OCXO恒溫晶振用于需要非常高頻率穩定性的應用中,在某些時候這些振蕩器甚至可以稱之為溫度穩定的晶體振蕩器,又或者被稱為晶體爐.雖然石英晶體振蕩器（3種主要類型）即使在外部溫度在很大范圍內變化時也顯示出高度的穩定性,但對于某些應用,甚至需要更高水平的溫度穩定性.在這些應用程序中,OCXO恒溫晶體振蕩器可以提供所需的解決方案.與許多其他基于晶體的產品一樣,OCXO恒溫晶振可提供各種封裝和封裝類型.還需要考慮性能水平和成本,因為這些也會有很大差異.

高頻率穩定性OCXO晶體振蕩器控制溫度的能力

有時為了確保更好的穩定性時,這可以通過將晶體放置在具有恒溫控制如加熱器的隔熱容器中來實現.通過將石英晶體加熱到高于電子設備中通常遇到的溫度,可以將晶體的溫度保持在恒定溫度.這導致更高程度的溫度穩定性.此外,OCXO中的晶體將被切割,以確保其溫度穩定性針對內部工作溫度進行優化.

GPS定位系統是靠車載終端內置SIM通過移動GPRS信號傳輸到后臺來實現定位。在遠的地方定位人的行蹤。GPS衛星定位系統的前身是美軍研制的一種“子午儀”導航衛星系統，GPS全球定位系統是20世紀70年代由美國陸海空三軍聯合研制的新一代空間衛星導航GPS定位系統。
GPS定位系統工作原理是由地面主控站收集各監測站的觀測資料和氣象信息,計算各衛星的星歷表及衛星鐘改正數,按規定的格式編輯導航電文,通過地面上的注入站向GPS衛星注入這些信息。測量定位時,用戶可以利用接收機的儲存星歷得到各個衛星的粗略位置。根據這些數據和自身位置,由計算機選擇衛星與用戶聯線之間張角較大的四顆衛星作為觀測對象.

GPS接收機正常工作的條件是至少同時可以接收到4顆衛星的有效信號,當接收到的衛星個數少于4顆時,定位和定時信息是不準確的甚至是錯誤的。出現這樣的原因一般有:個別衛星退出工作、天線安裝位置不當、衛星故障等, 這些都有可能造成接收到有效信號的衛星個數過少。

而且有實驗證明即使將接收天線從接收機上拔掉,在其后的很長一段時間內GPS接收機仍有PS輸出,但此時的1PS與UTC已經有很大的差別,由此可見,GPS接收機完全有可能輸出錯誤的lPPS信號。另外,信號在傳遞過程中受到來自外界電磁信號的干擾,GPS接收機輸出的1PPS信號中可能含有毛刺,導致偽1PPS信號的產生,從而導致系統的誤動作,因此有必要采取抗干擾措施。這里采用硬件開窗方法消除干擾2,原理如圖4.1所示。

圖中的CLK信號由高穩定度的恒溫晶振提供,在系統上電復位后,啟動單片機的串行通訊口,接收GPS信息,根據解碼信息中的工作狀態指示判斷PPS的有效性。當初始觸發分頻信號到來之后,通過控制信號設置FPGA中的計數器在接收到的GPS1PS上升沿的附近產生一個短時間的高電平窗口信號,相當于一個與門,過濾掉窗口外的干擾信號。

另外,通過單片機自帶的外部中斷模塊來對去掉干擾后的PPS信號的上升沿進行檢測,根據檢測結果判斷GPS接收機是否正常工作,來決定系統的工作模式是馴服模式還是保持模式,具體消除1PS中干擾脈沖的波形圖如圖4.2所示。

下面主要介紹處理干擾時的重點:

1.初始觸發分頻信號的判斷

系統初始化后,用單片機的外部中斷連續三次檢測來自GPS接收機的1PPS信號,如果三次都檢測到則給出初始觸發分頻信號。

2.設置合理的“窗口”信號

由于OCXO恒溫晶振的輸出頻率比較穩定,當初始觸發分頻信號到來吋刻起,利用FPGA中的計數器和OCXO石英晶體振蕩器輸出的倍頻信號可以大致計算出下一個有效PPS脈沖的到來時刻,經過(1-△)秒后打開“窗口”,在計算得到的第二個PPS脈沖的到來時刻

后的M秒后關閉該“窗口”,只要M選擇得足夠小,則抗干擾效果就非常的明顯。

3.GPS信號的失效檢測及處理

對于整個馴服系統來說,GPS信號丟失會產生嚴重的后果,原因可能是接收機接收到的衛星個數少于四顆,如上面所說的天線的安裝問題等,使接收機處于非正常工作狀態。或者是GPS接收機與單片機模塊或者與門邏輯的接口出現問題,使GPS秒脈沖信號或時間狀態信息不能正常傳輸。

假如是第一種情況,接收模塊可通過GPS接收機串口輸出的狀態信息判斷其輸出信號是否失效,后面的軟件程序作出相應的處理。假如是第二種情況,屬于兩種功能模塊之間的通信故障,系統相關模塊不可能從GPS接收模塊獲得GPS的工作狀態信息或者秒脈沖信號,GPS_1PPS秒脈沖入口處的電平不會出現任何變化。

此時,相關模塊必須有獨自判斷GPS是否失效的能力。可以在“窗口”信號開通期間使用單片機相關外部中斷模塊,如果沒有檢測到正確跳變,說明GPS信號失效;如果“窗口”信號開通期間相關中斷模塊能捕捉到正確跳變,則說明GPS信號可能已恢復正常,此時系統可以繼續對恒溫晶體振蕩器OCXO進行校準。

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恒溫晶振(OCXO)介紹

恒溫晶體振蕩器OCXO( Oven Controlled Crystal Oscillator),是目前頻率穩定度和精確度最高的石英晶體振蕩器。它在老化率、溫度穩定性、長期穩定度和短期穩定度等方面的性能都非常好,作為精密的時頻信號源被廣泛用于全球定位系統通信、計量、頻譜及網絡分析儀等電子儀器中。目前,絕大多數高穩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,將槽內溫度調節到晶體諧振器的零溫度系數點上。這樣,能最大限度地克服溫度對晶體振蕩器頻率的影響,被廣泛用作標準頻率源。恒溫晶體振蕩器包括以下幾個基本組成部分。

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好的石英諧振器的必要條件,特別是在寬溫度范圍內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小,Q值高,老化效應小等特點。

2.穩定的振蕩電路

由于恒溫晶體振蕩器要求頻率穩定度高,除了在控溫電路方面要達到一定的控溫精度外,振蕩電路本身穩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變成具有一定頻率、幅度且頻率高度穩定的交流電能,這種轉換是在石英諧振器的參與下進行的。其中最突出的問題就是頻率的穩定性。所以分析、設計振蕩電路都以此為前提。

3.結構完善、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。在晶體振蕩器中,用來使石英諧振器和有關電路元件保持恒溫。其作用是把石英晶振,石英諧振器的溫度穩定在石英諧振器的拐點溫度處,從而充分發揮拐點溫度附近石英諧振器的頻率溫度系數小的特性,使其得到合理使用。設計一個符合要求的恒溫槽和選擇一個性能良好的溫度控制電路對穩定頻率起著舉足輕重的作用。因此一個高穩定的晶體振蕩器,不但應具有穩定的振蕩電路,而且還必須有性能良好的恒溫箱來保證其頻率的穩定,兩者缺一不可。隨著對晶體振蕩器穩定度要求的逐步提高,對恒溫箱的控溫精度要求也越來越高,目前,頻率穩定度在100~10量級的晶體振蕩器,其恒溫箱的溫度控制精度應在0.001℃以內。

隨著通信技術的不斷提高,對恒溫晶振的要求越來越高,使其不斷向著高精度與高穩定化,低噪聲與高頻化、低功耗、快啟動、小型化方向發展。

晶振的相關數學定義

假設晶振輸出信號為正弦波,其數學模型可以表示為:

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

瞬時頻率為:

相對頻率偏移為：

式中x(t)=為時間偏差,由式(2-7)可以得到：

瞬時頻率的常用公式為:

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

由式(2-7)和(2-9)可推導出:

式中,y為初始相對頻率偏差。

由式(2-8)和(2-10)可以得到:

式中,x為初始時間偏差,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,特別是對于OCXO晶振,在頻率保持模式下,我們只考慮老化對實際頻率的影響。很多晶振的老化指標用的是年老化率,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。

假設晶振老化率為常數,式(210)變為：

其中當|Bt|<<1時,有ln(Bt+1)→Br,式(2-17)變為式(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學模型。可以看出石英晶振的老化率可以為正數可以為負數,也可能會產生圖中曲線y3(t)的情況。圖2.5為銣原子頻標的老化曲線,由于測試曲線的后半段存在參考和被測之間因漂移方向相同的現象,從而導致漂移問題不是很明顯。

式中,do、d為正數,參數aj(n),j=1,2,…,M由當前數據輸入和上次數據輸出迭代估計得到,價值函數為

通過最小化價值函數,可以得到參數a,(n),j=1,2,…,M,得到t(n)時刻的ao a1…aM后,t(n+l)時刻的相對頻率偏差預測值為:

系列實驗表明,估計性能對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。加權對數函數模型的缺點是計算比較復雜。

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系都是三次曲線,存在若干個零溫度系數點,如圖2.6所示。

因此對其進行溫度補償時要采用具有非線性函數擬合能力的數學模型。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定度在寬溫度范圍內較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點處,因此OCXO恒溫晶振的頻率溫度系數非常小。當恒溫槽的工作溫度波動被控制在很小范圍內時,如優于百分之一攝氏度時,其頻率溫度變化也可以被限制在很小的范圍內,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OCXO恒溫晶振的頻率溫度變化的預測可以采用線性數學模型, 而Kalman濾波算法正是一種較好的線性模型估計器,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。