CN110855242B - 一种基于电压变化量的晶体振荡器抗振补偿装置及方法 - Google Patents

一种基于电压变化量的晶体振荡器抗振补偿装置及方法 Download PDF

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CN110855242B CN201911198531.5A CN201911198531A CN110855242B CN 110855242 B CN110855242 B CN 110855242B CN 201911198531 A CN201911198531 A CN 201911198531A CN 110855242 B CN110855242 B CN 110855242B
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    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B1/00—Details
    • H03B1/04—Reducing undesired oscillations, e.g. harmonics

Abstract

本发明公开了一种基于电压变化量的晶体振荡器抗振补偿装置及方法，通过压控晶体振荡器、功分器、微处理器、数模转换器、滤波器以及加法器依次连接形成闭环补偿构架，由微处理器和数模转换器直接生成补偿电压变化量，更容易实现实时高精度补偿。本发明不需要加速度传感器，而是直接将压控晶体振荡器的实时输出频率与振动条件建立联系，能够克服现有抗振晶体振荡器中由于使用外部加速度感器带来的迟滞问题。同时，本发明补偿过程简单，补偿结构也较为简单，易于集成和批量生产。此外，本发明可以良好适用于各种频率的晶体振荡器，尤其是对于采用现有技术补偿效果较差的高频晶体振荡器更为明显，实用性强。

Description

一种基于电压变化量的晶体振荡器抗振补偿装置及方法
技术领域
本发明属于晶体振荡器技术领域，具体涉及一种基于电压变化量的晶体振荡器抗振补偿装置及方法的设计。
背景技术
抗振晶体振荡器(Anti-vibration crystal Oscillator，以下简称AVXO)是一种能在特定振动环境工作并通过一定方式保持晶体振荡器的输出频率在一定的精度范围内的晶体振荡器。它具有低相噪，高稳定性等特点，广泛应用于各种通信、导航、雷达、卫星定位系统、移动通信以及各类电子测量仪器仪表中。
AVXO本质上是带有振动补偿网络并由其产生与振动相关的补偿电压的压控晶体振荡器(Voltage Controlled crystal Oscillator，以下简称VCXO)。未补偿的压控晶体振荡器VCXO受到振动影响，其输出频率与振动加速度的关系可以表示为：
Figure BDA0002295281090000011
其中，
Figure BDA0002295281090000012
表示振动加速度，
Figure BDA0002295281090000013
表示晶体振荡器的加速度灵敏度，f0表示晶体振荡器无振动条件静态时的输出频率，
Figure BDA0002295281090000014
表示晶体振荡器在振动加速度为
Figure BDA0002295281090000015
时的输出频率。
对于常用的压控晶体振荡器的压控～频率特性可以近似表述如下：
Figure BDA0002295281090000016
其中，K是VCXO的压控～频率灵敏度，VC是VCXO的控制电压，
Figure BDA0002295281090000017
是VCXO的压控中心电压，f0是输入压控中心电压为
Figure BDA0002295281090000018
时的振荡频率。
为了使VCXO在振动条件下的输出频率稳定在标称频率，需要产生一个补偿电压加在VCXO的压控控制端进行补偿以抵消由振动产生的频率漂移，从而使其在振动条件下输出稳定的频率，达到频率补偿的目的。
目前，实现AVXO的有源补偿方法是基于加速度传感器的有源补偿网络的抗振晶体振荡器，该抗振晶体振荡器是一种开环补偿方式，利用加速度传感器测量晶体振荡器受到振动的实时振动加速度，通过外部电路产生一个补偿电压，并将该电压施加到晶体振荡器上，以抵消振动引起的晶体振荡器的频率漂移。
显然，现有的有源补偿AVXO是采用开环式补偿构架，要用到加速度传感器，该加速度传感器在电路上尽可能的靠近晶体谐振器，而晶体谐振器是被单独封装在密闭空间内，这就不可避免的产生了迟滞，对AVXO的补偿精度有明显影响。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有开环式补偿AVXO精度较低的问题，提出了一种基于电压变化量的晶体振荡器抗振补偿装置及方法，通过采用闭环式补偿构架来实现抗振晶体振荡器的高精度数字式补偿。
本发明的技术方案为：一种基于电压变化量的晶体振荡器抗振补偿装置，包括依次连接并形成闭环结构的压控晶体振荡器、功分器、微处理器、数模转换器、滤波器以及加法器。
压控晶体振荡器用于产生稳定的振荡频率信号并将其输出至功分器。
功分器用于将压控晶体振荡器的输出信号分为两路，其中一路作为晶体振荡器抗振补偿装置的输出信号，另一路输出至微处理器。
微处理器用于采集压控晶体振荡器的标称频率f0和实时输出频率
Figure BDA0002295281090000021
建立振动条件下压控晶体振荡器的实时输出频率
Figure BDA0002295281090000022
与所需补偿电压变化量ΔVc的对应关系表
Figure BDA0002295281090000023
Figure BDA0002295281090000024
并根据压控晶体振荡器的实时输出频率向数模转换器发送补偿电压变化量ΔVc的编码信息。
数模转换器用于根据补偿电压变化量ΔVc的编码信息生成补偿电压变化量ΔVc。
滤波器用于滤除补偿电压变化量ΔVc中的噪声信号。
加法器用于对补偿电压变化量ΔVc和加载到压控晶体振荡器的压控电压Vc0进行求和运算，得到补偿电压Vc，通过补偿电压Vc实现对压控晶体振荡器的补偿。
进一步地，滤波器包括电阻R1和电容C1，电阻R1的一端作为滤波器的输入端与数模转换器的输出端连接，其另一端与电容C1的一端连接，并作为滤波器的输出端与加法器的第二输入端连接，电容C1的另一端接地。
进一步地，加法器包括运算放大器芯片U1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5，运算放大器芯片U1的同相输入端分别与电阻R2的一端、电阻R3的一端以及电阻R4的一端连接，其反相输入端与电阻R5的一端连接，电阻R2的另一端作为加法器的第一输入端，输入压控电压，电阻R3的另一端作为加法器的第二输入端，输入补偿电压变化量，电阻R4的另一端与运算放大器芯片U1的输出端连接，并作为加法器的输出端，输出补偿电压，电阻R5的另一端接地。
本发明还提供了一种基于电压变化量的晶体振荡器抗振补偿方法，包括以下步骤：
S1、非振动条件下，在压控晶体振荡器的电压控制端施加压控电压Vc0，使其输出标称频率f0，并采用微处理器采集标称频率f0。
S2、根据标称频率f0，通过微处理器建立振动条件下压控晶体振荡器的实时输出频率
Figure BDA0002295281090000031
与所需补偿电压变化量ΔVc的对应关系表
Figure BDA0002295281090000032
S3、在振动条件下，通过功分器将压控晶体振荡器的实时输出频率
Figure BDA0002295281090000033
分为两路，其中一路作为晶体振荡器抗振补偿装置的输出信号，另一路输出至微处理器。
S4、通过微处理器采集压控晶体振荡器的实时输出频率
Figure BDA0002295281090000034
并根据实时输出频率
Figure BDA0002295281090000035
通过查找对应关系表
Figure BDA0002295281090000036
得到所需补偿电压变化量ΔVc的编码信息，并将编码信息发送至数模转换器。
S5、根据补偿电压变化量ΔVc的编码信息，通过数模转换器生成补偿电压变化量ΔVc。
S6、采用滤波器对补偿电压变化量ΔVc进行滤波提纯，滤除补偿电压变化量ΔVc中的噪声信号。
S7、采用加法器对滤波提纯后的补偿电压变化量ΔVc和加载到压控晶体振荡器的压控电压Vc0进行求和运算，得到补偿电压Vc。
S8、将补偿电压Vc输出至压控晶体振荡器，实现对压控晶体振荡器输出信号的频率调整，实现补偿。
进一步地，步骤S2包括以下分步骤：
S21、改变压控晶体振荡器的振动条件，使其振动加速度为
Figure BDA0002295281090000037
通过微处理器采集此时压控晶体振荡器的实时输出频率
Figure BDA0002295281090000038
S22、调节压控晶体振荡器的压控电压至Vci，使得压控晶体振荡器的实时输出频率重新变为标称频率f0。
S23、记录下实时输出频率
Figure BDA0002295281090000039
及其对应压控电压Vci与Vc0的差值ΔVci。
S24、重复步骤S21～S23，记录得到N对
Figure BDA00022952810900000310
数据，从而建立振动条件下压控晶体振荡器的实时输出频率
Figure BDA00022952810900000311
与所需补偿电压变化量ΔVc的对应关系表
Figure BDA00022952810900000312
其中i＝1,2,...,N，N为建立对应关系表
Figure BDA0002295281090000041
所需的数据量。
本发明的有益效果是：
(1)本发明不需要加速度传感器，而是直接将压控晶体振荡器的实时输出频率与振动条件建立联系，能够克服现有抗振晶体振荡器中由于使用外部加速度感器带来的迟滞问题。
(2)本发明采用了闭环补偿构架，由微处理器和数模转换器直接生成补偿电压变化量，更容易实现实时高精度补偿。
(3)本发明补偿过程简单，补偿结构也较为简单，易于集成和批量生产。
(4)本发明可以良好适用于各种频率的晶体振荡器，尤其是对于采用现有技术补偿效果较差的高频晶体振荡器更为明显，实用性强。
附图说明
图1所示为本发明实施例一提供的一种基于电压变化量的晶体振荡器抗振补偿装置结构框图。
图2所示为本发明实施例一提供的滤波器结构示意图。
图3所示为本发明实施例一提供的加法器结构示意图。
图4所示为本发明实施例二提供的一种基于电压变化量的晶体振荡器抗振补偿方法流程图。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
实施例一：
本发明实施例提供了一种基于电压变化量的晶体振荡器抗振补偿装置，如图1所示，包括依次连接并形成闭环结构的压控晶体振荡器、功分器、微处理器(MCU)、数模转换器(DAC)、滤波器以及加法器。
压控晶体振荡器用于产生稳定的振荡频率信号并将其输出至功分器。
功分器用于将压控晶体振荡器的输出信号分为两路，其中一路作为晶体振荡器抗振补偿装置的输出信号，另一路输出至微处理器。
微处理器用于采集压控晶体振荡器的标称频率f0和实时输出频率
Figure BDA0002295281090000042
建立振动条件下压控晶体振荡器的实时输出频率
Figure BDA0002295281090000043
与所需补偿电压变化量ΔVc的对应关系表
Figure BDA0002295281090000044
Figure BDA0002295281090000045
并根据压控晶体振荡器的实时输出频率向数模转换器发送补偿电压变化量ΔVc的编码信息。
数模转换器用于根据补偿电压变化量ΔVc的编码信息生成补偿电压变化量ΔVc。
滤波器用于滤除补偿电压变化量ΔVc中的噪声信号。
加法器用于对补偿电压变化量ΔVc和加载到压控晶体振荡器的压控电压Vc0进行求和运算，得到补偿电压Vc，通过补偿电压Vc实现对压控晶体振荡器的补偿。
如图2所示，本发明实施例中，滤波器包括电阻R1和电容C1，电阻R1的一端作为滤波器的输入端与数模转换器的输出端连接，其另一端与电容C1的一端连接，并作为滤波器的输出端与加法器的第二输入端连接，电容C1的另一端接地。
如图3所示，本发明实施例中，加法器包括运算放大器芯片U1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5，运算放大器芯片U1的同相输入端分别与电阻R2的一端、电阻R3的一端以及电阻R4的一端连接，其反相输入端与电阻R5的一端连接，电阻R2的另一端作为加法器的第一输入端，输入压控电压，电阻R3的另一端作为加法器的第二输入端，输入补偿电压变化量，电阻R4的另一端与运算放大器芯片U1的输出端连接，并作为加法器的输出端，输出补偿电压，电阻R5的另一端接地。
本发明实施例中，由于压控晶体振荡器在振动条件下，其实时输出频率
Figure BDA0002295281090000051
会在加载到压控晶体振荡器电压控制端的压控电压为Vc0的情况下所对应的标称频率f0附近随着振动的变化而上下波动，即输出
Figure BDA0002295281090000052
为了抵消振动引起的频率变化Δf，需要在压控晶体振荡器的电压控制端施加补偿电压Vc＝Vc0+ΔVc，压控电压的变化量ΔVc引起压控晶体振荡器输出频率的变化量为-Δf，与振动引起的频率变化Δf相互抵消，达到补偿的目的。
实施例二：
本发明实施例提供了一种基于电压变化量的晶体振荡器抗振补偿方法，如图4所示，包括以下步骤S1～S8：
S1、非振动条件下，在压控晶体振荡器的电压控制端施加压控电压Vc0，使其输出标称频率f0，并采用微处理器采集标称频率f0。
S2、根据标称频率f0，通过微处理器建立振动条件下压控晶体振荡器的实时输出频率
Figure BDA0002295281090000053
与所需补偿电压变化量ΔVc的对应关系表
Figure BDA0002295281090000054
步骤S2包括以下分步骤S21～S24：
S21、改变压控晶体振荡器的振动条件，使其振动加速度为
Figure BDA0002295281090000061
通过微处理器采集此时压控晶体振荡器的实时输出频率
Figure BDA0002295281090000062
S22、调节压控晶体振荡器的压控电压至Vci，使得压控晶体振荡器的实时输出频率重新变为标称频率f0。
S23、记录下实时输出频率
Figure BDA0002295281090000063
及其对应压控电压Vci与Vc0的差值ΔVci。
S24、重复步骤S21～S23，记录得到N对
Figure BDA0002295281090000064
数据，从而建立振动条件下压控晶体振荡器的实时输出频率
Figure BDA0002295281090000065
与所需补偿电压变化量ΔVc的对应关系表
Figure BDA0002295281090000066
其中i＝1,2,...,N，N为建立对应关系表
Figure BDA0002295281090000067
所需的数据量。
S3、在振动条件下，通过功分器将压控晶体振荡器的实时输出频率
Figure BDA0002295281090000068
分为两路，其中一路作为晶体振荡器抗振补偿装置的输出信号，另一路输出至微处理器。
S4、通过微处理器采集压控晶体振荡器的实时输出频率
Figure BDA0002295281090000069
并根据实时输出频率
Figure BDA00022952810900000610
通过查找对应关系表
Figure BDA00022952810900000611
得到所需补偿电压变化量ΔVc的编码信息，并将编码信息发送至数模转换器。
S5、根据补偿电压变化量ΔVc的编码信息，通过数模转换器生成补偿电压变化量ΔVc。
S6、采用滤波器对补偿电压变化量ΔVc进行滤波提纯，滤除补偿电压变化量ΔVc中的噪声信号，减小噪声信号对压控晶体振荡器输出的影响。
S7、采用加法器对滤波提纯后的补偿电压变化量ΔVc和加载到压控晶体振荡器的压控电压Vc0进行求和运算，得到补偿电压Vc＝Vc0+ΔVc。
S8、将补偿电压Vc输出至压控晶体振荡器，实现对压控晶体振荡器输出信号的频率调整，实现补偿。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于电压变化量的晶体振荡器抗振补偿装置，其特征在于，包括依次连接并形成闭环结构的压控晶体振荡器、功分器、微处理器、数模转换器、滤波器以及加法器；
所述压控晶体振荡器用于产生稳定的振荡频率信号并将其输出至功分器；
所述功分器用于将压控晶体振荡器的输出信号分为两路，其中一路作为所述晶体振荡器抗振补偿装置的输出信号，另一路输出至微处理器；
所述微处理器用于采集压控晶体振荡器的标称频率f0和实时输出频率
Figure FDF0000019256590000011
建立振动条件下压控晶体振荡器的实时输出频率
Figure FDF0000019256590000012
与所需补偿电压变化量ΔVc的对应关系表
Figure FDF0000019256590000013
并根据压控晶体振荡器的实时输出频率向数模转换器发送补偿电压变化量ΔVc的编码信息；所述实时输出频率
Figure FDF0000019256590000014
表示为：
Figure FDF0000019256590000015
其中，
Figure FDF0000019256590000016
表示振动加速度，
Figure FDF0000019256590000017
表示晶体振荡器的加速度灵敏度，f0表示晶体振荡器无振动条件静态时的输出频率，
Figure FDF0000019256590000018
表示晶体振荡器在振动加速度为
Figure FDF0000019256590000019
时的输出频率；
所述数模转换器用于根据补偿电压变化量ΔVc的编码信息生成补偿电压变化量ΔVc；
所述滤波器用于滤除补偿电压变化量ΔVc中的噪声信号；
所述加法器用于对补偿电压变化量ΔVc和加载到压控晶体振荡器的压控电压ΔVc0进行求和运算，得到补偿电压Vc，通过补偿电压Vc实现对压控晶体振荡器的补偿；
所述加法器包括运算放大器芯片U1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5，所述运算放大器芯片U1的同相输入端分别与电阻R2的一端、电阻R3的一端以及电阻R4的一端连接，其反相输入端与电阻R5的一端连接，所述电阻R2的另一端作为加法器的第一输入端，输入压控电压，所述电阻R3的另一端作为加法器的第二输入端，输入补偿电压变化量，所述电阻R4的另一端与运算放大器芯片U1的输出端连接，并作为加法器的输出端，输出补偿电压，所述电阻R5的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的晶体振荡器抗振补偿装置，其特征在于，所述滤波器包括电阻R1和电容C1，所述电阻R1的一端作为滤波器的输入端与数模转换器的输出端连接，其另一端与电容C1的一端连接，并作为滤波器的输出端与加法器的第二输入端连接，所述电容C1的另一端接地。
3.一种基于电压变化量的晶体振荡器抗振补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、非振动条件下，在压控晶体振荡器的电压控制端施加压控电压ΔVc，使其输出标称频率f0，并采用微处理器采集所述标称频率f0；
S2、根据标称频率f0，通过微处理器建立振动条件下压控晶体振荡器的实时输出频率
Figure FDF00000192565900000110
与所需补偿电压变化量ΔVc的对应关系表
Figure FDF00000192565900000111
S3、在振动条件下，通过功分器将压控晶体振荡器的实时输出频率
Figure FDF00000192565900000112
分为两路，其中一路作为晶体振荡器抗振补偿装置的输出信号，另一路输出至微处理器；所述实时输出频率
Figure FDF00000192565900000113
表示为：
Figure FDF00000192565900000114
其中，
Figure FDF00000192565900000115
表示振动加速度，
Figure FDF00000192565900000116
表示晶体振荡器的加速度灵敏度，f0表示晶体振荡器无振动条件静态时的输出频率，
Figure FDF0000019256590000021
表示晶体振荡器在振动加速度为
Figure FDF0000019256590000022
时的输出频率；
S4、通过微处理器采集压控晶体振荡器的实时输出频率
Figure FDF0000019256590000023
并根据实时输出频率
Figure FDF0000019256590000024
通过查找对应关系表
Figure FDF0000019256590000025
得到所需补偿电压变化量ΔVc的编码信息，并将所述编码信息发送至数模转换器；
S5、根据补偿电压变化量ΔVc的编码信息，通过数模转换器生成补偿电压变化量ΔVc；
S6、采用滤波器对补偿电压变化量ΔVc进行滤波提纯，滤除补偿电压变化量ΔVc中的噪声信号；
S7、采用加法器对滤波提纯后的补偿电压变化量ΔVc和加载到压控晶体振荡器的压控电压ΔVc0进行求和运算，得到补偿电压Vc；
S8、将补偿电压Vc输出至压控晶体振荡器，实现对压控晶体振荡器输出信号的频率调整，实现补偿。
4.根据权利要求3所述的晶体振荡器抗振补偿方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下分步骤：
S21、改变压控晶体振荡器的振动条件，使其振动加速度为
Figure FDF0000019256590000026
通过微处理器采集此时压控晶体振荡器的实时输出频率
Figure FDF0000019256590000027
S22、调节压控晶体振荡器的压控电压至Vci，使得压控晶体振荡器的实时输出频率重新变为标称频率f0；
S23、记录下实时输出频率
Figure FDF0000019256590000028
及其对应压控电压Vci与Vc0的差值ΔVci；
S24、重复步骤S21～S23，记录得到N对
Figure FDF0000019256590000029
数据，从而建立振动条件下压控晶体振荡器的实时输出频率
Figure FDF00000192565900000210
与所需补偿电压变化量ΔVc的对应关系表
Figure FDF00000192565900000211
其中i＝1,2,...,N，N为建立对应关系表
Figure FDF00000192565900000212
所需的数据量。
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