序图如图2所示。

图2中, fx为被测信号的频率;f0为基准时钟的频率。当预备闸门作用时, 被测信号fx打开计数门, 进行被测信号和时钟脉冲的计数;内插扩展单元进行展宽计数。当预备闸门关闭后, 被测信号fx关闭计数门, 停止被测信号和时钟脉冲的计数;内插扩展单元结束展宽计数。

${\rm T}{}_x={\rm N}t{}_0+\tau {}_n-\tau {}_{n+1}(3)$

Altera公司MAXⅡ (EPT240) 可编程器件完成以上功能。AVR单片机分别取数、计算、显示。

频率测量范围为DC～300 MHz;频率分辨力为1×10-9/1 s;1×10-10/10 s。

用HP53131通用计数器 (225 MHz) 对同一信号进行测试, 其测试结果完全符合。

3 频稳测试系统的设计

3.1 高分辨力频率计数器直接测量

众所周知, 在重复性时间间隔 (频率) 测量中, 将其测量值平均是提高分辨力的一个简洁的方法。想法很简单:重复地测量相同的间隔, 并设各次测量之间有某种程度的独立性, 那么用平均测量值来估计间隔, 就可统计地缩小每次测量中±1个字的量化误差。

用这种方法进行时间间隔 (频率) 的测量[10], 应该注意:

(1) 相干性引起的非平均:当时间间隔重复速率与钟脉冲频率相干时, 或时间间隔速率是钟脉冲的约数, 那么每次测量时间间隔的出现相对于钟脉冲的相位都是相同的。因此, 全部测量将严格地读出相同的值, 而且不产生统计平均。在这种情况下, 一百万次测量的量化误差与单次测量是没有差别的。

(2) 时基的随机相位调制:时间间隔脉冲序列和时基钟脉冲序列之间的相干性可以通过引入随机相位调制来破坏, 从而不管时间间隔速率如何均可作有意义的时间间隔平均测量。相位调制信号是由齐纳二极管产生的噪声得来的, 如图3所示。

3.2 新一代频稳测试系统

以往, 频率计数器+误差倍增器 (Ⅴ环) 可以测量10-11量级的频率稳定度。设计的高分辨力频率计数器用于测量相同的频率稳定度, 误差倍增器只需配Ⅱ～Ⅲ环, 既确保了精度, 又保证了可靠性。

新一代频稳测试系统, 除了具备传统的频稳测试系统的功能外, 还可以测量0～100 MHz任意点信号的长、短稳定度, 给用户带来了极大的方便 (传统的频稳测试系统只能测试1 MHz, 10 MHz等点频信号) , 如图4所示。

首先, 测量被测信号的频率, 或置入被测信号的频率, 根据预置的计算公式, 给出Fr=Fx-Δf的控制字, 送给AD9852。经过跟随放大、九阶椭圆滤波器的滤波、50 Ω匹配同轴线输出的点频给倍频器, 为误差倍增单元提供标准信号, 来完成频稳系统的测量。

频率稳定度的计算有阿仑方差公式:

$\sigma =\frac{1}{f{}_0}\sqrt{{\displaystyle \sum _{i=1}^{\infty }\frac{(f{}_{i2}-f{}_{i1}){}^2}{2m}}}(4)$

式中:fi1, fi2为分别为某组测量的两个频率值;m为取样组数, 一般取100。

4 结 语

频率稳定度是衡量高稳晶振性能的重要指标。随着通讯技术的发展, 对其信号质量的要求也提高。由于通讯载波所需的高稳钟频是非标的, 需要对其时钟信号进行测量与分析。用新一代频稳测试系统《宽范围高稳晶振频率稳定度测试系统》, 可以快速地了解高稳晶振的性能, 提高通讯产品的质量。

参考文献

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浅谈时统晶振的失效机理 篇2

1. 石英晶振的工作模式

(1) 晶振在时统设备中的作用。

如图1所示, 时码从适配器由接收电路、逻辑电路、控制电路、监控微机组成。外标10MHz信号由SP线路送入逻辑电路, 内标10MHz信号由恒温晶振提供。经过优先选择 (外标优先) 出一路10MHz信号分频, 产生1KPPS和1PPS, 1KPPS送给控制电路产生B (DC) 码, 1PPS一路作为输出, 一路作为内部走时钟信号。

由此可见, 恒温晶振在外部频标失效的情况下能独立提供本地频率源, 只要恒温晶振保持稳定, 系统在应急情况下依然能正常守时。

(2) 晶振的工作机制。

石英晶体元件由于性能稳定、功耗小、品质因素高、制造成本低, 日益广泛地应用在通信、测量、控制和全球定位等领域。石英晶体具有压电效应, 当施加于交变电场中时, 就等效于由电阻、电容和电感组成LC回路 (见图2) 。

振荡回路产生稳定的振荡频率要注意几个重要的条件: (1) 石英晶振的激励等级可按照晶振各种工作状态下的消耗电力或电流等级表示。如果利用过大的电力使晶振工作, 有可能产生频率不稳等特性的恶化, 导致石英芯片破损。进行电路设计时, 确认所使用的激励等级不超过绝对最大激励等级。 (2) 负载容量是决定振荡电路中晶振频率的参数, 从加在振荡电路中晶振两端的电容可知。因负载容量的不同, 晶振的频率会相应变动。为了获得目标的频率精度, 必须使晶振与负载容量相匹配。使用时应根据相应晶振的负载容量, 将振荡电路的负载容量设定为与其相符。 (3) 为使石英晶振在振荡电路中可以稳定地振荡, 电路的负性电阻与晶振的等效串联电阻相比, 必须具有充分大的容量。建议将振荡宽限设置为晶振的等效串联电阻5倍以上。与晶振串联连接上纯电阻Rx, 确认振荡开始或结束。缓慢地使Rx值逐渐变大, 开始或结束振荡时的最大电阻Rx加上晶振的有效电阻Re, 即该电路的大概负性电阻的数值。负性电阻│-R│=Rx+Re。

高密度试验任务条件下, 时统设备特别是石英晶振长时间经受船体震动、高温高湿、盐雾、复杂电磁环境、电源波动和老化等影响, 会使晶振阻抗、容抗、感抗的等效参数和振荡电路的工作条件发生变化, 从而影响振荡电路的起振或输出频率的准确度。

2. 环境因素对石英晶振频率稳定度的影响

频率稳定度是指振荡器在某一时间间隔内平均频率的随机起伏程度。频率源内存在的各种电噪声对输出信号形成寄生调频或调相, 从而使频率值产生随机起伏。在频域内则用统计方差描述。目前普遍采用阿伦方差描述频率稳定度: (m为采样次数) 。

频率稳定度与测量时间的采样时间、采样周期、采样数和系统带宽等有关。因此, 在提及稳定度时, 应同时说明上述参数。根据外测系统逐点移动平滑求速的特点, 频率稳定度指标测试应取组与组之间无间隙采样, 测量频率源的短稳时, 其测量时间、采样周期应和测量系统测速数据采样时间完全一致。

(1) 温度因子。

石英晶振的谐振阻抗和谐振频率随着温度变化而变化。石英的导热率较差, 当温度变化时, 石英片内的温度要经过一段时间才能均匀。在达到均匀状态前, 石英片内各处温度不同, 因而引起很大的热应力。热应力的存在使谐振器产生很大频偏。音叉型石英晶振的频率温度特性如下侧的曲线如图3所示, 显示了以+25°C为顶点的负向2次方程曲线。

温度范围越宽, 频率的变化量越大, 因此, 需要考虑所使用环境的温度范围和必要的精度。频率温度特性的近似公式:ftem=B (T─Ti) 2x

(2) 密封腔真空度下降。

石英晶体工作在振荡模式时谐振阻抗随气压变化的灵敏度较高。由晶振晶格内摩擦所引起的本底谐振阻抗Z0不随外界气压而变。因此, 晶振的谐振阻抗Z阻抗ΔZ之间的关系可写成ΔZ=Z-Z0。若晶振周围气体分子质量为m, 压强为p, 当气体压强在100pa以下的低压端, 靠近大气压时, 石英晶振真空计可测量不同气体的真空度。

(3) 振动影响。

造成稳定本振频率不稳定的因素是各种干扰调制源, 可分为规律性与随机性2类。风扇和电机的机械振动或声振动、电源纹波等产生的不稳定属于规律性的, 可采用防震措施和电源稳压方法减小影响。而由震荡管噪声和电源随机起伏引起的本振寄生频率和噪声属于随机性不稳定, 其中以稳定本振产生的噪声影响更为严重。

(4) 老化漂移。

频标在连续运行中, 由于受内部元器件老化的影响, 其输出频率值将随时间单调增加或减小, 频标相对频率值变化的线性率称为频率漂移率。对于石英晶体频率标准, 由于频率漂移通常由石英晶体随运行时间的老化造成, 因此又将其频率漂移率称为老化率。表示为:

由上式可见, 频标频率准确度随工作时间越长, 漂移率 (老化率) 越大, 频率准确度越差。

3. 对晶振及时统设备使用和维护的几点意见

SC切恒温晶振老化特性补偿方法 篇3

关键词：老化,补偿,恒温晶体振荡器,微处理器

0 引言

随着通信技术的迅速发展和市场的进一步扩大, 对恒温晶体振荡器[1]的各项指标提出越来越高的要求, 尤其恒温晶振长期稳定度 ( 老化特性) [2]的要求越来越高。越来越多的业界人士关注如何提高长期稳定度, 有很多的文献提及老化补偿, 老化特性的补偿和优化已经成为晶振行业的开发重点。针对此状况, 本文提出了一种改善老化的补偿算法[3]和实现方案。以SC切10 MHz恒温晶振[4]作为老化优化对象, 分析其老化数据, 总结出简单易行的老化预测模型[5]。通过微处理器建立晶振工作时间轴, 在相对固定的时间间隔对恒温晶振进行老化特性补偿, 达到优化老化指标的目的。实验结果表明, 该方案简单易行, 经过补偿的晶振其日老化指标可优于1×10- 10, 优化效果明显。

1 老化补偿算法

1. 1 老化补偿算法

当前, 各种文献资料提出了多种多样的晶振老化补偿模型[6], 但大多公式繁琐, 考虑因素复杂, 很难实际操作实现, 本文在分析现有模型基础上, 基于简单易实现的原则, 剥离老化补偿中的不确定因素, 将老化模型化繁为简, 提出了线性老化预测补偿模型。几只SC切10 MHz晶振第1个月老化数据和2年老化数据如图1和图2所示。

通过分析, 可将晶振分为2组。第1组: 第1个月老化约 + 11 ppb; 2年老化约 + 110 ppb。第2组:第1个月老化约 + 6. 5 ppb; 2年老化约 + 50 ppb, 分析发现, 恒温晶振第1个月的老化数据与长时间 ( 2年) 的老化数据呈近似线性关系。由此, 可以将SC切10 MHz晶振老化预测模型简化为:

长期老化 ( LHy) = 第一月老化 ( LHm) * 老化系数 ( β) 。

通过大量的数据分析, 发现上述公式虽然与老化曲线不能精确拟合, 补偿量无法完全抵消晶振老化漂移量, 但是该公式简便易操作, 可以成倍, 甚至成数量级提高老化特性指标, 在一定程度上实现了优化老化特性的目的。

1. 2 时间轴的建立

基于恒温晶振重新上电对老化偏移影响较小, 可以忽略不计。本本设计同时忽略了晶振上电时间、掉电时间的统计和补偿, 而是采用等时间间隔 ( 如2天) 对恒温晶振进行一次老化补偿的方法。微处理器从晶振老化补偿模式激活后第1次上电开始计时, 满足设定的补偿时间间隔后, 对晶振进行一次老化补偿, 并存储当前补偿量和补偿次数 ( 掉电后数据不丢失) 。不论掉电时间长短, 重新上电时, 微处理器自动读取该存储位置的补偿量和补偿次数, 并输出该补偿量, 待再次满足时间间隔后, 更新该存储位置的补偿量和补偿次数, 继续后续老化补偿。补偿次数决定了已经历的老化时间。

1. 3 补偿分辨率和步进输出

补偿分辨率和输出步进的大小直接影响到恒温晶振的相位噪声、秒稳, 必须合理设置。微处理器采用16 bit的PWM输出控制, 数字量变化范围0 ~65 535, 则拉动分辨率可设定为3×10- 1 2, 远小于恒稳晶振工作 室自身的 波动大小。以2年老化200 ppb为例, 激活老化补偿模式后, 每天补偿一次, 共补偿600次, 每次补偿量约为3×10- 10, 步进输出每步3×10- 12, 共需100步输出, 可设定每步耗时2. 7 s, 完成一次老化补偿共需耗时约5 min。按此方法进行老化补偿, 整个补偿过程不会影响恒稳晶振的短期稳定度指标[7]。

2 硬件组成

微处理器的引入使老化补偿方案的硬件组成十分简洁, 只需在被补偿对象电路中增加一个微处理器模块即可。各项工作主要由软件编程实现。

系统硬件基本组成包括: 微处理器、低通滤波电路[8]和被补偿恒温晶振。老化补偿硬件组成如图3所示。

微处理器内部模块主要由一线通信模块、存储模块和PWM输出模块等基本功能组成。通信模块主要实现老化补偿状态调试、初始参数的写入等人机交互功能。正常运转后, 客户无需进行操作。存储模块主要实现晶振补偿数据的存储, 晶振掉电后重新读取老化补偿量。PWM模块和低通滤波电路实现老化补偿数据的输出。

3 软件设计

软件工作分为以下几个模块: 系统初始化模块、时间轴模块、一线通信模块、老化预测算法模块、PWM输出模块、步进输出模块和FLASH存储模块。软件设计[9]流程图说明各模块之间的协调工作方式, 如图4所示。

晶振初始化工作后, 通信模块处于待触发状态, 在需要调整老化补偿参数时, 可发送相关命令, 微处理器收到命令后即处于调试状态。每次上电软件均根据参数设定自动判定是否激活老化补偿, 未激活时, PWM输出固定值, 不进行老化补偿。激活后, 软件时间轴开始运行, 微处理器在规定的时间间隔输出老化补偿数据。并实时保存当前的补偿时间和补偿量。在老化补偿激活后, 晶振重新上电的, 软件自动读存储器中最后一次保存的补偿时间和补偿量作为本次初始值进行输出, 继续完成后续补偿。

4 老化补偿效果

对图1和图2中的2组晶振, 从中取2只按上述方案进行老化预测补偿, 再取2只不进行老化补偿, 对比它们长期的老化特性。这4只晶振同时上电老化。每天固定时间测试一组频率值, 在经历106天的老化测试后, 提取老化数据进行整理、对比分析, 5老化补偿测试数据[10]如图5所示。

图5中, 横坐标是时间轴, 以天为单位。纵坐标是频率偏移量, 单位ppm。经老化计算可知4只晶振的日老化数据对比如表1所示。

由图5和表1可知, 经过老化补偿的恒温晶振日老化达到10- 1 1量级, 比没有未补偿的恒温晶振的日老化提高了3 ~ 5倍。

单位 ppm

5 结束语

恒温晶振的设计和生产过程中, 通过对恒温晶振长期老化特性的跟踪和采集, 可以预测它的长期稳定度的趋势, 形成老化模型, 根据模型进行反向补偿, 可以将恒温晶振的老化率提高至少一倍以上, 对恒稳晶振的老化指标有一定的优化作用, 满足了某些设备对高端恒温晶振的要求。该方案参数设置灵活, 在批量生产和应用中, 可适当调整补偿量和补偿时间, 这样会实现更好的补偿效果, 提高晶振老化指标, 满足客户要求。

参考文献

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晶振测试 篇4

石英晶体振荡器受制造工艺、器件老化以及外部温度等因素影响, 其实际频率值与标称频率值存在偏差。此外, 晶体振荡器内部存在着各种噪声也会使频率值产生随机起伏, 从而导致晶振频率的准确度和稳定度降低。当前, 国内外在研究晶体振荡器的老化和随机噪声、分析晶振频率误差特性方面提出了很多方法, 比较常见的有时间对数线性模型法、自适应滤波法及非线性时变预测法。前两种方法的缺点是参数较多, 选择合适的参数较难[1,2], 非线性时变预测法的模型描述能力强, 但由于没有函数参数的显式表达式, 不能将模型求解归结为参数求解问题, 一般通过学习来逼近该函数, 主要用于频率变化的预测[3]。

在上述方法的基础上, 本文利用CPLD设计了一种电路, 该电路采用比时法[4,5]来测量晶振频率变化, 并根据其频率随时间变化拟合曲线的特点, 用线性回归法分析其频率误差特性。该方法模型简单, 参数易于估计, 可通过简洁的补偿方法消除晶振相对频偏, 具有实际的应用价值。

1晶振频率测量系统组成

测量系统由GPS接收机、晶振、时差测量模块、时钟产生模块、计算机数据采集处理组成。组成原理如图1所示。

GPS接收机每秒输出1路TTL电平的标准秒脉冲 (1 PPS) , 晶振是时差测量和时钟产生的频率源。时钟产生电路产生本地秒脉冲。时差测量电路测量GPS秒脉冲与本地秒脉冲的相位差值。

采用比时法测量晶振频率的系统工作原理如下:首先由晶振分频得到本地的1 Hz频率源, 将GPS秒脉冲与本地晶振秒脉冲送入时差测量模块进行相位比较, 得到两者的相位差信号, 设计时间间隔计数器[6]对此相差闸门信号计数, 计数值即为晶振频率相对于标准频率的偏差, 反映了晶振频率的误差特征。时间间隔计数器每秒测量一次两者的偏差值, 需要测量的频差数据量由计算机设定, 测量结果传送到计算机进行数据统计, 并对晶振频率误差特性进行分析。本地时钟产生、时差测量及数据采集电路模块等都由CPLD设计实现[7,8]。

2模型建立

实验以GPS秒脉冲作为标准参考信号, 采用比时法对晶振的输出频率进行测量。按照建立的测量系统, 实际对某一晶振采集到30个计数值, 如表1所示。

表1中x表示测量的时间 (单位:s) ;y表示晶振脉冲计数个数。假设晶振在某秒计数值为M, 它的计数周期为T, 则MT为晶振秒脉冲与GPS秒脉冲的时间差值。例如在第6 s时测得计数值为470, 则表示在第6 s时晶振与GPS秒脉冲的时间差为470T。为了研究时间x与计数个数y之间的关系, 用ORIGIN工具软件对数据进行拟合处理, 得到的x, y关系曲线如图2所示。

从散点图可以看出, 测量计数值和测量时间大致呈线性关系。据此假设这两个变量之间的内在关系是一条直线, 这些点与直线的偏离是由于测量过程中其他一些随机因素的影响而引起的[9], 这样可以假设这组测量数据有如下结构形式:

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式中:ε1, ε2, …, εN分别表示其他随机因素对变量y1, y2, …, yN影响的总和, 一般假设它们是一组相互独立, 并服从同一正态分布N (0, δ) 的随机变量。变量x在实验中为自然数, 表示具体的秒脉冲数值。这样, 变量y表示实际所测得的晶振与标准频率的计数差值, 它是服从N (β0+βxt, δ) 的随机变量。

用最小二乘法[10]来估计参数β0, β。设b0, b分别是参数β0, β的最小二乘估计, 于是得到一元线性回归的回归方程:

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式中:b0, b是回归方程的回归系数, 分别表示晶振相对于标准频率的初始误差和累积误差。应用最小二乘法可求得回归系数b, b0为:

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3数据分析与处理

3.1 回归系数估计

为了定量分析数据, 从而确定晶振频率误差的组成, 首先对上述测得的数据进行归一化处理。实际测量中得到的是晶振脉冲的计数个数, 设测量系统所用晶振频率为10 MHz, 可将计数数据转化为晶振相对于标准时间每秒的时间之差。例如在x=30 s时, y=2 349, 表示在第30 s时, 晶振频率相对于标准频率的计数值为2 349, 若晶振频率f=10 MHz, 则可得到在第30 s时晶振相对于GPS时间的误差为t=y/f=234.9 μs。

用Matlab对归一化数据进行处理, 依照最小二乘原理, 得到计数时间x与时间差值y的均值, 以及x的自相关、x和y的互相关、y的自相关及回归方程如表2所示。

从表2得到回归方程为:

undefined

从回归方程可以看出, 给定一个时间x值, 就可得到相对应的时间差值。例如, 在x=15 s时, undefined, 表示在第15 s时晶振相对于标准时间的误差为t=117.72 μs。从回归方程可预测此晶振在24 h相对于标准时间的时间误差值为:

7.828×3 600×24=676 339.2 μs⧋676 ms

以上求得了回归方程, 但是该方程是否基本上符合y与x之间的客观规律, 是否符合晶振频率误差变化的实际特点, 还需要对回归方程做进一步的分析。在回归分析法中, 通常采用方差分析法[10]对回归方程的显著性进行检验, 其实质是将N个测量值的影响从数量上区分开, 然后用F检验法对所求回归方程进行显著性检验。

3.2 晶振频率误差数据方差分析及显著性检验

测量值y1, y2, …, yN之间的差异 (称为变差) 是由两方面的原因引起的。一是自变量取值的不同, 二是其他因素 (包括试验误差、随机误差等) 的影响。为了对回归方程进行检验, 把两者所引起的变差从y的总变差中分解出来。根据上述数据可得:

undefined

式中:U称为回归平方和, 它反映了在y的总变差中由于x和y的线性关系而引起的y变化的部分;Q称为残余平方和, 即所有测量点距回归直线的残余误差平方和。

若总的平方和由N项组成, 其自由度就为N-1, 总的离差平方和的自由度可分为回归平方和的自由度vU和残余平方和的自由度vQ之和, 即:

undefined

在一元线性回归中, vU=1, vS=N-1, 则Q的自由度vQ=N-2。由回归平方和与残余平方和的意义可知, 一个回归方程是否显著, 也就是y与x的线性关系是否密切, 取决于U及Q的大小, U愈大Q愈小, 说明y与x的线性关系愈密切。通常可以采用F检验法来对方程进行显著性检验。对于一元线性回归, 将U及Q的值代入上式得到统计量F:

undefined

由F分布表可以查出, F≥F0.01 (1, 28) =7.64。可认为回归是高度显著的。

残余平方和Q除以它的自由度vQ所得商:

undefined

称为残余方差, 它可以看作排除了x对y的线性影响后, 衡量y随机波动大小的一个估计量。残余方差的平方根:

undefined

称为残余标准差, 它可用来衡量所有随机因素对y一次性测量平均变差的大小, σ愈小, 则回归直线的精度愈高。

把平方和及自由度进行分解的方差分析数据结果归纳在一个表格中, 如表3所示。

从表3可以看出, 在30 s时间内, 晶振实际频率与其标称频率的相对偏差引起的误差平方和为1.377 18×105 μs2, 其他各种随机因素引起的误差的平方和为1.996 μs2。晶振相对频偏引起的误差远远大于其他因素引起的误差, 表明了晶振频率误差贡献主要来源于实际频率与标称频率之间的频偏。通过频率修正即可得到一种高稳定度的频标源。

4结语

以上分析结果表明, 该晶振频率误差主要来源于实际频率与标称频率的相对偏差, 随机误差对晶振整体误差的贡献很小。通过对晶振标称频率值进行在线补偿可以消除其相对频偏, 从而获得一种具有较高稳定度的频率源, 可为需要时间显示的场所提供高精度的时间服务。

摘要：受器件老化、随机噪声等因素影响, 晶振频率变化较复杂。以GPS秒脉冲作为测量标准, 构建了晶振频率随时间变化的测量系统, 通过对测量数据进行一元回归统计处理, 分离出了晶振实际频率与其标称频率的相对偏差及晶振的各种随机误差, 并分析了这两种误差对晶振准确度及稳定度的影响。该方法可为频率源误差测量分析提供借鉴作用。

关键词：GPS,晶振,频率,误差,回归分析

参考文献

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一种基于门振荡电路的恒温晶振设计 篇5

晶体振荡器是电子装备的核心器件, 可广泛应用于雷达、电子对抗、通讯、航天测控等系统中, 近年来, 各类工程对具有低相位噪声、高稳定性、小体积和良好一致性的晶振提出了批量配套的需求。对此, 本文研制出了一种基于门振荡电路的小型超低相噪恒温晶振 (标称频率为10MHz, 体积为36mm×27mm×13mm) , 并对该电路进行了电路设计分析, 测试结果表明在小体积条件下可实现晶振超低相噪和高稳定度的研制目标。

2电路设计

该电路采用了如下设计方案, 晶体振荡器原理框图如图1所示。电路部分主要由稳压电路、频率调节电路、振荡电路、放大电路、整形电路、控温电路六部分组成。

2.1振荡电路

振荡电路是整个产品的核心, 常用的晶体振荡器电路主要有串联反馈型振荡电路和并联反馈型振荡电路。因并联反馈型振荡电路能够尽量减少杂散电容和分布参数对频率稳定度的影响, 电路应用频率范围较宽, 频率稳定度较高, 故振荡电路采用并联反馈型电容三点式振荡电路方案。但因传统振荡电路中放大器多采用晶体管, 偏置电路相对复杂, 且晶体管易受到极间电容影响, 在高频振荡时容易对振荡状态带来影响;同时晶体管技术参数易受温度变化影响, 也会对振荡电路温度系数带来恶化。为解决上述一系列问题, 采用逻辑非门振荡电路, 其交流等效电路如图2所示:

在逻辑非门振荡电路中, 逻辑非门起到反相放大器的作用, 它将输入的信号相移大约180°后输出;电容C2和电感L1并联组成B模和泛音抑制网络, 在10MHz处等效为电容C2′, 晶体谐振器等效为电感, 与C1、C2′一起组成π型网络, 产生另外180°相移, 所以整个环路的相移为360°, 从而满足了保持振荡的条件。反馈电阻RF产生负反馈, 将反相器设定在中间补偿区附近, 使反相器工作在高增益线性区域。R12为驱动限流电阻, 主要功能是限制反相器输出, 从而调整晶体谐振器激励电平。

由于逻辑门电路采用CMOS工艺, 相对于晶体三极管, 具有更低的闪烁噪声, 因此采用该电路结构能实现更低的相位噪声指标;其偏置电路简单, 元件数量相对较少, 因此适于小体积设计;集成逻辑非门又具有低温漂特点, 可以降低振荡电路的温度系数;为了降低相位噪声基底, 本设计又选用了多个反相器并联的方式来提高激励电平, 进一步降低远端相噪。

综合以上特点, 区别于以往的晶体管振荡电路, 该电路采用了逻辑非门振荡电路, 它可以更好地满足低相噪、小体积、高稳定性等技术要求。

2.2控温电路

控温电路主要起到维持晶体谐振器和关键器件温度恒定的作用, 它直接关系到振荡器的稳定度要求。为了控制或消除环境温度变化对晶体振荡器输出频率的影响, 获取稳定的频率输出, 采用了带高精度运放反馈回路的直流连续放大式控温电路, 在反馈回路中又采用了由高灵敏度电流检测器组成的电压反馈系统, 显著地提高了控温电路的灵敏度和控温精度。图3给出了该控温电路的示意框图。

在恒温结构设计上, 将主振电路、稳压电路、变容二极管及其它温度敏感器件均放置于恒温槽附近, 降低与恒温区域的热梯度, 进一步提高频率温度稳定性。

2.3稳压电路设计

电源上的干扰是噪声的重要来源之一, 电源上的噪声或纹波将使任何振荡器的相噪性能恶化。为保证稳压电路的稳定性, 稳压电路采用低噪声线性稳压器, 其噪声电压可达到20m VRMS, 能有效减少电源电压变化及电源纹波对器件性能造成的影响。

2.4频率调节电路

频率调节电路是通过改变串联在晶体一端的变容二极管上的电压, 来改变变容二极管的电容, 从而改变晶体的负载电容, 达到改变晶振频率的目的。为避免压控频率调节输入端电压纹波对晶振噪声性能带来恶化, 在压控输入端设计了低通滤波回路。

2.5放大电路

由于主振电路输出为高阻, 易受到负载的影响, 因此要通过缓冲器输出。为实现更好的阻抗匹配, 缓冲放大电路也采用了高输入阻抗的逻辑非门作为反相放大电路。

3研制结果

根据上述电路设计, 研制出了基于门振荡电路的10MHz恒温晶振, 表1是其主要技术指标设计要求值与实际测试值的对照表。

相位噪声实际测试曲线见图4所示:

从上述的测试结果可看出, 研制的基于门振荡电路的恒温晶振实现了超低相位噪声 (近端1Hz处达到-110d Bc/Hz, 而远端100k Hz及1MHz处达到-177d Bc/Hz) 和高频率温度稳定性 (达到-10量级) 的预期研制目标。

4结束语

研制的基于门振荡电路的恒温晶振已进行了小批量生产, 经用户使用验证后效果很好, 该种电路达到的技术指标高、调试量又很少、一致性好, 具有可生产性, 有很好的应用前景。

参考文献

[1]沈伟慈.高频电路[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2000.

[2]赵声衡.石英晶体振荡器[M].湖南:湖南大学出版社, 1997.

晶振测试 篇6

现研制的某小型化空间飞行器需要与地面遥测系统实时收发数据,要求其每秒定时误差小于5×10-7s。由于该飞行器小型化、低成本的研制要求,综合考虑精度、体积、重量、工作环境等各项因素,采用了10MHz的温补晶振作为系统的时钟源。飞行器是利用温补晶振振荡次数来定时的,若标称10MHz的温补晶振,则认为它振荡107次则是1s。在这样的计时模式下,要使得每秒定时误差小于5×10-7s,其频率偏差应小于5Hz。然而性能较好温补晶振年老化率为10-6量级[1,2], 年频率偏差大于10Hz。因此在该飞行器几年的研制周期内,由于老化引起的频率偏差已经超出了最大定时误差允许的范围。为了提高定时精度,消除老化引起的频率偏差是目前亟需攻关的任务。

传统的温补晶振校准方法[3,4,5]的原理是:晶振实际输出的频率会随着晶振两端电压的改变而发生改变。根据实际测得晶振频率偏差的大小改变晶振两端的电压,来调整晶振输实际出的频率。这种的方法涉及电路上元器件的改变,稳定性和可移植性都较差。本文提出了一种巧妙、精简的频率补偿电路,消除了温补晶振由长期老化引起的频率偏差,可以极大地提高了飞行器的定时精度。

2温补晶振精度校准电路设计

2.1校准思想

某温补晶振标称频率为f0,单位:Hz,测得其实际输出频率为fx,单位:Hz;实际振荡周期为tx,单位s。此温补晶振定时偏差达到一个振荡周期时,振荡次数N为:

把N作为校准电路的修正参数。若N为正,则f0fx,说明温补晶振输出频率比标称频率小,定时会比标准时间统计的少;若N为负,则f0fx,说明温补晶振输出频率比标称频率大,定时会比标准时间统计的多。

当温补晶振累积误差达到一个振荡周期,温补晶振的统计时间多了或者少了。在FPGA的定时器中,将这个多的或者少的从温补晶振统计的时间中补偿掉,这样就能保证温补晶振统计时间的准确性和定时的精度。

一个振荡周期的时间是目前不改变温补晶振内部结构,所能纠正的最小的时间差。如果温补晶振的累积偏差积累到一个振荡周期时,使得累积偏差不再增加,将温补晶振的最大定时误差控制在一个振荡周期以内,那么10MHz温补晶振的定时精度会小于每秒10-7s, 可以满足研制要求。

2.2校准电路设计

根据以上的校准思想基于FPGA平台设计了一种巧妙的、精简的频率补偿电路。FPGA设计灵活,并行处理速度快,通过软件的修改可达到修改硬件电路的目的。另外,选择FPGA作为校准电路的设计平台是为了保证校准电路的设计可以移植到飞行器的信息处理的逻辑设计中。在振荡次数为N,温补晶振定时偏差达到一个振荡周期时,校准电路会对这个偏差进行补偿,使得定时偏差一直保持在一个振荡周期以内。

频率补偿电路的关键process代码如下:

各信号含义和功能如表1所示。校准电路逻辑框图如图1所示。 频率补偿电路由分频器、计数器、选择器、控制寄存器等部分构成。 主要介绍分频器、关键控制寄存器和选择器的功能。

2.2.1分频器

电路中分频器的模块是将校准后的温补晶振进行10分频,得到周期为,脉宽的脉冲信号。虽然某一个微秒脉冲信号存在一个振荡周期的偏差,但是通过对此1信号的计数,可以得到稳定、准确的定时,整个定时偏差也将小于一个振荡周期。

2.2.2选择器

电路中共有6个选择器。

选择器1、2:当计数器不等于修正参数的绝对值时,选择输出0, 否则选择输出1。

选择器3:当修正参数为正时,选择输出0,否则输出1。

选择器4、5:当计数器小于9时,选择输出0,计数器等于9时,选择输出1。

选择器6:当关键寄存器bit1与bit0值为“01”时,选择输出2;为 “11”时选择输出1;否则输出0。

2.2.3关键寄存器

关键寄存器即校准模式控制寄存器由bit1和bit0组成。bit1和bit0的值分别是选择器3和选择器2的输出值。bit1和bit0组合的值作为选择器6的控制信号。

温补晶振通过这样的一个补偿电路,会在其统计时间的累积偏差每次达到一个振荡周期就会被补偿掉。如若不通过这样的补偿电路,温补晶振统计时间的偏差会一直累加,在上述设计的补偿机制下,温补晶振统计时间的偏差不会再一直累加,其最大偏差理论上都不会超过,这样就大大提高了温补晶振的定时的准确。

3校准电路优化与性能分析

上述分析可知,当累积误差积累到一个振荡周期时,通过补偿的方式给予消除。其实当累积误差积累到半个振荡周期时,即振荡次数为N/2,即可进行一次补偿,这样在振荡次数N/2~N之间,累积误差将逐渐减小,当振荡次数为N时,累积误差正好消除。在这样的补偿机制下,温补晶振统计时间的累积误差将控制在半个振荡周期以内,精度较以前的补偿机制提高了2倍。

在其他影响因素相同的情况下,未校准方案、校准方案以及优化的校准方案中,温补晶振统计时间的累积误差与振荡次数的关系如图2所示。

从图2中可明显看出,如果不对温补晶振进行校准,温补晶振统计时间的累积偏差会随着晶振振荡次数的增长成线性增长,这会导致定时器精度严重下降。对温补晶振进行校准后,累积偏差发生了质的改变,不会再随晶振的振荡次数的增长而累加,该偏差会严格控制在一个振荡周期以内,不考虑其他因素影响,校准后的温补晶振理论上每秒定时偏差小于10-7s;对校准方案进一步优化,不考虑其他因素影响,校准后的温补晶振理论上每秒定时偏差将小于5× 10-8s,远远满足项目研制定时精度小于每秒5×10-7s要求。

4结语

根据实际项目需求,本文提出了一种利用频率补偿的方式的温补晶振校准电路设计方法,该方法巧妙地把温补晶振的定时误差控制在1/2个振荡周期以内,消除了由温补晶振长期老化引起的频率偏差,极大地提高了温补晶振的定时精度,可以广泛的应用于对定时精度要求极高的小型化空间飞行器的信息处理系统中。

参考文献

[1]孙小莉.高稳定度晶体振荡器频率温度特性改善的研究[D].西安电子科技大学,2013.

[2]杨宇飞.小型天文测量计时器研究[D].解放军信息工程大学,2013.

[3]Utpal Sarma,P.K.Boruah.Design and Characterisation of a Temperature Compensated Relative Humidity Measurement System with On Line Data Logging Feature[J].MAPAN,2014,292.

[4]孙小莉.高稳定度晶体振荡器频率温度特性改善的研究[D].西安电子科技大学,2013.

晶振测试 篇7

根据作者提出的晶体振动频率变化由中心应力决定的这一结论, 采用了有限元方法[4], 分析了在各种不同结构晶振电极中心区的应力分布, 利用此方法分析不同晶振结构对石英谐振器力频特性的影响, 并对该结论进行了试验验证。发现结果几乎吻合。

1 AT切石英晶体谐振器晶片结构及其力敏特性

1.1 AT切石英晶体谐振器晶片结构

石英晶体谐振器的问世是在1921年, 其主要部分是一个用石英材料做成的机械振子, 两个电极被加在振子上, 用来激励振子中的机械振动。图1所示为典型的圆盘式石英谐振器的结构图, 它由石英晶片 (即振子) 、电极和电极引线三部分组成。

图1 AT切石英谐振器外形及相关参数

当电激励信号通过电极加在石英晶片上时, 由于逆压电效应引起的压电应变作用, 晶片内部将被激励而产生厚度剪切振动, 与此同时, 晶片的切变振动又在晶片表面产生交变电荷, 对外电路产生正反馈。当激励频率与晶片的固有厚度剪切振动频率相近时, 即产生机电谐振。

1.2 AT切石英谐振器的力频特性

基频为5.9k Hz的石英谐振器沿x轴方向施加作用力 (ψ=0) , 用Agilent-53132A (12位) 数字式频率计测量不同作用力下谐振器的频率变化量 (频差) , 测试结果如表1及图2所示。

图2 AT切石英晶体谐振器的力-频特性

用最小二乘法作直线拟合, 得到反映谐振器力敏特性的力-频转换系数SF及线性相关系数R0的值分别为

R0=0.9993≈1, 说明石英晶体谐振器的力-频特性的非线性误差非常小, 频率变化量与作用力之间具有良好的线性关系。

2 几种石英谐振器电极中心区应力的有限元法分析

ANSYS软件是集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件, 应用非常广泛。它不仅可以分析已有实体在各种物理条件下的工作状况, 而且可以进行特定物理条件下模拟设计。其分析和设计结果可以通过各种直观的图形和动画显示, 使用很方便。ANSYS软件中structure分析功能是用于分析二维及三维物体应力应变的有力工具。通常包括以下三个步骤:建模、施加载荷和计算。

2.1 建模

2.1.1 选择分析类型:选择ANSYS软件中structure分析功能。

2.1.2 设置模型参数

2.1.3 定义单元类型:

选择形状为四节点四边形solid单元, 此单元可用于求解三维物体的应力应变分布, ANSYS通过质量、动量和能量守恒性质计算应力分布和应变分布。

2.1.4 生成模型。

2.1.5 划分网格:将整个面划分为1120个单元。

2.2 施加载荷

2.2.1 施加边界条件:沿x轴向分别加5N的力。

2.2.2 设置分析条件:静态分析 (static) 。

2.3 读取求解结果

电极不同的晶振电极中心应力分析结果, 如图3为AT切圆形石英晶片在加点对径力时的应力分布矢量图。

通过节点读取得方法可得, 加上5N对径力时基频3000k Hz的平片倒边圆形晶片加5N作用力下电极直径φ8.0的中心应力变化值

, 电极直径φ6.0的中心应力变化

值, 基频5000k Hz的平凸圆形晶片加5N作用力下电极中心应力变化值

, 平片倒边圆形晶片加5N作用力

下电极中心应力变化值。

图3沿晶片x轴受对径力时ANSYS分析所得的应力分布图

3 石英谐振器力频特性ANSYS分析的实验验证

3.1 力-频特性与谐振器电极面积

实验样品为AT切3000k Hz基频平片倒边圆形晶片, 直径φ晶=14.0mm, 沿x轴方向加力, 电极直径分别为φ电=8.0mm、6.0mm, 观测频率差值与受力的关系, 结果如表2。

3.2 力-频特性与晶体外型实验

实验样品为AT切5000k Hz基频晶片, 直径均为φ晶=14.0mm, 电极直径均为φ电=8.0mm, 片形分别为平凸形、平片倒边形, 观测频率差值与受力的关系, 结果如表3。

4 分析讨论

从电极尺寸结构不同的两个晶振电极中心应力分析结果可以得到:

虽然只是取了φ电=8.0mm和φ电=6.0mm两个晶振作对比实验, 但是根据石英晶体谐振器的力频变化是由电极中心区的应力决定这样一个结论, 可以发现, 电极大小对石英晶体的力频特性影响是非常小的, 为了更好的说明问题, 下面利用它们的比值和实验结果作对比分析。中心应力比值:

力频转换关系系数比值:

分析与实验的相对误差:

由相对误差可以得到利用晶体力频特性由电极中心区应力决定这一结论, 通过有限元分析的方法讨论电极对晶体力频特性是有效可靠的。同时也映证了这一结论的正确性。

从外形不同的晶振电极中心区的应力变化:

从上面这对分析数据可以得到, 倒边晶振的力频特性要高于平凸晶振的力频特性。同样为了更好的说明问题, 下面利用它们的比值和实验结果作对比分析。中心应力比值:

力频转换关系系数比值:

分析与实验的相对误差:

相对误差为2.6%, 这说明利用有限元分析外形对晶振力频特性的分析是有效的。

5 结论

从有限元分析和实验结果可以得到, 晶振电极面积对晶振力频特性的影响比较小, 而且电极面积变大, 力频转换系数变小。晶振外形相对电极尺寸对晶振力频转换系数相对略大, 相同基频晶振平片倒边的比平凸晶振的力频转换系数要大。从有限元分析和实验数据的相对误差分析可得, 有限元分析是有效可靠的, 同时也又一次映证了作者提出的晶振频率变化是由晶振电极中心区的应力决定的这一结论。利用该结论通过ansys仿真可以大大方便对石英谐振器力频特性的开发利用。

参考文献

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