CN106165297B - 用于操作电子振荡器中的机械谐振器的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于操作电子振荡器中的机械谐振器的方法，包括：确定诣振器的状态空间描述，其中状态变量是在晶体谐振器中使用的组件的质量、刚度或尺寸；为表格提供频率校正因子，作为谐振器的状态空间的函数；找到对应于确定的状态空间的频率校正因子；以及用校正因子乘以谐振器的输出频率，并且涉及电子振荡器，包括：机械谐振器，其中振荡器的输出频率乘以频率校正因子，频率校正因子是从谐振器的状态变量特别是主导的机械状态变量的确定获得的。

Description

用于操作电子振荡器中的机械谐振器的系统和方法

技术领域

本发明涉及用于操作电子振荡器中的机械谐振器的系统和方法。

背景技术

诸如晶体振荡器之类的机械谐振器被用作电子设备中的频率和定时参考。它们的频率稳定性是最重要的。通常在甚短期、短期和长期的三个时间范围内划分频率稳定性的规范。

通常由时间抖动或相位噪声所表示的在甚短期内的稳定性受与晶体的损耗相关联的热噪声以及由电子振荡电路添加的噪声的限制。

已知晶体振荡器的甚短期稳定性是极好的。

晶体谐振器具有非常低的损耗，这由其高品质因子(高达10⁶)来表示。电子设备的噪声贡献可以通过精心设计而被保持得低。

在短时间间隔内的稳定性受由于温度变化引起的频率漂移的限制。

晶体振荡器的高的短期稳定性通常需要特别关注。为了现代电信的目的，需要改善晶体谐振器的固有的短期稳定性。因为温度是短期不稳定性的直接原因，所以用于改善短期稳定性的当前方法集中于改善其温度稳定性。

根据技术现状，已知有下列方法。

第一种方法是将温度变化与晶体隔离，并且优化晶体的热操作点。这是在所谓的恒温箱化的晶体振荡器(OCXO)中采取的方法。在大约80摄氏度处示出零温度漂移的特别的SC切割的晶体被放置在操作在该温度下的恒温箱中。受控的恒温箱将晶体与环境的温度变化隔离，升至其受控的温度。恒温箱化的晶体的缺点是：它们相对大、昂贵且耗电。

第二种方法是执行温度测量、校准和校正。在温度补偿的晶体振荡器(TCXO)中以及在微处理器控制的晶体振荡器(MCXO)中采取这种方法。

在TCXO中，用温度传感器测量晶体的温度，并且通过用诸如VARICAP之类的电控调谐设备解谐振荡器而补偿其振荡频率的预期变化。针对VARICAP的温度和调谐电压之间的关系在校准期间被确定和存储并在操作期间被重新使用。

缺点是温度稳定性的改善是有限的，因为在所有情况下，传感器的温度并不完美地跟踪晶体的温度。由于工厂校准，所以晶体需要与电子设备配对。

在MCXO中使用第三种方法是在双模式振荡器的帮助下确定温度，并且通过将其与微处理器控制的频率合成器级联而被校正。在精心设计的双模式振荡器中，所谓的拍频强烈地依赖于温度，该拍频是在归一化的泛音谐振频率和晶体的基本谐振频率之间的频率差。在校准期间，存储该关系，并且在操作期间，该关系被微处理器控制的频率合成器使用以校正双模式振荡器的输出频率之一。MCXO中的温度补偿执行得比在TCXO中的温度补偿好得多，因为频率变化的信息从晶体本身而不是从温度传感器获得。

然而，拍频不单独地依赖于温度，该拍频是在基本频率和归一化的泛音频率之间的差并且被用作用于双模式振荡器中的温度的测量；它还取决于晶体谐振器中的机械应力。除了静态组件以外，机械应力可能由于晶体的不同热膨胀系数、晶体的连接板和安装材料(爬电效果)而随着时间的推移而变化。这导致所谓的回扫差错，并且需要配备有应力补偿或SC切割的晶体的高性能MCXO。这些晶体比流行的AT切割的晶体更昂贵，流行的AT切割的晶体进而对应力更敏感。由于工厂校准，所以SC切割的晶体需要与电子设备配对。

在非常长时间段内的稳定性受老化限制。可以使用高性能封装技术实现非常长时间内的高频率稳定性，高性能封装技术防止晶体的操作环境中的化学和物理变化。

发明内容

因此，本发明的目标是消除现有技术的缺点或者至少提供有用的替代方案。

因此，本发明包括用于操作电子振荡器中的机械谐振器的系统和方法，从而利用下述事实：诸如压电晶体谐振器、陶瓷谐振器和MEMS谐振器之类的机械谐振器的谐振模式取决于谐振器中的材料的质量、刚度、尺寸和机械形状。

那些中的大多数通过制造而被准确地固定，但是它们中的一些可取决于谐振器的操作条件。例如，在晶体谐振器中，晶体的尺寸取决于温度，并且因为晶体经受该温度，所以晶体的刚度可取决于温度和寿命。

根据本发明，晶体振荡器的输出频率的变化的改善校正基于谐振器的所谓的状态空间描述，其中状态变量是晶体谐振器中使用的所有组件的质量、刚度和尺寸。

根据本发明，不需要所需的这些变量的直接测量。如果温度漂移和回扫主要受晶体的尺寸和刚度的影响，则这两个状态变量的直接或间接测量已经为包括回扫的频率校正提供了坚实的基础。

本发明因此提出初始化电子振荡器中的机械谐振器的方法，包括：

a.确定表示晶体谐振器的刚度、质量和/或尺寸的状态变量的至少两个独立的可电测量的参数；

b.相对于已知的参考信号频率测量晶体的谐振模式频率；

c.确定频率校正因子，该频率校正因子是谐振模式频率和参考信号频率之比；

d.直接或间接地改变状态变量；

e.在表格中记录至少两个参数的测量值和对应的频率校正因子；

f.重复步骤b到e许多次，以填充表格。

在初始化阶段期间，因此可以在实际使用中采取机械谐振器之前通过执行测量获得或填充具有频率校正因子的表格。一旦在使用中，表格可被用作参考，以便提供期望的输出频率。

状态变量的间接确定可以意味着机械变量通过电谐振参数诸如谐振器的电损耗、等效电感和等效电容的测量而被确定。另外，如果状态变量的值的变化对于晶体的不同谐振模式自身不同地表明，则这样的间接确定也可通过测量多模式晶体振荡器的输出频率来实现。

事实上：在针对其这些谐振频率形成映射到主导的状态变量的集合上的独立的变量集合的操作区域内，可以从晶体的修改的状态空间描述发现校正，其中机械状态变量由谐振频率替换。

至少两个独立的可电测量的参数例如可从下述组中选择：晶体的谐振频率相对于晶体的另一个谐振频率之比；晶体谐振器的在其谐振频率中的一个或多个处的功率损耗；在一个或多个谐振频率处的晶体谐振器的品质因子。

在进一步的实施例中，根据本发明的方法包括：确定使用中的谐振器的基础频率的频率，并且至少确定基础频率与泛音中的一个之间之比。

因此，频率或基础频率间接从另一个电参量，比如电谐振参数，诸如谐振器的电损耗、等效电感和等效电容确定。

本发明进一步涉及如以上描述的那样配置的用于操作电子振荡器中的机械谐振器的方法，并且包括下述步骤：测量至少两个独立的可电测量的参数；查找对应于测量的参数的组合的校正因子，并且用校正因子乘以谐振器的输出频率。

间接测量技术被应用在当前发明中。它使用三模式振荡器，三模式振荡器产生准确地链接到晶体的三个不同的谐振频率的三个输出频率。用指定为参考的输出频率之一，可以测量两个频率比。这两个比形成晶体谐振器的修改的状态变量(φ₁，φ₂)的集合。

可以从这两个比获得用于输出频率的校正的乘法因子δ(t)，如下：

其中n表示在校正因子和状态变量的变化之间的关系中的非线性的阶。

使用拍频作为用于温度校正的测量的当前双模式振荡器使用简化的关系：

在当前发明中，需要两个变量而不是仅仅一个，这使得可能补偿回扫，在双模式振荡器中这是不可能的。

本发明还涉及使用机械谐振器的电子振荡器，其中通过将它与数字控制的频率合成器级联而校正振荡器的输出频率，并且其中从谐振器的状态变量特别是主导的机械状态变量的确定获得频率校正数据。

附图说明

现在将参考下列附图更详细地阐明本发明，其中，图1示出根据本发明的电路的示意性概述。

具体实施方式

图1示出根据本发明的电路的简化功能表示。电路包括三模式晶体振荡器电路1、频率测量系统2、频率验证器3、3D阵列4、数据内插器5、分数频率合成器6和控制器19。

在使用中，三模式晶体振荡器电路生成等于晶体的三个谐振频率的三个频率7、8、9；该三个频率中的一个被选为用于生成输出频率18的分数频率合成器的基础频率。

可以施加高品质的频率参考信号13到电子振荡器的输入。在自学习或校准模式中，频率测量系统随后确定由三模式晶体振荡器生成的频率10、11、12的三个不同的比以及频率校正因子，频率校正因子是选择的基础频率和参考频率之比f₁/f_ref。

频率校正因子是可以以其从f₁ 7中获得f_ref 13的因子。它与由验证器14确定的时间戳和加权系数一起被存储(附加到现有数据)在存储器位置(x，y)处，其中x和y唯一地对应于由三模式振荡器生成的两个频率之比，比如说f₁/f₂ 7/8和f₁/f₃ 7/9。

因此，存储器地址x和y表示对应于晶体的具体操作条件并且随着施加的操作条件、随着时间的推移而变化的两个修改的状态变量的值。

随着晶体的缓慢和快速变化的操作条件(例如随着变化的温度)，具有时间戳和加权系数的频率校正数据被连续地存储在许多不同的存储器位置处，许多不同的存储器位置映射到晶体的许多不同的操作状态上。

内插器5从存储在存储器中的日期估计频率校正数据。分数频率合成器6从基础频率和估计的校正数据生成其输出频率。随着每个读取周期更新用于内插器的输入数据。以这种方式，输出频率18与最初的频率参考13连续地准确地相关，无论其存在与否。

一种用于频率校正因子的估计的方法可以是计算在靠近由地址向量(x，y)设置的那些存储器位置的存储器位置的集合处存储的数据的加权时间平均值，并且执行所得到的数据集的二维内插。

Claims (10)

1.一种用于初始化电子振荡器中的机械谐振器的方法，所述方法包括：

确定表示包括晶体谐振器的刚度、质量和/或尺寸的状态变量的至少两个独立的可电测量的参数；

相对于已知的参考信号频率测量晶体的谐振模式频率；

确定频率校正因子，该频率校正因子是谐振模式频率和参考信号频率之比；

直接或间接地改变状态变量；

在表格中记录至少两个参数的测量值和对应的频率校正因子；

重复步骤b到e许多次，以填充表格。

2.根据权利要求1所述的方法，其中至少两个独立的可电测量的参数是从下述组选择的：

晶体的谐振频率和晶体的另一个谐振频率之比；

晶体谐振器中的在其谐振频率中的一个或多个处的功率损耗；

在一个或多个谐振频率处的晶体谐振器的品质因子。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括：

确定状态空间描述，

其中所述确定状态空间描述包括：

确定使用中的谐振器的多个谐振频率的值；

确定泛音之比；并且

提供泛音比和对应的频率校正因子的表格。

4.用于操作根据权利要求1所述的方法配置的电子振荡器中的机械谐振器的方法，所述方法包括：

测量至少两个独立的可电测量的参数；

查找对应于测量的参数的组合的频率校正因子；并且

用所述频率校正因子乘以谐振器的输出频率。

5.一种包括机械谐振器的电子振荡器，其中所述电子振荡器的输出频率乘以频率校正因子，频率校正因子是根据权利要求1所述的方法获得的。

6.根据权利要求5所述的电子振荡器，其中频率校正因子由数字控制的频率合成器生成。

7.根据权利要求6所述的电子振荡器，其中所述数字控制的频率合成器是分数频率合成器。

8.根据权利要求5所述的电子振荡器，还包括：可寻址存储器，配置成存储由振荡器生成的频率之比的对，其中频率之比的所述对形成对应于晶体的具体操作条件的、修改的状态变量。

9.根据权利要求7所述的电子振荡器，还包括：内插器，配置成从存储在存储器中的日期估计频率校正数据。

10.根据权利要求9所述的电子振荡器，其中分数频率合成器被配置成从基础频率和估计的频率校正数据生成其输出频率，并且随着每个读取周期为内插器更新输入数据。