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基于晶体谐振器等效参数的老化补偿研究与系统实现

王振凯  
【摘要】:随着5G时代的来临,对时钟及其频率源的稳定度要求变得更加严格。只有高准确度和高稳定度的频率源才能保证时间同步和传输信号的稳定性。高稳定度晶体振荡器以其相对便宜的价格和批量化的生产受到广大企业的青睐,但是其长期稳定度与时代发展的要求稍有差距。稳定度指标较好的原子钟价格昂贵,研制出符合5G时代标准的超高稳定度晶体振荡器具有时代性的意义。在高稳定度晶体振荡器的研究基础上,寻求有效的手段抑制晶体器件的老化或者补偿老化因素造成的频率偏移可以大幅度的提升晶体振荡器的长期稳定度。本文根据先前对老化补偿经验的积累,通过对晶体器件等效谐振参数的研究,谐振回路谐振频率的改变必然伴随着回路中元器件参数的变化,元器件参数的变化即为晶体器件的老化情况。由于目前技术手段难以对晶体器件的谐振参数进行精确的测量,转而研究晶体的移相作用,通过晶体器件对高频信号相移量的变化来完成对老化情况的判断,不失为一种可行的方法。通过对晶体振荡器内部谐振器件两端信号的分析,采用数字化的手段来测量谐振回路中晶体谐振器两端的相移量,两端的同频信号使ADC的采样值具有相关性,在原先使用ADC的时钟信号作为参考的基础上,分析谐振器两端两个采样值的相关性,对ADC采样做出优化,两端信号一个作为时钟信号,另一个作为被采样信号,严格的同频信号表现为稳定的单个采样值,频率的抖动也处在一个相对稳定的范围,相移的变化必然引起采样值的变化,由此计算出相移量即采样值的变化和频率偏移的相关规律,进而进行频率补偿,抑制老化漂移的影响。本文通过具体测量数据计算出两者的相关规律,设计出一个系统,其中MCU控制模块根据采样值的变化主动调节晶体振荡器的压控电压。实验结果表明,本系统对晶体的老化漂移频率进行了有效的补偿,在5天内的频率漂移量改善了10倍以上,45天内的频率漂移量改善了3倍以上。系统的补偿效果的关键在于建立相移变化和谐振频率变化的对应关系,本研究最重要的意义为找到了新的方法对晶体器件的老化进行有效的补偿,并通过系统设计验证了方案的可行性。为自主研发更高稳定度更低老化率的晶振提供了新的思路,具有很高的研究价值。


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