一种高稳恒温晶体振荡器拐点自动调试方法

一种高稳恒温晶体振荡器拐点自动调试方法

在各种晶体振荡器中，恒晶体振荡器（ocxo）是频率稳定最好的高精度晶体振荡器。精密时间频率的信号源广泛应用于移动通信基础设施，如飞机电话、列车通信、多通道访问（mca）和卫星通信系统的基地站。现代通信的发展,对OCXO的体积和稳定度提出了更高的要求。为了获得较高的频率稳定度,必须采用高品质的石英谐振器,稳定的振荡电路及结构完善、控温良好的精密恒温槽。在单片机控温的OCXO中,除了以上这些因素外,拐点调试的精确性也是影响频率稳定度一个至关重要的因素。笔者提出的拐点自动调试方法就是基于拐点调试的重要性而考虑的。它利用计算机强大的分析控制能力以及计算机与外围设备方便可靠的通讯实现了拐点调试的全自动,不仅优化了OCXO的启动特性、提高了OCXO的频率稳定度,而且缩短了OCXO的开发周期、降低了OCXO的制作成本,为OCXO的批量化生产开辟了道路。1点火调试的精确性根据设计与研制高稳OCXO的实践经验,影响OCXO频率稳定性的因素可以概括为以下几个方面:石英谐振器的品质因数、振荡电路的结构和稳定性、感温元件的感温精度、恒温槽的保温性能以及控温电路的控温精度等等。其中控温电路的控温精度主要是由PID(经典的比例、积分、微分系数)补偿参数和拐点的调试来决定的。拐点的调试是恒温晶体振荡器(OCXO)设计中的一个重要环节,拐点调试的精确性和高效性直接影响晶体振荡器的性能和市场前景。图1是一个典型AT切石英谐振器的频温曲线,为了使恒温晶体振荡器的频率稳定度尽可能高,需要使谐振器工作在曲线切线斜率(频温系数)最小的温度点,即拐点。由于低温拐点恒温在技术上比高温拐点恒温更加难以实现,而且成本较高,所以通常采用高温拐点恒温的方法来制作OCXO。由图1可见,如果拐点调试不精确,导致石英谐振器的工作温度偏离了理论拐点,则OCXO的频率稳定性将会急速恶化。理论计算表明,当石英谐振器的工作温度控制在理论拐点0.001℃附近时,OCXO的频率稳定度可达10–11;但是如果工作温度偏离理论拐点2℃以上,OCXO频率稳定度将只有10-7,可见拐点调试在OCXO设计中的重要性。传统的模拟控温OCXO一般采用手动方法调试拐点,通过改变电位器的值来改变恒温槽内的温度,寻找频率的最低点,从而得到OCXO的拐点温度。这种方法调试拐点具有很多缺点和局限性:一方面,由于人为调节电位器的精度不高,偶然性很大,所以常常有拐点调试过程中出现的低频点以后不再出现的情况,这就极大地限制了拐点的准确性,直接影响到OCXO的频率稳定度;另一方面,手动调试拐点工作量大,耗时长,效率低,这些缺点给OCXO的批量化生产带来了很多障碍。2ocxo晶界自动调试鉴于拐点调试在恒温晶体振荡器(OCXO)设计中的重要作用以及传统调试拐点方法的弊端,笔者提出了一种拐点自动调试的方法。2.1合成系统pid补偿原理在ocxo过程中的应用(1)单片机控温OCXO的结构单片机控温OCXO一般采用图2所示的结构。其工作原理可简要地概括为:计算机将控温程序写入单片机,控温电路将返回的恒温槽内温度与设定温度相比较,通过PID补偿产生相应的PWM(脉冲宽度调制)波形输出加热恒温槽,使恒温槽内温度趋于恒定,将晶体工作温度始终控制在高温拐点附近,从而得到稳定的频率输出。(2)拐点自动调试的硬件电路结构拐点自动调试的硬件电路结构如图3所示。其调试原理可简要概括为:计算机通过设定合适的PID补偿参数,使OCXO具有良好的开启特性和频率稳定度后,开始进行拐点的调试。已知拐点温度在θ左右,把恒温槽内设定温度从小于θ的温度变化到大于θ的温度,再返回到小于θ的温度,经几次反复,以测量OCXO恒温槽内的实际温度和OCXO的频率输出,得到它的频率温度点。通过曲线拟合得到拐点温度。2.2pid补偿参数状态在频温曲线的测量前,通过计算机与单片机之间的通讯,自动调节控温电路的PID补偿参数,使OCXO达到良好的开启特性和频率稳定性。计算机负责向单片机发送PID补偿参数,并接收单片机返回的PID补偿分量,判断PID补偿效果,分析结果从而优化PID补偿参数,将优化后的补偿参数重新发送给单片机,如此周而复始以使OCXO在短时间内达到良好的频率稳定性。单片机则负责接收计算机发送过来的PID补偿参数,完成PID补偿和PWM脉宽调制后,将PID补偿效果发送给计算机。这样,计算机与单片机分工明确、通讯方便可靠,参数调整完全自动。其中,单片机部分使用C语言实现,通过专用的编译软件编译,使用编程器将程序写入单片机;计算机部分使用VisualBasic编程实现。2.3恒温槽内部温度进行比较PID参数自动设置完成后,进行拐点的调试。一方面,计算机给OCXO发送温度设定值θ0,控温电路将θ0与恒温槽内部温度θ进行比较,通过PID补偿输出PWM方波加热恒温槽,以使恒温槽内部温度恒定到θ0;另一方面,当恒温槽内部温度趋于恒定时,计算机通过万用表和频率计接收恒温槽内部的实际温度θ和它的输出频率值f,描出它的频率温度(f-θ)点。这样在理论拐点的附近测量2~3个来回,就可以得到OCXO在理论拐点附近的一组频率温度点,如图4所示。2.4振荡频率的确定得到频率温度点,就可以利用数值分析方法对它们进行曲线拟合。AT切型晶体的显著特点是谐振器的振荡频率与温度的关系呈近似的三次函数关系。其振荡频率f可表示为:式中:θ0为参考温度;θ为晶体谐振器的温度;a0,b0,c0为谐振器在θ0时的一级、二级、三级温度系数;为晶体谐振器的动态温度系数,;f0为θ0时的振荡频率。使用最小二乘法对得到的频率温度点进行三次曲线拟合,找到曲线的极点,高温区极点的温度即为拐点的温度。对图4所示的频率温度点进行三次曲线的拟合,可得该OCXO的拐点温度约为70.5℃。3在线优化试验结果将拐点自动调试的OCXO与拐点手动调试的OCXO之性能进行比较,得到以下结论。(1)OCXO的启动特性和稳定性自动调试拐点的OCXO的启动特性可以从图5得到,由图可知,OCXO在3min内即可达到1×10-8(0.01×10–6)稳定度,而手动调试拐点的OCXO一般要在5min内达到1×10-8稳定度。由此可见,自动调试拐点的OCXO的启动特性比一般的OCXO更加优越。图6为温箱温度从-40℃到70℃得到的OCXO的频温曲线。它的长期频率稳定度为0.5×10-8,同一般的OCXO相比较,它的频率稳定度更高。因此笔者提出的自动调试拐点的方法可以有效优化OCXO的启动特性,提高OC