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按照业内的通用分类，压电晶体大致可分为：石英f="http://www.jingzhen95.com/" title="晶振" target="_blank">晶振，陶瓷晶振两种。其中石英晶振中又有许多的小分类，如：无源晶体，有源晶振，圆柱晶振，贴片晶振等等。

f="http://www.jingzhen95.com/" title="晶振" target="_blank">晶振制造行业的发展水平的因素不仅是自身的发展，同事与整个电子信息产业链中的地位与作用有着密切关系。就石英晶振制造业在整个电子信息产业链中所占据的地位和作用而言，在整个产业链中居于重要的地位，起到带动整个产业发展的作用

face="宋体">电子科技发展快速的今天，不仅国产晶振厂家品牌如雨后春笋不断涌出，在我国晶振市场活跃的进口晶振厂家品牌也数不胜数，就那些叫得上号的f="http://www.jingzhen95.com/" title="晶振" target="_blank">晶振品牌就有：日本的KDSface="宋体">晶振、爱普生晶振、精工晶振、西铁城晶振、京瓷晶振、face="Calibri">NDKface="宋体">晶振、村田晶振，美国的西迪斯face="Calibri">CTSface="宋体">晶振、宝岛f="http://www.jingzhen95.com/TaiwanCrystals.html" title="台产晶振" target="_blank">台产晶振中的晶技face="Calibri">TXCface="宋体">晶振、鸿星晶振、泰艺晶振等，这些晶振品牌中没有谁家不生产温补晶振的，并且一些进口晶振生产厂家还是主要以事业晶体振荡器出名的。

face="宋体">正是这样丰富的32.768Kface="宋体">晶振才给我们很多电子产品出现创造条件，但是当我们还沉浸在稀里糊涂的face="Calibri">32.768Kface="宋体">石英晶体谐振器中时，face="Calibri">32.768Kface="宋体">石英晶体振荡器又出现在我们眼中，瞬间只能觉得自己整个人不好，快被face="Calibri">32.768Kface="宋体">晶振弄晕乎了。face="Calibri">32.768Kface="宋体">有源晶振我们暂且不说，但face="Calibri">32.768Kface="宋体">无源晶体相信每位接触晶振的朋友都知道它，并且face="Calibri">32.768Kface="宋体">无源晶振出现的时间是石英晶振中最早最久的，但并不是说我们每个人都已经透彻的了解它了。不相信，那就来看看下面这些小知识你是否都知道呢？

face="新宋体">科技的发展造就多种多样的智能产品,同时加大了对电子零件,频率元件等组成部件的性能要求.比如有源晶振,石英晶体振荡器,f="/Quartzcrystal.html" title="石英贴片晶振" target="_blank">石英贴片晶振等,加大了性能的使用要求,具有高品质,高精密,高性能,极具稳定度等特点.

高稳定度石英晶体振荡器是目前应用数量最多的频率源。它们被广泛应用于通信、电子仪器、计量、应用电子技术、航空航天、雷达、国防军工等各个领域,随着科学技术的发展和应用领域的扩大,对其精度和稳定度提出了新的要求。

本文设计了一种基于GPS秒信号的f="/OCXOcrystal.html" title="恒温晶振" target="_blank">恒温晶振(OCXO驯服保持技术,该技术采用了将时间一幅度转换法和直接计数法相结合的时间间隔测量方法,对GPS接收机输出的lPPS信号与OCXO恒温晶振进行相位差测量,这种测量方法具有分辨率高的优点,有效地减小了±1个字计数误差,其分辨率达到100ps,测量精度达到±200ps满足了驯服系统的设计要求。同时采用 Kalman滤波算法对相位差测量数据进行处理,以消除lPPS信号的相位抖动引入的测量误差,实验显示该滤波算法可将原本±50ns的抖动减小到±2ns以内,从而大大降低了抖动的影响,提高了系统的驯服精度。最后用PID控制算法对晶振进行校准,大大提高了控制的智能化和准确性。

对锁定后的晶振性能进行了测试,测试结果表明锁定后该系统能输出高精度的频率信号,其短期稳定度基本能保持OCXO石英晶体振荡器的原有水平,秒级稳定度接近1×101/s, 率信号,其短期稳定度基本能保持OCXO晶振的原有水平,秒级稳定度接近1×101/s, 指标,解决了OCXOf="/OSCillator.html" title="石英晶体振荡器" target="_blank">石英晶体振荡器由于老化和温度所导致的频率漂移和长期稳定度差的问题, 使得它实时的频率准确度优于9.0×101,平均频率准确度优于7.3×10-12,长期频率稳定度在锁定后得到了一定程度的改善,基本达到了预期的设计目标。此外针对在GPS信号丢失的情况下,采用保持算法,虽然目前只适合于短期的预测, 但是对以后的研究打下了有力的基础。

经过一年多的努力,基本完成了基于GPS的1PPS信号的恒温晶振驯服保持的原理验证、方案设计、电路设计、PCB板设计、软硬件调试以及系统测试验证。该系统将GPS信号的长期稳定度和准确度与OCXO石英晶体振荡器的短期稳定度相结合,获得了一种性能优良且价格低廉的频率源,具有一定的应用推广价值。

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face="新宋体">在前面的文章中我们了解到了GPS的应用以及高精密石英晶体振荡器在GPS内部所提供到的作用，GPS晶振的工作原理等等。晶振的作用随着科技的发展到如今已是无处不在,各种大大小小的智能科技产品都会用到f="/Quartzcrystal.html" title="石英贴片晶振" target="_blank">石英贴片晶振.接下来我们要说到的是GPS信号失效后保持算法的研究以及与晶振之间的联系.

从前面文中介绍GPS接收机的相关介绍可知,1PPS信号可能在多种因素的作用下丢失。如果通过解码发现失效,应立即停止以它作为基准来驯服OCXO晶振,否则可能对OCXO晶振产生误调整,使系统产生很大的误差,但是这时OCXO晶振的输出频率精度会由于老化和温度等因素的影响而不断降低。为了解决这一问题,采用保持算法, 即在正常锁定过程中,实时记录晶振的频率随时间的漂移率,即确定f="/Crystalsmanufacturer.html" title="石英晶体" target="_blank">石英晶体老化率曲线,再利用温度传感器,建立温度和频率漂移率的函数关系。当GPS信号失效后,根据以前正常驯服状态下记录的历史数据,通过合理的算法对OCXO晶振输出频率的变化趋势做出准确预测,进而在此基础上实现对频率误差的实时校正,以保证输出频率精度在可容忍的精度范围内,直到GPS信号恢复后再继续锁定晶振。

OCXO石英晶体振荡器的老化模型是非线性的,而其频率温度变化模型则可认为是线性的,并且可以利用 Kalman滤波器来对这两种模型的参数进行估计,进而可以实现GPS信号失效后OCXO晶振频率的预测校正。然而老化率的非线性是对于较长时间而言的,在短时间内比如说一天,老化模型也可以被简化为线性,这大大方便了算法上的处理关于OCXO石英晶体振荡器的驯服保持模型的原理框图如图5.3所示

图中的三个开关S1、S2、S3在卫星工作状态正常时均处于开启状态,OCX0f="/OSCillator.html" title="石英晶体振荡器" target="_blank">石英晶体振荡器直处于驯服状态,并且预测模型一直处于工作模式。如果系统经过判断确定卫星信号丢失,而且当时已经完成锁定,系统便会处于保持模式,三个开关均闭合, 这样老化和温度预测模型可以根据其预测的结果并以自己本身的输出作为观测量的输入来实现频率偏差的预测。预测模型的最终输出是出四项叠加而成:驯服的初始校正量、老化模型的预测输出、温度影响模型的预测输出和温度模型的延迟补偿量.

为了实现1PPS信号失效后的保持,必须先将由老化和温度变化引起的影响量分离开来,而分离算法的确定与这两种影响的性质有密切关系。一般认为老化的影响属于慢变,而温度的影响则相对变化较快,即在频域,老化的影响处于低频段,温度的影响处于较高的频段,这样就可以将它们分离开来,即采用不同类型和带宽的数字滤波器就可以实现这两种影响的分离国,ⅢRF、IRF2和RF为滤波器, 其中IRF和IRF3为1阶的低通滤波器,IRF2为3阶的低通椭圆滤波。

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图中的IRF1是用来同时通过锁定状态下由温度变化引起的校正量中的高频变化部分和老化引起的低频变化部分,其带宽应该由高频分量确定。在一般的应用环境下,温度的最大变化率可以达到10℃h,而这里所采用的OCXOf="/SMDcrystal.html" title="贴片晶振" target="_blank">贴片晶振的线性频率温度系数为6~8ppb/40℃,于是可以得到最大温度变化率引起的频率漂移率达到4.17~5.56×10-4ppb/s。所以IRF的带宽被设计为3×10-3ppb/s(3mHz),即是最大频率温度漂移率的5.4倍,这样就可以通过所需要的信号,并且针对校正信号中由GPS接收机引入的高频噪声,进行每10倍频10dB的衰。

IRF2用于从经过RF滤波后的校正量中分离出老化的影响,那么其带宽由反映老化的低频分量决定。这里采用的f="/OCXOcrystal.html" title="OCXO晶振" target="_blank">OCXO晶振的老化率为0.5ppbd或者58×10-6ppb/s,所以IIRF2的带宽被设计为3×10-5ppbs(0.03mHz),即为秒老化率的5.2倍,并且其阻带衰减最小为50dB,带内波动为1.5dB,这样可以较好的过滤掉温度的影响。IRF2的输出直接输入给了老化的 Kalman预测模型,并且将其从IRFl的输出中减掉,可以提取出温度的影响。

IRF用和RF完全相同的设计,主要用来进一步抑制GPS接收机引入的噪声和消除IRF2输入输出信号的数字相减带来的毛刺。由于IRF1和IRF2处于温度影响预测模型的输入通道上,会使得校正量的预测产生延迟,使预测滞后于IRFl的输入信号。因此有必要在温度预测模型的输出加上一个延迟补偿模块,由它在保持模式时计算出相应的补偿量,并叠加到预测模型的输出信号上来消除延迟的影响。这里的延迟补偿量由温度预测模型输出的变化率和滤波器的延迟量相乘来得到,而f="/SAWfilterfor.html" title="滤波器" target="_blank">滤波器的延迟量的最优估计为个小时,温度预测模型输出变化率由其输出对于时间的一阶微分的100点滑动平均来得到,其中每秒采集一个数据。

在进行系统测试时,被锁晶振采用高稳定度f="/OCXOcrystal.html" title="恒温晶体振荡器" target="_blank">恒温晶体振荡器(10MHz±3Hz),GPS接收机选用LASSEN IQ型,采用5585B-PRS型铯原子频标作为频率参考,该铯原子频标可输出10MHz信号,具有较好的频率准确度及稳定度,其频率准确度优于5×10-12,秒级频率稳定度优于1×10-11/s。

采用相位比对的方法来测试被锁f="/Quartzcrystal.html" title="石英晶振" target="_blank">石英晶振的相对频率准确度,测试连接图如图5.1所示。将被锁定的晶体振荡器的10MHz频率信号和铯原子频标产生的10MHz频率信号分别作为开关门信号输入到精密时间间隔测试仪HP5370B(分辨率为20ps) 进行比对测试,HP5370B输出的时间间隔值与两个比对信号的相位差成正比。该时间间隔值的变化反映了两个信号的相位差的变化。计算相对频差的公式为:

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其中,τ为取样周期;△T为在取样周期τ内两信号累积的相位差变化。由此式可以看出,△T的测量误差取决于HP5370B的时间间隔测量分辨率,最小为±20ps,也就是在ls闸门时间内相对晶振频率准确度为±2×10-11,但是随着采样时间r的增大,测量误差可以大大的减小,精度也不断提高。

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由于天气等原因,对接收机工作有影响,所以做实验时适当选择比较好的天气。取样时间设定为40s,OCX0f="/OSCillator.html" title="石英晶体振荡器" target="_blank">石英晶体振荡器在系统运行3小时后即进入锁定状态,开始对晶体振荡器锁定状态下与铯原子频标进行相位比对测试,记录系统连续工作10小时的数据,图5.2为OCXO晶振的频率准确度随时间的变化曲线。

从图5.2中可以看出,锁定后OCXO晶振的频率值在标称频率上下起伏,最大起伏约为9.0×10-11。通过计算,图5.2中所显示的频率平均准确度达到73×10-12,相对于所采用晶体振荡器的约5×10-10/d的老化率有明显改进,同时也说明晶振频率的漂移得到了一定程度的修正。

在进行石英f="/SMDcrystal.html" title="贴片晶振" target="_blank">贴片晶振频率稳定度测试时,由于实验室测频仪器测量的分辨率的有限,ls和10s的稳定度由直接测频法计算得到,而100s、1000s、5000s和10000S由比相间接测频法计算得到,相位比对数据采用上面图5.2中所采集的数据。锁定后, OCXO的频率稳定度测试结果如表5.1所示:

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从表51中可以看出,锁定后的OCXO恒温晶体振荡器的短期稳定度基本保持了其本身的指标,而其中长期稳定度不是非常理想,这是由lPPS中存在的中长期相位漂移以及Kalman滤波和PID控制参数还不是很合理造成的,但总体较其本身指标,有一定程度的提高。因此,后续工作需要增大滤波时间常数,进一步继续优化 Kalman滤波和PID控制模型的参数,使得 Kalman滤波的收敛值更小,对OCXO晶振频率的调整幅度和频度更低。