恒溫晶振(OCXO)介紹

恒溫晶體振蕩器OCXO( Oven Controlled Crystal Oscillator),是目前頻率穩(wěn)定度和精確度最高的石英晶體振蕩器。它在老化率、溫度穩(wěn)定性、長(zhǎng)期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度等方面的性能都非常好,作為精密的時(shí)頻信號(hào)源被廣泛用于全球定位系統(tǒng)通信、計(jì)量、頻譜及網(wǎng)絡(luò)分析儀等電子儀器中。目前,絕大多數(shù)高穩(wěn)定度石英晶體振蕩器都采用了將晶體恒溫的方法,使用精密的恒溫控制槽,將槽內(nèi)溫度調(diào)節(jié)到晶體諧振器的零溫度系數(shù)點(diǎn)上。這樣,能最大限度地克服溫度對(duì)晶體振蕩器頻率的影響,被廣泛用作標(biāo)準(zhǔn)頻率源。恒溫晶體振蕩器包括以下幾個(gè)基本組成部分。

1.高精密的石英諧振器

石英諸振器是振蕩電路的核心元件。正確選擇切角是制作頻率溫度系數(shù)好的石英諧振器的必要條件,特別是在寬溫度范圍內(nèi)使用的石英晶體諧振器更是如此。目前恒溫晶體振蕩器中常用的石英諧振器有AT切和SC切兩種。它們具有頻率溫度系數(shù)小,Q值高,老化效應(yīng)小等特點(diǎn)。

2.穩(wěn)定的振蕩電路

由于恒溫晶體振蕩器要求頻率穩(wěn)定度高,除了在控溫電路方面要達(dá)到一定的控溫精度外,振蕩電路本身穩(wěn)定性也是起決定性作用的。恒溫晶體振蕩器中振蕩電路的基本功能就是把直流電能轉(zhuǎn)變成具有一定頻率、幅度且頻率高度穩(wěn)定的交流電能,這種轉(zhuǎn)換是在石英晶體諧振器的參與下進(jìn)行的。其中最突出的問題就是頻率的穩(wěn)定性。所以分析、設(shè)計(jì)振蕩電路都以此為前提。

3.結(jié)構(gòu)完善、溫控良好的精密恒溫箱

精密恒溫箱是由恒溫槽,溫度控制電路及其它輔助裝置組成的恒溫系統(tǒng)。在晶體振蕩器中,用來使石英諧振器和有關(guān)電路元件保持恒溫。其作用是把石英晶振,石英諧振器的溫度穩(wěn)定在石英諧振器的拐點(diǎn)溫度處,從而充分發(fā)揮拐點(diǎn)溫度附近石英諧振器的頻率溫度系數(shù)小的特性,使其得到合理使用。

設(shè)計(jì)一個(gè)符合要求的恒溫槽和選擇一個(gè)性能良好的溫度控制電路對(duì)穩(wěn)定頻率起著舉足輕重的作用。因此一個(gè)高穩(wěn)定的晶體振蕩器,不但應(yīng)具有穩(wěn)定的振蕩電路,而且還必須有性能良好的恒溫箱來保證其頻率的穩(wěn)定,兩者缺一不可。隨著對(duì)晶體振蕩器穩(wěn)定度要求的逐步提高,對(duì)恒溫箱的控溫精度要求也越來越高,目前,頻率穩(wěn)定度在100~10量級(jí)的晶體振蕩器,其恒溫箱的溫度控制精度應(yīng)在0.001℃以內(nèi)。

隨著通信技術(shù)的不斷提高,對(duì)恒溫晶振的要求越來越高,使其不斷向著高精度與高穩(wěn)定化,低噪聲與高頻化、低功耗、快啟動(dòng)、小型化方向發(fā)展。

晶振的相關(guān)數(shù)學(xué)定義

假設(shè)晶振輸出信號(hào)為正弦波,其數(shù)學(xué)模型可以表示為:

式中VO為標(biāo)稱峰值輸出電壓,§(t)為幅度偏移,φ(t)為相位偏差,fr為標(biāo)稱頻率。

瞬時(shí)頻率為:

相對(duì)頻率偏移為：

式中x(t)=為時(shí)間偏差,由式(2-7)可以得到：

瞬時(shí)頻率的常用公式為:

式中f(t)為t時(shí)刻的瞬時(shí)頻率值,fO為t=0時(shí)刻的頻率值,fr為標(biāo)稱頻率,D(t)為頻率漂移率。

由式(2-7)和(2-9)可推導(dǎo)出:

式中,y為初始相對(duì)頻率偏差。

由式(2-8)和(2-10)可以得到:

式中,x為初始時(shí)間偏差,也叫做同步誤差。

一般性能比較好的石英晶振,日老化率近似為常數(shù),特別是對(duì)于OCXO晶振,在頻率保持模式下,我們只考慮老化對(duì)實(shí)際頻率的影響。很多晶振的老化指標(biāo)用的是年老化率,如±0.05ppm( Part per Million),一般情況下我們可以近似得出日老化率,大概為年老化率的百分之一。

假設(shè)晶振老化率為常數(shù),式(210)變?yōu)椋?/span>

其中當(dāng)|Bt|<<1時(shí),有ln(Bt+1)→Br,式(2-17)變?yōu)槭?/span>(2-12)的形式:

y(t)=C+ ABt                              式(2-18)

圖2.4給出了典型的老化率數(shù)學(xué)模型。可以看出石英晶振的老化率可以為正數(shù)可以為負(fù)數(shù),也可能會(huì)產(chǎn)生圖中曲線y3(t)的情況。圖2.5為銣原子頻標(biāo)的老化曲線,由于測(cè)試曲線的后半段存在參考和被測(cè)之間因漂移方向相同的現(xiàn)象,從而導(dǎo)致漂移問題不是很明顯。

式中,do、d為正數(shù),參數(shù)aj(n),j=1,2,…,M由當(dāng)前數(shù)據(jù)輸入和上次數(shù)據(jù)輸出迭代估計(jì)得到,價(jià)值函數(shù)為

通過最小化價(jià)值函數(shù),可以得到參數(shù)a,(n),j=1,2,…,M,得到t(n)時(shí)刻的ao a1…aM后,t(n+l)時(shí)刻的相對(duì)頻率偏差預(yù)測(cè)值為:

系列實(shí)驗(yàn)表明,估計(jì)性能對(duì)d0、d和M的取值不是很敏感,建議取值為d=1~05d(M-1),d=0.1~1.0,M=5~10。加權(quán)對(duì)數(shù)函數(shù)模型的缺點(diǎn)是計(jì)算比較復(fù)雜。

2.2.4晶振的頻率溫度特性

除過老化的影響,溫度也是影響頻率變化的主要因素,而不同切型的石英晶振晶體的頻率一溫度特性是不一樣的,一般AT切基頻晶體的頻率一溫度變化關(guān)系都是三次曲線,存在若干個(gè)零溫度系數(shù)點(diǎn),如圖2.6所示。

因此對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí)要采用具有非線性函數(shù)擬合能力的數(shù)學(xué)模型。然而由于OCXO恒溫晶振中一般采用SC切晶體,雖然其頻率一溫度變化曲線也是非線性的, 但是其頻率一溫度穩(wěn)定度在寬溫度范圍內(nèi)較AT切晶體有很大改善,并且由于它將石英晶體、振蕩電路以及部分其它線路置于精密恒溫槽中,恒溫槽的工作溫度選擇在所用晶體的零溫度系數(shù)點(diǎn)處,因此OCXO恒溫晶振的頻率溫度系數(shù)非常小。

當(dāng)恒溫槽的工作溫度波動(dòng)被控制在很小范圍內(nèi)時(shí),如優(yōu)于百分之一攝氏度時(shí),其頻率溫度變化也可以被限制在很小的范圍內(nèi),而且正是由于這種恒溫作用,其頻率溫度變化曲線非常接近于線性。所以對(duì)OCXO恒溫晶振的頻率溫度變化的預(yù)測(cè)可以采用線性數(shù)學(xué)模型,而Kalman濾波算法正是一種較好的線性模型估計(jì)器,因此用它來擬合OCXO恒溫晶振的頻率溫度特性曲線是合適的。