CEOB2B晶振平台

未来温补晶振的发展方向是向小型化、片式化、高精度和高稳定度方向不断发展，实现晶振的低噪声、高频化以及低功耗。近年来，国内的温补晶振产品水平得到了很大的提高，实现了在室温下精度优于±1ppm，第一年的频率老化率为±1ppm，频率（机械）微调≥±3ppm，电源功耗≤120mw。最高精度可达±0.05ppm。由此可见，TCXO晶振的技术水平还有很大的提升空间，创新的内容和潜力还很大。然而，科学技术的发展不能一蹴而就，它将伴随整个电子行业的发展一同前行。

在前面的文章中我们有提到过对基于GPS信号的OCXO驯服保持的总体设计方案进行了介绍,而在接下来的文章中CEOB2B晶振平台将对该系统中的关键部分:时间间隔测量模块、 Kalman滤波消除IPPS信号抖动模块以及频率校准等进行详细的阐述。

GPS秒信号的判断及处理

由第二章的叙述可知,GPS接收机正常工作的条件是至少同时可以接收到四颗以上卫星的有效信号,当接收到的卫星个数少于4颗时,定位和定时信息是不准确的甚至是错误的。

出现这样的原因一般有:个别卫星退出工作、天线安装位置不当、卫星故障等,这些都有可能造成接收到有效信号的卫星个数过少。而且有实验证明即使将接收天线从接收机上拔掉,在其后的很长一段时间内GPS接收机仍有PS输出,但此时的1PS与UTC已经有很大的差别,由此可见,GPS接收机完全有可能输出错误的lPPS信号。另外,信号在传递过程中受到来自外界电磁信号的干扰,GPS接收机输出的1PPS信号中可能含有毛刺,导致伪1PPS信号的产生,从而导致系统的误动作,因此有必要采取抗干扰措施。这里采用硬件开窗方法消除干扰2,原理如图4.1所示。

图中的CLK信号由高稳定度的<b>恒温晶振b>提供,在系统上电复位后,启动单片机的串行通讯口,接收GPS信息,根据解码信息中的工作状态指示判断PPS的有效性。当初始触发分频信号到来之后,通过控制信号设置FPGA中的计数器在接收到的GPS1PS上升沿的附近产生一个短时间的高电平窗口信号,相当于一个与门,过滤掉窗口外的干扰信号。

另外,通过<b>石英晶振b>单片机自带的外部中断模块来对去掉干扰后的PPS信号的上升沿进行检测,根据检测结果判断GPS接收机是否正常工作,来决定系统的工作模式是驯服模式还是保持模式,具体消除1PS中干扰脉冲的波形图如图4.2所示。

下面主要介绍处理干扰时的重点:

1.初始触发分频信号的判断

系统初始化后,用单片机的外部中断连续三次检测来自GPS接收机的1PPS信号,如果三次都检测到则给出初始触发分频信号。

2.设置合理的“窗口”信号

由于OCXO晶振的输出频率比较稳定,当初始触发分频信号到来吋刻起,利用FPGA中的计数器和OCXO<b>石英晶体振荡器b>输出的倍频信号可以大致计算出下一个有效PPS脉冲的到来时刻,经过(1-△)秒后打开“窗口”,在计算得到的第二个PPS脉冲的到来时刻后的M秒后关闭该“窗口”,只要M选择得足够小,则抗干扰效果就非常的明显。

3.GPS信号的失效检测及处理

对于整个驯服系统来说,GPS信号丢失会产生严重的后果,原因可能是接收机接收到的卫星个数少于四颗,如上面所说的天线的安装,有源晶振,石英<b>贴片晶振b>选用问题等,使接收机处于非正常工作状态。或者是GPS接收机与单片机模块或者与门逻辑的接口出现问题,使GPS秒脉冲信号或时间状态信息不能正常传输。

假如是第一种情况,接收模块可通过GPS接收机串口输出的状态信息判断其输出信号是否失效,后面的软件程序作出相应的处理。假如是第二种情况,属于两种功能模块之间的通信故障,系统相关模块不可能从GPS接收模块获得GPS的工作状态信息或者秒脉冲信号,GPS_1PPS秒脉冲入口处的电平不会出现任何变化。

此时,相关模块必须有独自判断GPS是否失效的能力。可以在“窗口”信号开通期间使用单片机相关外部中断模块,如果没有检测到正确跳变,说明GPS信号失效;如果“窗口”信号开通期间相关中断模块能捕捉到正确跳变,则说明GPS信号可能已恢复正常,此时系统可以继续对<b>OCXO晶振b>进行校准。

晶振是种控制频率元件，在电路模块中提供频率脉冲信号源，在信号源传输的过程中<b>晶振b>在电路配合下发出指令，通过与其他元件配合使用。<br />

单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的<b>石英b><b>晶振b>，而通过电子调整频率的方法保持同步。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。

单片机工作时，是一条一条地从RoM中取指令，然后一步一步地执行。单片机访问一次存储器的时间，称之为一个机器周期，这是一个时间基准。—个机器周期包括12个时钟周期。如果一个单片机选择了12MHz石英晶振，它的时钟周期是1／12us，它的一个机器周期是12×(1／12)us，也就是1us。单片机中少不了石英<b>贴片b><b>晶振b>的使用，那么关于单片机选择又有哪些窍门呢？

随着计算机和微电子技术的迅猛发展,单片机技术在各个行业得到了广泛的应用。由于单片机集成度高、体积小、功能强、功耗低、使用方便、价格低廉等一系列优点,被广泛的应用在各种智能仪表、工业控制及家电控制领域。根据系统设计的要求,单片机是整个系统的控制和数据处理中心,需要丰富的lO资源实。

现点阵液晶显示并与FPGA等芯片进行数据传输;需要串口完成与PC机通信的功能;需要该单片机具有片上A/D(模数)转换功能配合FPGA芯片,<b>石英b><b>贴片晶振b>完成时间间隔测量,还需要L/O口中断、串口中断和A/D转换完成中断等中断资源满足设计中的各种中断处理,而且系统还需要在单片机上实现&nbsp;Kalman滤波等算法,需要芯片具有硬件乘法器,具有一定的数据处理能力综合以上要求选择TI公司的MSP430系列中的MSP430F247型单片机作为整个系统的控制部分。

MSP430系列中的MSP430F247型单片机采用的是“冯-诺依曼”结构,具有16位结构的CPU,采用RSC指令集,最高工作频率8M,片上集成了64K的&nbsp;FLASH ROM和1K的RAM,通过JAG接口,可以方便的实现在线编程和调试,非常利于软件程序的调试。

这款单片机的特点有:

(1)具有丰富的I/O资源,六个8位的I/O端口,所有的o位都可以独立程,任何输入输出和中断条件的组合都是可以的,其中PI和P2口的8位都具中断能力,如串口接收、发送中断和A/D转换完成中断等,所以此款单片机的中断能力得到大大提高,符合此系统设计需要用到中断处理的要求;

(2)具有丰富的外围模块:8路12位的A/D输入可实现A/D转换的功个&nbsp;USART串行接口可实现与PC机通信的功能.

(3)具有硬件乘法器,可以大大的提高对数据的处理能力,例如实现&nbsp;Kalman滤波等算法。该的单片机功能齐全,完全可以满足系统设计的需求,而且还有利于系统进一步的扩展升级。

通过前面CEOB2B晶振所发表的文章中相信大家对GPS系统以及晶振在GPS中的应用有了更深的了解.我们知道GPS输出的1PPS信号具有很好的长期稳定性,但是短期稳定性却很差。利用GPS信号来定时估计出<b>晶振b>输出频率的偏差,并实时地进行校准,就可以得到短期稳定性和长期稳定性都很好的频率标准。锁定后的晶体振荡器能输出高精度的频率信号,其短期稳定度能保持本地振荡器的水平,优于l×10-11/s,并能在本地被控振荡器上有效地复现接收的标准时间频率信号的长期稳定度和准确度,锁定状态下频率准确度优于5×10-11,日漂移率达到10-13量级。

根据系统需要开发成本低、安全可靠的设计原则,提出了系统的整体设计方案。整个系统由高稳定度<b>有源晶振b>,恒温石英晶体振荡器、GPS接收机、时间间隔测量模块、微处理器模块、高分辨率DA转化及信号调理模块、分频模块和显示等部分构成,&nbsp;在控制软件(包括FPGA、单片机两部分)的控制下协调工作,其组成框图如图

3.1所示

方案各模块功能介绍

1.GPS接收机模块:接收GPS信号,输出标准IPPS秒信号(一般含有干扰脉冲),所以直接使用此信号不合适,必须通过解码判断其有效性并进行处理,然后用于校准<b>石英晶振b>。

2.时间间隔测量模块:测量GPS接收机输出的1PPS信号和OCXO分频产的1Hz秒信号的上升沿之间的时间间隔值,并把测量结果传送给数据处理模块,&nbsp;考虑到精度问题,先把OCXO晶振倍频到100MHz再分频成1Hz。

3.数据处理模块:在GPS信号有效时,接收时间间隔测量模块传送的数据运用Kalman滤波算法对测量的时间间隔进行数字滤波,消除lPPS信号的抖动。具体实现取相隔采样周期τ的两个滤波后的时间间隔差值△T1和△T2,得到相位差△T=△T2-△T1,用比时法计算相对频差：

其中,f6为被校准<b>石英晶体振荡器b>的标称频率,Δf为石英晶体振荡器的测量频率与标称频率的差值。计算出频率4f后,根据OCXO的压控灵敏度系数K计算被校石英晶体振荡器控制电压的数字量,再通过高精度的D/A转换得出石英晶体振荡器的控制电压(控制电压U=U+Δf/K),达到校正晶体振荡器输出频率的目的。经过多次测量和控制,最终把石英晶体振荡器的准确度和稳定度都锁定在GPS卫星星载钟上。

同时,&nbsp;系统还有自动记录功能,把校正数据,根据接收传感器组和辅助时钟模块发送的时间和温度等信息,把校正数据和与之对应的时间、温度等信息保存起来,GPS信号有效时,通过相应的算法分离出温度、老化等因素对石英<b>贴片晶振b>的影响,如果检测到GPS信号失效后,结合采集到的实时温度和时间信息,利用失效前得到的预测模型,计算出老化和温度各自对输出频率的影响量,然后合成输出校正量来继续校准恒温晶振,使石英晶体振荡器能继续保持一定的精度。同时控制LCD的显示。

4.高分辨率D/A转换及信号调理模块:接收数据处理模块发送的控制数据,&nbsp;将其转化为模拟控制电压,并通过相应的信号调理电路,使模拟电压的范围符合<b>OCXO晶振b>的电压压控范围。

5.分频控制模块:将输入的经过校正后的原始频率信号进行分频,产生用于测量和同步输出的秒脉冲,并可以控制输出秒脉冲的脉冲宽度。

6.传感器组和辅助时钟模块:采集对OCXO晶振输出频率精确度有一定影响的温度和老化时间等信息,并传输给数据处理模块,为分离出温度、老化的影响提供相应的数据。

对<b>石英b><b>晶体振荡器b>的锁定技术国内外已经展开了相关的研究,并且也已经有了些相应的产品。在国外,瑞士的&nbsp;Special Time等公司都实现了利用卫星信号来锁定级频标的技术,并且将晶振分频得到的秒信号和GPS输出的1PPS信号同步起来,同步精度达到了15ns。对于二级频标的驯服保持技术,虽然有单位曾经做过研究,但是技术不成熟,因此没有推广。

由于近年来二级频标的大范围使用,为了节省成本并达到高稳定度和准确度的要求,加拿大的北方电信就此技术已经初步进行了研究。国内对于卫星信号锁定二级频标的技术已经有相关单位从事这方面的开发工作,但二级频标的精密驯服保持技术还处于起步阶段。

曾祥君曾提出采用高精度<b>石英b><b>晶振b>对GPS时钟进行实时监测,建立了GPS时钟误差的测量模型,给出了一种高精度时钟的产生方法,同时他还提出用晶振信号同步GPS信号产生高精度时钟的一元二次回归数学模型,有效消除了GPS时钟信号的随机误差和晶振的累计误差,这对实际应用有很好的指导意义。国内外还利用相同的原理实现了基于GPS的铷钟的驯服。

例如,北京跟踪与通信技术研究所就实现了铷钟的自适应驯服,并且驯服时间更短,&nbsp;精度更高;在国外, Juliano tibo narciso等人对数字和模拟两种方法实现的驯服晶振的性能进行了比较,结果表明模拟方法有更好的电气特性,但是电路复杂,&nbsp;而数字化方法(PGA: Field Programmable Gate Array)实现简单,成本也比较低cha- Lung Cheng等提出了使用实时动态神经网络小波预测滤波器来消除大气延时,通过基于神经网络模型的预测控制器输出差值数字信号,经D/A转换来驯服石英晶振,<b>贴片b><b>晶振b>的方法,但是实现复杂度很高。

英国的PTS公司生产出了基于GPS驯服铷钟的频率标准,结合DDS实现了输出频率在1μHz到80MHz的范围内可调。另外,美国的一家公司也开发出了相应的产品,型号为PRS10,其基准可以在GPS和其他高精度频率源之间进行切换。

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当离子枪使用时间过长使离子枪内部积碳、操作员在清扫真空腔时有异物掉入离子枪内、或因为离子枪冷却不良都会造成离子枪出力不稳定,使不良品数量增加。例如,如图4-1l1所示,当离子枪工作正常,出力稳定时,离子枪的实际刻蚀速度(设备根据设定的各参数计算出离子枪beam电压、放电电流并供给离子枪。离子枪在获得这些电压、电流后实际输出的离于束,对<b style="font-family: 新宋体; font-size: 14pt; ">石英晶振b>晶片刻蚀的速度。

当离子枪工作不正常时,实际工作电压、电流也会与计算值产生很大偏差,因此就不能获得相应电流密度的离子束,使得刻蚀速度发生变化)等于设定的速度时,设备根据加工前测定的频率和设定的刻蚀速度计算出的加工时间与实际需要加工的时间相等,经过该时间的加工后可以达到目标频率。当离子枪的实际刻蚀速度大于设定的速度时,则计算出的加工时间大于实际需要加工的时间,此时,经过该时间的加工后,频率必然大于目标频率,而产生F+不良。

离子枪出力不稳定的处理方法

在实际生产中,离子枪的工作状态会逐渐变差。因此操作员遇到少量不良品的出现,不会意识到离子枪已发生异常,而是调整一些参数继续生产,直到出现大量不良品,通过调整参数也无法进行生产时才联系维修人员进行修理和保养。这样,不但会使离子枪长期处于不安定的状态,而且经常出现不良品。为此,本文通过前面的理论知识,利用公式(4.2)和(4.3)针对A品种的石英<b>贴片晶振b>制作了一个简单的程序,界面如图4-12。

当操作元将制品放入设备中共，开始刻蚀加工时，只要输入设备仪表上的监控电压和电流,就可以知道现在的离子束刻蚀速度。只要与设定的刻蚀速度比较一下,当两速度相差较大时,便可知道离子枪已工作在不安定状态,应及时联系维修人员进行维修或保养。这样可以避免大量不良品的发生。

石英晶振离子刻蚀频率微调方法

图4-1是基于石英晶振离子刻蚀技术的频率微调示意图,离子刻蚀频率微调方法,当照射面积小于2~3mm2,在beam电压低于100V以下就可获得接近10mA/cm2的高电流密度的离子束,离子束的刻蚀速度在宽范围內可进行调节。图中采用的是小型热阴极PIG型离子枪,放电气体使用Ar,流量很小只需035cc/min。在:圆筒状的阳极周围安装永久磁石,使得在轴方向加上了磁场这样的磁控管就变成了离子透镜,可以对离子束进行聚焦。热阴极磁控管放电后得到的高密度等离子,在遮蔽钼片和加速钼片之间加高达1200V高压后被引出。并且可以通过对热阴极的控制调整等离子的速度。

用离子束照射<b>石英晶振b>的电极膜,通过溅射刻蚀使得频率上升米进行频率微调。

在调整时,通过π回路使用网络分析仪对石英晶振的频率进行监控,当达到目标频率后就停止刻蚀,调整结束。

因为石英晶振与π回路之间用电容连接,离子束的正电荷无法流到GND而积聚在石英晶片上,使石英晶振晶片带正电荷。其结果不仅会使频率微调速度降低,而且使石英晶片不发振,无法对石英晶振的频率进行监控和调整。为此,必须采用中和器对石英<b>贴b><b>片晶振b>晶振片上的正电荷进行中和。

在进行离子刻蚀频率调整时,离子束对一个制品进行刻蚀所需的时间为1~2秒,&nbsp;而等待的时间约2秒,等待时间包括对制品的搬送和频率的测量时间。在等待时间中,&nbsp;是将挡板关闭的。如果在这段时间内,离子枪继续有离子束引|出,则0.5mm厚的不锈钢挡板将很快被穿孔而报废。为此,在等待时间内,必须停止离子枪的离子束引出。

可以用高压继电器切断离子枪的各电源,除保留离子枪的放电电源(可维持离子枪的放电稳定)。这样,在等待时间没有离子束的刻蚀,使挡板的使用寿命大大增长。同是,出于高压继电器的动作速度很快,动作时间比机械式挡板的动作时间少很多,所以调整精度也可得到提高。