CN110868211A - 一种基于二进制编码的晶体振荡器抗振补偿装置及方法 - Google Patents

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CN110868211A CN201911199144.3A CN201911199144A CN110868211A CN 110868211 A CN110868211 A CN 110868211A CN 201911199144 A CN201911199144 A CN 201911199144A CN 110868211 A CN110868211 A CN 110868211A
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • 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
    • H03B5/00—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/30—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator
    • H03B5/32—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator being a piezoelectric resonator

Abstract

本发明公开了一种基于二进制编码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、频率～电压转换电路、信号调整电路以及滤波器依次连接形成闭环补偿构架，由微处理器直接生成频率变化量，并由频率～电压转换电路转换为对应的补偿电压差值，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。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。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

一种基于二进制编码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，具体涉及一种基于二进制编码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 BDA0002295427190000011
其中，
Figure BDA0002295427190000012
表示振动加速度，
Figure BDA0002295427190000013
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 BDA0002295427190000014
表示晶体振荡器在振动加速度为
Figure BDA0002295427190000015
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 BDA0002295427190000016
其中，Kvf是VCXO的压控～频率灵敏度，VC是VCXO的控制电压，
Figure BDA0002295427190000017
是VCXO的压控中心电压，f0是输入压控中心电压为
Figure BDA0002295427190000018
时的振荡频率。
振荡条件下，为了稳定输出频率f0，需要产生一个补偿电压加载到VCXO的电压控制端进行补偿以抵消由振动产生的频率漂移，从而得到在振动下稳定的频率输出，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，提出了一种基于二进制编码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：一种基于二进制编码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、频率～电压转换电路、信号调整电路以及滤波器。
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 BDA0002295427190000021
比较得到频率变化量
Figure BDA0002295427190000022
同时对实时输出频率
Figure BDA0002295427190000023
进行二进制编码得到二进制码
Figure BDA0002295427190000024
建立振动条件下压控晶体振荡器的二进制码
Figure BDA0002295427190000025
与频率变化量
Figure BDA0002295427190000026
的对应关系表
Figure BDA0002295427190000027
并根据压控晶体振荡器的实时输出频率
Figure BDA0002295427190000028
向频率～电压转换电路发送频率变化量
Figure BDA0002295427190000029
频率～电压转换电路用于根据频率变化量
Figure BDA00022954271900000210
产生补偿电压差值
Figure BDA00022954271900000211
信号调整电路用于将补偿电压差值
Figure BDA00022954271900000212
与加载到压控晶体振荡器的压控电压Vc0合并得到补偿电压
Figure BDA00022954271900000213
滤波器用于对补偿电压
Figure BDA00022954271900000214
进行滤波处理，提高补偿电压
Figure BDA00022954271900000215
的信号质量，并将滤波后的补偿电压
Figure BDA00022954271900000216
反馈至压控晶体振荡器，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、电阻R2、接地电容C1和接地电容C2，电阻R1的一端作为滤波器的输入端，其另一端分别与接地电容C1以及电阻R2的一端连接，并作为滤波器的输出端，电阻R2的另一端与接地电容C2连接。
本发明还提供了一种基于二进制编码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输出频率的二进制码
Figure BDA0002295427190000031
与频率变化量
Figure BDA0002295427190000032
的对应关系表
Figure BDA0002295427190000033
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 BDA0002295427190000034
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、对压控晶体振荡器的实时输出频率
Figure BDA0002295427190000035
进行二进制编码得到二进制码
Figure BDA0002295427190000036
并通过查找对应关系表
Figure BDA0002295427190000037
得到频率变化量
Figure BDA0002295427190000038
S5、根据频率变化量
Figure BDA0002295427190000039
通过频率～电压转换电路产生补偿电压差值
Figure BDA00022954271900000310
S6、采用信号调整电路将补偿电压差值
Figure BDA00022954271900000311
与加载到压控晶体振荡器的压控电压Vc0进行合并，得到补偿电压
Figure BDA00022954271900000312
S7、采用滤波器对补偿电压
Figure BDA00022954271900000313
进行滤波处理。
S8、将滤波后的补偿电压
Figure BDA00022954271900000314
反馈至压控晶体振荡器，实现对压控晶体振荡器的补偿。
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 BDA00022954271900000315
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 BDA00022954271900000316
S22、对实时输出频率
Figure BDA00022954271900000317
进行二进制编码，得到其对应的二进制码
Figure BDA00022954271900000318
S23、比较得到实时输出频率
Figure BDA00022954271900000319
与标称频率f0的频率变化量
Figure BDA00022954271900000320
S24、重复步骤S21～S23，记录得到N对
Figure BDA00022954271900000321
数据，从而建立振动条件下压控晶体振荡器的二进制码
Figure BDA00022954271900000322
与频率变化量
Figure BDA00022954271900000323
的对应关系表
Figure BDA00022954271900000324
其中i＝1,2,...,N，N为建立对应关系表
Figure BDA00022954271900000325
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，由微处理器直接生成频率变化量，并由频率～电压转换电路转换为对应的补偿电压差值，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二进制编码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二提供的一种基于二进制编码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二进制编码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)、频率～电压转换电路、信号调整电路以及滤波器。
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 BDA0002295427190000041
比较得到频率变化量
Figure BDA0002295427190000042
同时对实时输出频率
Figure BDA0002295427190000043
进行二进制编码得到二进制码
Figure BDA0002295427190000044
建立振动条件下压控晶体振荡器的二进制码
Figure BDA0002295427190000045
与频率变化量
Figure BDA0002295427190000046
的对应关系表
Figure BDA0002295427190000047
并根据压控晶体振荡器的实时输出频率
Figure BDA0002295427190000048
向频率～电压转换电路发送频率变化量
Figure BDA0002295427190000049
频率～电压转换电路用于根据频率变化量
Figure BDA00022954271900000410
产生补偿电压差值
Figure BDA00022954271900000411
信号调整电路用于将补偿电压差值
Figure BDA00022954271900000412
与加载到压控晶体振荡器的压控电压Vc0合并得到补偿电压
Figure BDA00022954271900000413
滤波器用于对补偿电压
Figure BDA00022954271900000414
进行滤波处理，提高补偿电压
Figure BDA00022954271900000415
的信号质量，并将滤波后的补偿电压
Figure BDA00022954271900000416
反馈至压控晶体振荡器，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、电阻R2、接地电容C1和接地电容C2，电阻R1的一端作为滤波器的输入端，其另一端分别与接地电容C1以及电阻R2的一端连接，并作为滤波器的输出端，电阻R2的另一端与接地电容C2连接。
本发明实施例中，在非振动的静态条件下，当压控晶体振荡器压控端的控制电压为Vc0时，输出标称频率f0；在振动条件下，压控晶体振荡器的实时输出频率
Figure BDA0002295427190000051
会在标称频率f0附近随着振动的变化而变化，输出频率
Figure BDA0002295427190000052
为了抵消振动引起的频率变化
Figure BDA0002295427190000053
需要在压控晶体振荡器的压控端施加补偿电压
Figure BDA0002295427190000054
压控电压的变化量
Figure BDA0002295427190000055
引起压控晶体振荡器输出频率的变化量为
Figure BDA0002295427190000056
与振动引起的频率变化
Figure BDA0002295427190000057
相互抵消，从而达到补偿的目的。
实施例二：
本发明实施例提供了一种基于二进制编码的晶体振荡器抗振补偿方法，如图3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输出频率的二进制码
Figure BDA0002295427190000058
与频率变化量
Figure BDA0002295427190000059
的对应关系表
Figure BDA00022954271900000510
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 BDA00022954271900000511
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 BDA00022954271900000512
S22、对实时输出频率
Figure BDA00022954271900000513
进行二进制编码，得到其对应的二进制码
Figure BDA00022954271900000514
S23、比较得到实时输出频率
Figure BDA00022954271900000515
与标称频率f0的频率变化量
Figure BDA00022954271900000516
S24、重复步骤S21～S23，记录得到N对
Figure BDA00022954271900000517
数据，从而建立振动条件下压控晶体振荡器输出频率的二进制码
Figure BDA00022954271900000518
与频率变化量
Figure BDA00022954271900000519
的对应关系表
Figure BDA00022954271900000520
其中i＝1,2,...,N，N为建立对应关系表
Figure BDA00022954271900000521
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 BDA00022954271900000522
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、对压控晶体振荡器的实时输出频率
Figure BDA00022954271900000523
进行二进制编码得到二进制码
Figure BDA00022954271900000524
并通过查找对应关系表
Figure BDA00022954271900000525
得到频率变化量
Figure BDA00022954271900000526
S5、根据频率变化量
Figure BDA0002295427190000061
通过频率～电压转换电路产生补偿电压差值
Figure BDA0002295427190000062
S6、采用信号调整电路将补偿电压差值
Figure BDA0002295427190000063
与加载到压控晶体振荡器的压控电压Vc0进行合并，得到补偿电压
Figure BDA0002295427190000064
S7、采用滤波器对补偿电压
Figure BDA0002295427190000065
进行滤波处理，减小噪声信号对压控晶体振荡器输出的影响。
S8、将滤波后的补偿电压
Figure BDA0002295427190000066
反馈至压控晶体振荡器，实现对压控晶体振荡器的补偿，使晶体振荡器抗振补偿装置输出标称频率f0。
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)

1.一种基于二进制编码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、频率～电压转换电路、信号调整电路以及滤波器；
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 FDA0002295427180000011
比较得到频率变化量
Figure FDA0002295427180000012
同时对实时输出频率
Figure FDA0002295427180000013
进行二进制编码得到二进制码
Figure FDA0002295427180000014
建立振动条件下压控晶体振荡器的二进制码
Figure FDA0002295427180000015
与频率变化量
Figure FDA0002295427180000016
的对应关系表
Figure FDA0002295427180000017
并根据压控晶体振荡器的实时输出频率
Figure FDA0002295427180000018
向频率～电压转换电路发送频率变化量
Figure FDA0002295427180000019
所述频率～电压转换电路用于根据频率变化量
Figure FDA00022954271800000110
产生补偿电压差值
Figure FDA00022954271800000111
所述信号调整电路用于将补偿电压差值
Figure FDA00022954271800000112
与加载到压控晶体振荡器的压控电压Vc0合并得到补偿电压
Figure FDA00022954271800000113
所述滤波器用于对补偿电压
Figure FDA00022954271800000114
进行滤波处理，提高补偿电压
Figure FDA00022954271800000115
的信号质量，并将滤波后的补偿电压
Figure FDA00022954271800000116
反馈至压控晶体振荡器，实现对压控晶体振荡器的补偿。
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、电阻R2、接地电容C1和接地电容C2，所述电阻R1的一端作为滤波器的输入端，其另一端分别与接地电容C1以及电阻R2的一端连接，并作为滤波器的输出端，所述电阻R2的另一端与接地电容C2连接。
3.一种基于二进制编码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Vc0，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输出频率的二进制码
Figure FDA00022954271800000117
与频率变化量
Figure FDA00022954271800000118
的对应关系表
Figure FDA00022954271800000119
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 FDA00022954271800000120
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；
S4、对压控晶体振荡器的实时输出频率
Figure FDA00022954271800000121
进行二进制编码得到二进制码
Figure FDA00022954271800000122
并通过查找对应关系表
Figure FDA0002295427180000021
得到频率变化量
Figure FDA0002295427180000022
S5、根据频率变化量
Figure FDA0002295427180000023
通过频率～电压转换电路产生补偿电压差值
Figure FDA0002295427180000024
S6、采用信号调整电路将补偿电压差值
Figure FDA0002295427180000025
与加载到压控晶体振荡器的压控电压Vc0进行合并，得到补偿电压
Figure FDA0002295427180000026
S7、采用滤波器对补偿电压
Figure FDA0002295427180000027
进行滤波处理；
S8、将滤波后的补偿电压
Figure FDA0002295427180000028
反馈至压控晶体振荡器，实现对压控晶体振荡器的补偿。
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 FDA0002295427180000029
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 FDA00022954271800000210
S22、对实时输出频率
Figure FDA00022954271800000211
进行二进制编码，得到其对应的二进制码
Figure FDA00022954271800000212
S23、比较得到实时输出频率
Figure FDA00022954271800000213
与标称频率f0的频率变化量
Figure FDA00022954271800000214
S24、重复步骤S21～S23，记录得到N对
Figure FDA00022954271800000215
数据，从而建立振动条件下压控晶体振荡器的二进制码
Figure FDA00022954271800000216
与频率变化量
Figure FDA00022954271800000217
的对应关系表
Figure FDA00022954271800000218
其中i＝1,2,...,N，N为建立对应关系表
Figure FDA00022954271800000219
所需的数据量。
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