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V_O為標稱峰值輸出電壓,§(t)為幅度偏移,φ(t)為相位偏差,f_r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,f_O為t=0時刻的頻率值,f_r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,d_o、d為正數,參數a_j(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a_o a₁…a_M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。