CN101136627A - 一种能够自动设置高稳恒温晶体振荡器参数的方法 - Google Patents
一种能够自动设置高稳恒温晶体振荡器参数的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种能够自动设置高稳恒温晶体振荡器参数的方法,包括:外设计算机C通过基于处理器的数字锁相环模块D中的处理器判断存储器R中的中心压控电压V和压控斜率K是否已设置有标识;如R的V和K没设置有标志,处理器自动计时等待高稳恒温晶体振荡器预热一定时间,且稳定度达指标后,通过数模转换器预设压控范围低电压值V0,逻辑鉴相后处理器读取一定时间的累积相位值N0,得判定频率f0;再预设压控范围高电压值V1,逻辑鉴相后处理器读取一定时间的N1,得f1;读取N0和N1,结合频率判定信息,得到高稳恒温晶体振荡器的K和V;将K和V,写入R,打上设置成功标识。本发明解决设置高稳恒温晶体振荡器操作繁琐的弊病,实现自动控制设置过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种晶体振荡器参数自动设置的方法,尤其涉及高稳恒温晶体振荡器(Oven Controlled Crystal Oscillator,OCXO)参数自动设置的方法。
背景技术
高稳恒温晶体振荡器及与其性能相当的晶体振荡器作为本地时频源,广泛应用于各类通讯产品和设备中。一般情况下,高稳恒温晶体振荡器有很多指标来表示其性能,以便准确反映其运行控制过程。实际生产中一般需要检测压控特性中的牵引范围和压控斜率指标,运用这些数据搜索出合适的中心压控电压,使单板能快速控制到要求的精度。常规都是根据高稳恒温晶体振荡器输出频率信号的特点,用频率计仪表检测这个频率信号,计算机通过RS232串口接单板的处理器控制高稳恒温晶体振荡器的压控电压,再用通用接口总线(General Purpose Interface Bus,GPIB)读取频率计仪表的牵引范围数据,再计算压控斜率、迭代计算中心压控电压,时时与实际控制结果进行一致性检查直至满足设计精度。
这种传统方法的主要缺点有:
第一,需要频率计、GPIB卡、高级时频源(如铯钟)等仪表,不方便生产便宜实现;
第二,需要连接参考电缆、GPIB电缆、串口电缆和待测晶体输出信号电缆等,操作繁琐不实用,不熟悉配置时难以理解操作;
第三,高稳恒温晶体振荡器需要预热外部流程或人为控制不适于批量生产;
第四,GPIB可视化编程直观简洁,在外部计算机上设计后台观察和控制才能执行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够自动设置高稳晶体振荡器参数的方法,以克服设置高稳晶体振荡器操作繁琐的弊病,实现真正完全的自动控制设置过程,以节省仪表资源,加快参数设置速度,方便生产运做。
为了实现上述目的,本发明提供了一种能够自动设置高稳恒温晶体振荡器参数的方法,应用于由处理器、可编程逻辑器件、数模转换器和高稳恒温晶体振荡器组成的基于处理器的数字锁相环模块D、并结合外设计算机C和存储器R构成的高稳恒温晶体振荡器参数设置装置中,其特征在于,包括以下步骤:
(1)所述外设计算机C通过所述基于处理器的数字锁相环模块D中的处理器判断所述存储器R中的压控斜率K和中心压控电压V是否已设置有标识;
(2)如果所述R中的压控斜率K和中心压控电压V没有设置有标志时,所述D中的处理器自动计时等待所述高稳恒温晶体振荡器预热一定时间,且稳定度达到一定指标后,所述处理器通过数模转换器预设压控范围的低电压值V0,逻辑鉴相后处理器读取一定时间的累积相位值N0,得到判定频率f0;所述处理器通过数模转换器再预设压控范围的高电压值V1,逻辑鉴相后处理器读取一定时间的累积相位值N1,得到判定频率f1;
(3)所述处理器通过步骤(2)输出的累积相位值N0和N1,以及判定频率f0和f1是否符合设计的牵引范围指标,再计算出高稳恒温晶体振荡器的压控斜率K;
(4)所述处理器通过步骤(2)的输出的累积相位值N0和N1,结合可编程逻辑器件提供的鉴相信息,得到中心频率f达到10E-10的精度对应的中心压控电压V;
(5)将步骤(3)的压控斜率K和步骤(4)的中心压控电压V,写入存储器R,同时打上设置成功标识。
本发明所述的方法,其中,所述步骤(1),进一步包括:所述外设计算机C和处理器之间通过串口连接。
本发明所述的方法,其中,所述步骤(2)进一步包括:
如果所述R中的中心压控电压V没有设置有标志时,所述D中的处理器自动计时等待所述高稳恒温晶体振荡器预热一定时间,且稳定度达到10E-10后,所述处理器通过数模转换器预设压控范围的低电压值V0,并启动单片机中计数器30s后,逻辑鉴相后处理器读取一定时间的累积相位值N0,得到判定频率f0;所述处理器通过数模转换器再预设压控范围的高电压值V1,并启动单片机中计数器30s后,逻辑鉴相后处理器读取一定时间的累积相位值N1,得到判定频率f1。
上述方法,其中,步骤(2)所述的预热一定时间为30分钟;
步骤(2)所述的稳定度达到一定指标为10E-10。
上述方法,其中,步骤(2)中所述可编程逻辑器件中的累积相位值,进一步包括:所述可编程逻辑器件对高稳恒温晶体振荡器产生的信号与外部参考信号的结合,进行鉴相,得到累积相位值。
上述方法,其中,步骤(2)中所述的V0=0V;所述的V1=5V;即高稳恒温晶体振荡器的压控范围。
本发明所述的方法,其中,所述处理器为带有时间戳的处理器。
本发明所述的方法,其中,所述步骤(3)包括:
所述处理器通过步骤(2)输出的累积相位值N0和N1,判定频率f0和f1是否符合设计的牵引范围指标,再运用公式K=(f1-f0)/(V1-V0)=(N1-N0)/[(V1-V0)*8*30],计算出高稳恒温晶体振荡器的压控斜率K。
本发明所述的方法,其中,所述步骤(4)包括:
(41)所述处理器通过步骤(2)的输出的累积相位值N0和N1,运用公式V1=65536*|N0|/(|N1|+|N0|),得到第一次中心压控电压V1;
(42)所述处理器通过第一次中心压控电压V1,得到电压第一次中心压控电压V1控制后第一次相位值N3和第二次及之后各次相位值N4,当(N4-N3)不大于1时,得出时间T;
(43)如果时间T大于10-10精度对应的时间250s,则该电压V1作为最终的中心压控电压V;如果时间T不大于10-10精度对应的时间250s,则根据公式V2=V1+65536*(|N4|-|N3|)*30/((|N1|+|N0|)*T)得到电压V2,继续用V2判断通过步骤(42)得到的N3和N4,并通过N3和N4得出时间T,直到其大于10-10精度对应的时间250s,并将该电压V2作为最终的中心压控电压V。
上述方法,其中,所述步骤(5),进一步包括:将步骤(3)的压控斜率K和步骤(43)的最终的中心压控电压V,写入存储器R,同时打上设置成功标识。
采用本发明所述方法,与现有通过频率计仪表的频域量测技术相比,由于采用了基于处理器的数字锁相模块的相位量测技术,实现了高稳恒温晶体振荡器便宜应用进步,达到了自动设置高稳恒温晶体振荡器参数的效果,节省了设置设备和环境,提高了生产效率。
附图说明
图1是本发明实施例所述方法的过程方框图;
图2是本发明现有技术所述的相位量测频率时序图;
图3是本发明实施例所述的高稳恒温晶体振荡器参数设置装置结构图;
图4是本发明实施例所述的能够自动设置高稳恒温晶体振荡器参数的方法的具体流程图。
具体实施方式
本发明为了解决传统技术方案存在的弊端,通过以下具体实施例进一步阐述本发明所述的一种能够自动设置高稳恒温晶体振荡器参数的方法,以下对具体实施方式进行详细描述,但不作为对本发明的限定。
本发明实施例中涉及的频率的计算原理是根据相位来推算的,因为相位是频率的积分,频率是相位的微分。如图2所示,假如我们的参考时间是一个秒脉冲(标准10MHZ计出的PP1S,如附图2的1),被测试时钟计数单位为107,产生的PP1S如附图2的2,被测试时钟频率为f,被测试时钟周期为1/f,那么107个脉冲对应的实际时间为107/f,所以有如下的等式:1=107/f-PHASE,PHASE可用被测试时钟的8倍频进行鉴相,假设鉴相计数值为N,那么PHASE=N/8f,所以1=107/f-N/8f,所以f=107-N/8。
本发明实施例中涉及到用相位鉴定频率,鉴定精度要一定次数的鉴定相位差才能保证;鉴相精度和鉴相时间计算,基本实现原理如上,但在实际中不可能以1S为单位,因为频率是通过时间的积分产生相位,如果时间短,相位差就小,受鉴相的分辩率的限制,在相位上就无法反应。中心频率的设置准确度要求小于10E-10,要达到这样的指标,涉及两个问题:一、鉴相精度;二、鉴相时间;这两个问题是相辅相成的,鉴相精度考虑到被测试时钟f=10MHz的8倍频进行鉴相,前沿和后沿各有12.5nS的误差,那么实际鉴相的误差最大为25nS,因此频率测试准确度要求10E-10指标的频率设置达到25nS鉴相精度所需鉴相时间为250S。
由于计算压控斜率时并不需要将频率测试的那么准,找压控斜率时频率测试精度达到10E-9即可。如上频率测试准确度要求10E-10指标的频率设置达到25nS鉴相精度所需时间为250S,那么频率测试准确度要求10E-9指标的频率设置达到25nS鉴相精度所需时间为25S,也就是说当启动25S后读取累积相差,就可以准确反映固定压控下高稳恒温晶体振荡器输出的频率,按压控范围0~5V调整压控电压搜索牵引范围并判定频率符合牵引范围要求,再计算出压控斜率K,这里适当放宽到30S。
由上相位鉴定频率原理知频偏1Hz对应8bit字相位,对于压控范围为0~5V,相应牵引范围为±3Hz~±5Hz的高稳恒温晶体振荡器,其相位字是24~40bit;再结合鉴相精度要求,相位字为720~1200。
如图1所示为本发明的过程方框图,处理器判断标识进入自动设置流程,通过数模转换器调整压控电压、逻辑鉴相,处理器对相位数据进行处理计算并判断牵引范围、压控斜率和中心压控电压是否符合设计指标,如符合就存储并设成功标识后退出自动设置流程。
如图3所示,介绍了本发明所采用的结构示意图,系统主要应用在基于处理器的数字锁相模块D。
处理器通过数模转换器控制高稳恒温晶体振荡器的运行;可编程逻辑器件对高稳恒温晶体振荡器产生的信号与外部参考信号进行鉴相,得到的相位差数据再输入给处理器进行运算,最终得到的牵引范围、压控斜率和中心压控电压参数由处理器来存储到存储器R;整个过程由外设计算机C进行监控,外设计算机C和处理器所在的微处理器数字锁相环模块D之间通过串口连接。
本发明实施例中自动设置的参数性能由几处应用和设置决定,分别有:
处理器和数模转换器控制Bit位数选用16位的,结合+5V电压参考基准决定压控电压灵敏度达到5V/216bit=76μv/bit;
选取高频率进行鉴相可大大提高鉴相精度,根据电路实际工作能力选取鉴相频率80MHz,既周期为12.5nS;
可编程逻辑器件中鉴相器的Bit位数,普通计数器设计成8位,提高位数可实现更宽的鉴相,如上鉴相频率80MHz一周期为12.5nS,则鉴相范围是28*12.5nS=3200nS;
外部参考要求达到较之高稳恒温晶体振荡器更高的稳定度,如10E-11。
如图4所示,是本发明实施例所述方法的流程图,主要在处理器中实现。主要流程是:设备上电后判断存储器R是否已有设置标志,进入设置流程再判断是否满足预热条件;这里如果需要进入自动设置参数流程可通过外设计算机C通过串口清除处理器标志的方式轻松进入,当然要保证标志保存的可靠性;高稳恒温晶体振荡器的预热为其自身特性所决定,如果忽略其自身特性过程会很不稳定,也无法高效,一般预热时间可根据高稳恒温晶体振荡器开机特性设置为30分钟;
预热完成后处理器开始设定压控电压为压控范围的低电压0V,30S后读取累积相差,判定频率f0是否满足指标要求-3Hz>f0-107>-5Hz,抵消符号影响后即判定累积相位值是否满足要求720<|N0|<1200;再设定压控电压为压控范围的高电压为5V,30S后也读取累积相差,判定频率f1是否满足指标要求5Hz>f1-107>3Hz,抵消符号影响后即判定累积相位值是否满足要求720<|N1|<1200;满足上述指标的N0和N1即是高稳恒温晶体振荡器的牵引范围。
运用公式计算压控斜率,目前压控斜率计算公式是K=(f1-f0)/(V1-V0)=(|N1|-|N0|)/[(V1-V0)*8*30],其中,8是根据上面相位鉴定频率原理知频偏1Hz对应8bit字相位,30为保证达到10E-9性能牵引范围精度进行的鉴相读数次数30S,N0为0V相位值,N1为5V相位值,每次设置过程只计算一次。
搜索中心压控电压是个急速收敛的过程,振荡次数可通过设置累计次数和参数指标门限来调整。找中心频率,要达到10E-10的精度,需要250S,考虑到并不是一次就可以找到中心频率,如果比较差的话,就算10次,那么找中心频率要42分钟,为了缩短找中心频率的时间,方法便显得很重要。第一次计算出的电压为V1=65536*|N0|/(|N1|+|N0|),第二次和后面搜索中心压控电压的计算公式为:
V2=V1+65536*(|N4|-|N3|)*30/((|N1|+|N0|)*T),其中,30为保证达到10E-9性能牵引范围精度进行的鉴相读数次数30S,N0为0V相位值,N1为5V相位值,每次设置过程只计算一次;N3为计算的中心压控电压控制后第一次相位值,N4为计算的中心压控电压控制后2~250次的每次相位值,T是保证达到10E-10中心频率准确度进行的实时鉴相读数N4-N3不大于1的时间;这样迭代计算下去,直到中心频率f误差小于10E-10为止,简单的判别方式是250S内累积的鉴相值(|N4|-|N3|)变化不大于1。如果N4-N3大于1就重新计算V2控制并重记N3、N4,直至T达到250次的N4-N3都不大于1。
符合精度要求的中心压控电压搜索完成后,处理器写入存贮器,同时打上标识,表示已经设置参数成功。
外设计算机串口连接处理器,运行信息打印上计算机,可进行有效的实时观察分析整个自动设置过程。
结合图3和图4所示,本发明实施例所述方法具体过程为:应用于由处理器、可编程逻辑器件、数模转换器和高稳恒温晶体振荡器组成的基于微处理器的数字锁相环模块D、并结合外设计算机C和存储器R构成的高稳恒温晶体振荡器参数设置装置中,其包括以下步骤:
步骤301,所述高稳恒温晶体振荡器参数设置装置上电;
步骤302,所述外设计算机C通过所述基于处理器的数字锁相环模块D判断所述存储器R中的中心压控电压V和压控斜率K是否已设置有标识;
步骤303,如存储器R中的中心压控电压V和压控斜率K已设置有标识,则所述高稳恒温晶体振荡器参数设置装置进入正常工作模式;
步骤304,如存储器R中的中心压控电压V和压控斜率K没有设置有标识,则进入生产设置,执行步骤305;
步骤305,判断所述D中的处理器自动计时等待所述高稳恒温晶体振荡器是否预热30分钟,并且稳定度达到10E-10,如果是则执行306;如果没有继续等待;
步骤306,预热完成后处理器开始预设一个压控电压为压控范围的低电压V0=0V,等1s后同步启动可编程逻辑器件中的鉴相器;
步骤307,判断启动是否已到30s,如果到了所述可编程逻辑器件中的鉴相器中断计数;如果没到继续等待;
步骤308,读取累积相位值N0;
步骤309,判定频率是否满足指标要求-3Hz>f0-107>-5Hz,抵消符号影响后即判定累积相位值是否满足要求720<N0<1200;如果满足条件则执行步骤311;如果不满足条件,则执行步骤310;
步骤310,退出电压设置,告警高稳恒温晶体振荡器低电压牵引范围超出;
步骤311,所述处理器开始预设又一个压控电压为压控范围的高电压V1=5V,等1s后同步启动可编程逻辑器件中的鉴相器;
步骤312,判断启动是否已到30s,如果到了所述可编程逻辑器件中的鉴相器中断计数;如果没到继续等待;
步骤313,读取累积相位值N1;
步骤314,判定频率是否满足指标要求-3Hz>f1-107>-5Hz,抵消符号影响后即判定累积相位值是否满足要求720<N1<1200;如果满足条件则执行步骤316;如果不满足条件,则执行步骤315;
步骤315,退出电压设置,告警高稳恒温晶体振荡器高电压牵引范围超出;
步骤316,所述处理器通过步骤315输出的累积相位值N0和N1,以及判定频率f0和f1是否符合设计的牵引范围指标,再运用公式K=(f1-f0)/(V1-V0)=(N1-N0)/[(V1-V0)*8*30],计算出高稳恒温晶体振荡器的压控斜率K;
步骤317,所述处理器通过步骤316输出的累积相位值N0和N1,运用公式V1=65536*|N0|/(|N1|+|N0|),计算得到第一次中心压控电压;
步骤318,所述处理器通过电压V1,等ls后同步启动可编程逻辑器件中的鉴相器;
步骤319,得到电压V1控制后第一次相位值N3;
步骤320,继续得到电压V1控制后第二次及之后每次的相位值N4,直到(N4-N3)不大于1的次数达到250次;
步骤321,根据步骤320,算出N3到N4的时间T,如果时间T大于10E-10精度对应的时间250s,则执行步骤323,否则执行步骤322;
步骤322,根据公式V2=V1+65536*(|N4|-|N3|)*30/((|N1|+|N0|)*T)得到第二次中心压控及之后各次电压V2,继续用V2判断通过步骤318得到的N3和N4,并通过N3和N4得出时间T,直到其大于10E-10精度对应的时间250s,执行步骤323;
步骤323,将步骤316的压控斜率K和步骤321确定的中心压控电压V,写入存储器R,同时设置标识。
本发明实施例所述的方法,与现有通过频率计仪表的频域量测技术相比,由于采用了基于处理器的数字锁相模块的相位量测技术,实现了高稳恒温晶体振荡器便宜应用进步,达到了自动设置高稳恒温晶体振荡器参数效果,节省了设置设备和环境,提高了生产效率。
当然,本发明还可有其他多种实施例,在不背离本发明精神及其实质的情况下,熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形,但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种能够自动设置高稳恒温晶体振荡器参数的方法,应用于由处理器、可编程逻辑器件、数模转换器和高稳恒温晶体振荡器组成的基于处理器的数字锁相环模块D、并结合外设计算机C和存储器R构成的高稳恒温晶体振荡器参数设置装置中,其特征在于,包括以下步骤:
(1)所述外设计算机C通过所述基于处理器的数字锁相环模块D中的处理器判断所述存储器R中的压控斜率K和中心压控电压V是否已设置有标识;
(2)如果所述R中的压控斜率K和中心压控电压V没有设置有标志时,所述D中的处理器自动计时等待所述高稳恒温晶体振荡器预热一定时间,且稳定度达到一定指标后,所述处理器通过数模转换器预设压控范围的低电压值V0,逻辑鉴相后处理器读取一定时间的累积相位值N0,得到判定频率f0;所述处理器通过数模转换器再预设压控范围的高电压值V1,逻辑鉴相后处理器读取一定时间的累积相位值N1,得到判定频率f1;
(3)所述处理器通过步骤(2)输出的累积相位值N0和N1,以及判定频率f0和f1是否符合设计的牵引范围指标,再计算出高稳恒温晶体振荡器的压控斜率K;
(4)所述处理器通过步骤(2)的输出的累积相位值N0和N1,结合可编程逻辑器件提供的鉴相信息,得到中心频率f达到10E-10的精度对应的中心压控电压V;
(5)将步骤(3)的压控斜率K和步骤(4)的中心压控电压V,写入存储器R,同时打上设置成功标识。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(1),进一步包括:所述外设计算机C和处理器之间通过串口连接。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(2)进一步包括:
如果所述R中的中心压控电压V没有设置有标志时,所述D中的处理器自动计时等待所述高稳恒温晶体振荡器预热一定时间,且稳定度达到10E-10后,所述处理器通过数模转换器预设压控范围的低电压值V0,并启动单片机中计数器30s后,逻辑鉴相后处理器读取一定时间的累积相位值N0,得到判定频率f0;所述处理器通过数模转换器再预设压控范围的高电压值V1,并启动单片机中计数器30s后,逻辑鉴相后处理器读取一定时间的累积相位值N1,得到判定频率f1。
4.如权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤(2)所述的预热一定时间为30分钟;
步骤(2)所述的稳定度达到一定指标为10E-10。
5.如权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤(2)中所述可编程逻辑器件中的累积相位值,进一步包括:所述可编程逻辑器件对高稳恒温晶体振荡器产生的信号与外部参考信号的结合,进行鉴相,得到累积相位值。
6.如权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤(2)中所述的V0=0V;所述的V1=5V;即高稳恒温晶体振荡器的压控范围。
7.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述处理器为带有时间戳的处理器。
8.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(3)包括:
所述处理器通过步骤(2)输出的累积相位值N0和N1,判定频率f0和f1是否符合设计的牵引范围指标,再运用公式K=(f1-f0)/(V1-V0)=(N1-N0)/[(V1-V0)*8*30],计算出高稳恒温晶体振荡器的压控斜率K。
9.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(4)包括:
(41)所述处理器通过步骤(2)的输出的累积相位值N0和N1,运用公式V1=65536*|N0|/(|N1|+|N0|),得到第一次中心压控电压V1;
(42)所述处理器通过第一次中心压控电压V1,得到电压第一次中心压控电压V1控制后第一次相位值N3和第二次及之后各次相位值N4,当(N4-N3)不大于1时,得出时间T;
(43)如果时间T大于10E-10精度对应的时间250s,则该电压V1作为最终的中心压控电压V;如果时间T不大于10E-10精度对应的时间250s,则根据公式V2=V1+65536*(|N4|-|N3|)*30/((|N1|+|N0|)*T)得到电压V2,继续用V2判断通过步骤(42)得到的N3和N4,并通过N3和N4得出时间T,直到其大于10-10精度对应的时间250s,并将该电压V2作为最终的中心压控电压V。
10.如权利要求9所述的方法,其特征在于,所述步骤(5),进一步包括:将步骤(3)的压控斜率K和步骤(43)的最终的中心压控电压V,写入存储器R,同时打上设置成功标识。
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- 2007-01-26 CN CN2007100036925A patent/CN101136627B/zh not_active Expired - Fee Related
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