CN111010089B - 一种抗振型晶体振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抗振型晶体振荡器，采用基于数字电路的闭环式补偿构架，来实现晶体振荡器的高精度补偿。首先采用功分器将加速度补偿晶体振荡器输出信号分成两路，其中一路输出，一路送入相位检测器提取相位信号，并由模数转换器转换为二进制编码形式的相位值，送入微处理器中，通过事先存入的相位值‑补偿电压值二进制编码表，查表得到所需补偿电压值的二进制编码，然后由数模转换器将补偿电压值的二进制编码转换为所需补偿电压，输入到压控晶体振荡器的电压控制端，使振荡器输出相位稳定的信号，最终实现加速度补偿，从而克服了现有加速度补偿晶体振荡器中由于传感器采集加速度与谐振晶片实时加速度不一致且不同步带来的相位误差问题。

Description

一种抗振型晶体振荡器
技术领域
本发明属于晶体振荡器技术领域，更为具体地讲，涉及一种抗振型晶体振荡器。
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相位相对恒定的晶体振荡器。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。
抗振晶体振荡器本质上是带有振动补偿网络并由其产生与振动有关的补偿电压的压控晶体振荡器(Voltage Controlled crystal Oscillator，以下简称VCXO)。由于晶体振荡器是对振动极为敏感的器件，其相位噪声指标在动态条件下通常会严重恶化，从而严重影响整机系统的关键性能。随机振动加速度引起的晶体振荡器单边带相位噪声表示如下：
Figure BDA0002295682710000011
式中，Ap是振动最大幅度，A是振动实时幅度，QL为振荡器振荡回路的有载品质因数，
Figure BDA0002295682710000012
是晶振因加速度产生的相位变化，f0是中心频率，fv是振动频率。
对于常用的压控振荡器的线性相位增益特性可以近似表述如下：
Figure BDA0002295682710000013
其中，
Figure BDA0002295682710000014
是压控晶体振荡器的压控-相位灵敏度，VC是压控晶体振荡器的控制电压，
Figure BDA0002295682710000015
是压控晶体振荡器的压控端的压控中心电压，
Figure BDA0002295682710000016
是输入压控中心电压为
Figure BDA0002295682710000017
时的相位。
为了实现方程式(2)，需要产生一个补偿电压加在压控晶体振荡器上进行补偿以抵消由振动产生的相位漂移，从而使得振荡器在振动下输出相位稳定，达到补偿的目的。
目前，实现抗振晶体振荡器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。图1是基于加速度传感器的有源补偿网络的抗振晶体振荡器原理框图。如图1所示，该抗振晶体振荡器是一种开环补偿方式，在加速度传感器及调理电路101中，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，然后通过调理电路得到加速度
Figure BDA0002295682710000021
微处理器102根据加速度
Figure BDA0002295682710000022
计算出补偿电压值，再通过补偿网络产生一个补偿电压
Figure BDA0002295682710000023
并将该补偿电压
Figure BDA0002295682710000024
施加到压控晶体振荡器104上，以抵消振动引起的晶体振荡器的相位变化。
显然，现有的基于加速度传感器的有源补偿网络的抗振晶体振荡器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，而晶体谐振器的谐振器是被单独封装在密闭空间内，这就不可避免地产生了迟滞，对抗振晶体振荡器的补偿精度有明显影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种抗振型晶体振荡器，以避免传感器感知的加速度与谐振器的实时加速度不一致而带来的误差问题。
为实现上述发明目的，本发明抗振型晶体振荡器，包括：
一压控晶体振荡器，用于产生所需要的信号(输出信号)；
其特征在于，还包括：一功分器，用于将压控晶体振荡器输出信号分为两路，其中一路作为输出，另一路输入到相位检测器中；
一相位检测器，用于提取输出信号中的相位信号并输出到模数转换器；
一模数转换器，用于将相位检测器输出的相位信号转换成对应的二进制编码形式的相位值，并输出到微处理器；
一微处理器，用于存储相位值-补偿电压值二进制编码表，并根据输入的相位值，在相位值-补偿电压值二进制编码表中进行查找，得到补偿电压值的二进制编码，并输入到补偿网络；
一补偿网络，根据查表得到补偿电压值的二进制编码，由数模转换器产生所需的补偿电压，并通过信号调理电路和滤波器处理后，输入到压控晶体振荡器的电压控制端，使压控晶体振荡器输出相位稳定的信号。
本发明的目的是这样实现的。
本发明抗振型晶体振荡器采用基于数字电路的闭环式补偿构架，来实现晶体振荡器的高精度相位补偿。首先采用功分器将加速度补偿晶体振荡器输出信号分成两路，其中一路输出，一路送入相位检测器提取相位信号，并由模数转换器转换为二进制编码形式的相位值，送入微处理器中，通过事先存入的相位值-补偿电压值二进制编码表，查表得到所需补偿电压值的二进制编码，然后由数模转换器将补偿电压值的二进制编码转换为所需补偿电压，输入到压控晶体振荡器的电压控制端，使振荡器输出相位稳定的信号，最终实现加速度补偿，从而克服了现有加速度补偿晶体振荡器中由于传感器采集加速度与谐振晶片实时加速度不一致且不同步带来的相位误差问题。
本发明抗振型晶体振荡器与现有加速度补偿的抗振型晶体振荡器相比，具有以下技术优点：
1)、本发明不需要加速度传感器，而是实时地将待补偿晶体振荡器的输出相位信息与补偿电压直接建立联系进行加速度补偿，从而能够克服现有抗振型晶体振荡器中由于使用加速度传感器和晶体谐振器晶片加速度变化不一致且不同步而引起的相位误差问题；
2)、本发明采用闭环反馈补偿构架方式，更容易实现实时高精度补偿；
3)、本发明补偿过程简单，直接通过查表得到需要的补偿电压，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。
附图说明
图1是现有的基于加速度传感器的有源补偿网络抗振晶体振荡器的原理框图；
图2是本发明抗振型晶体振荡器一种具体实施方式的原理框图；
图3是获取相位值-补偿电压值二进制编码表的采集系统框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
图2是本发明抗振型晶体振荡器一种具体实施方式的原理框图。
在本实施例中，如图2所示，本发明抗振型晶体振荡器包括压控晶体振荡器VCXO1、补偿网络2、功分器3、相位检测器4、模数转换器5、微处理器6。
压控晶体振荡器VCXO 1产生所需要的信号即输出信号并输出给功分器3，功分器3将压控晶体振荡器VCXO 1输出信号分为两路，其中一路作为输出即抗振型晶体振荡器的正常输出，另一路输入到相位检测器4。
相位检测器4检测将压控晶体振荡器VCXO 1输出信号中的相位信号，输出模数转换器5把该相位信号转换为二进制编码形式的相位值送入微处理器6中，微处理器6中存储相位值-补偿电压值二进制编码表，根据输入的相位值，在相位值-补偿电压值二进制编码表中进行查找，得到补偿电压值的二进制编码，并输入到补偿网络2中。补偿网络2根据补偿电压值的二进制编码产生所需的补偿电压，并输入到压控晶体振荡器VCXO 1的压控端，使其输出相位稳定的信号。
在本实施例中，补偿网络2包括数模转换器201、信号调理电路202以及滤波器203。数模转换器201将补偿电压值的二进制编码转换为对应的模拟电压信号，信号调理电路202对模拟电压信号进行调理产生补偿电压
Figure BDA0002295682710000041
滤波器203对补偿电压
Figure BDA0002295682710000042
进行滤波，然后输入到压控晶体振荡器VCXO 1的压制端，使其输出相位稳定的信号。
本发明的实施过程如下：
步骤1：由上位机采集输出相位
Figure BDA0002295682710000043
-补偿电压
Figure BDA0002295682710000044
对应的二进制编码
在正常(无振动)情况下，输入补偿电压
Figure BDA0002295682710000045
到压控晶体振荡器VCXO 1的压控电压控制端，使其的输出相位为目标相位
Figure BDA0002295682710000046
在此基础上，上位机采集加速度为
Figure BDA0002295682710000047
时，压控晶体振荡器VCXO 1的输出相位
Figure BDA0002295682710000048
的二进制编码，调整补偿电压到
Figure BDA0002295682710000049
使压控晶体振荡器VCXO 1输出相位为目标相位值
Figure BDA00022956827100000410
上位机记录此时补偿电压
Figure BDA00022956827100000411
的二进制编码；不断改变加速度
Figure BDA00022956827100000412
重复本步骤，得到对应的相位
Figure BDA00022956827100000413
-补偿电压
Figure BDA00022956827100000414
的二进制编码；
步骤2：构建相位值-补偿电压值二进制编码表
将步骤1所得的输出相位
Figure BDA00022956827100000415
的二进制编码和补偿电压
Figure BDA00022956827100000416
的二进制编码构建出相位值-补偿电压值二进制编码表并存入微处理器6中；
步骤3：获得补偿电压值二进制编码并转换为对应的电压信号
实际工作时，根据输入的相位值，查询相位值-补偿电压值二进制编码表，得所需补偿电压
Figure BDA0002295682710000051
的二进制编码，将其输出到数模转换器201转换为对应的电压信号；
步骤4：将步骤3产生的电压信号经过信号调理电路202和滤波器203后，得到的补偿电压
Figure BDA0002295682710000052
送到压控晶体振荡器VCXO 1的电压控制端，使其输出稳定的所需相位信号
Figure BDA0002295682710000053
图3是获取相位值-补偿电压值二进制编码表的采集系统框图。
在本实施例中，采用如图3所示的采集系统，以获取相位值-补偿电压值二进制编码表。
具体的实施过程采用如下步骤来实现抗振型晶体振荡器的相位补偿：
第一步：采用如图3所示采集系统进行采集并构造抗振型晶体振荡器的相位值-补偿电压值二进制编码表。
将加速度补偿晶体振荡器置于振动试验平台上，振动试验平台施加某一加速度
Figure BDA0002295682710000054
时，加速度补偿晶体振荡器的输出相位
Figure BDA0002295682710000055
经过相位检测器送到上位机转换成二进制码；然后，上位机控制可编程直流稳压电源改变加速度补偿晶体振荡器的控制端电压使其输出目标相位
Figure BDA0002295682710000056
记录当前补偿电压值并转换成二进制编码；然后再改变振动试验台加速度，重复上述步骤，即可得到输出相位与补偿电压的二进制编码对应表，并存入微处理器6中。
第二步：断开第一步中的采集系统，只将加速度补偿晶体振荡器置于振动试验台上，将其输出信号通过功分器将分为两路，一路正常输出，另一路输出至相位检测器提取相位信号，并由模数转换器转换为二进制编码形式的相位值送入微处理器中，微处理器通过查找第一步所得的相位值-补偿电压值二进制编码表，得到所需补偿电压
Figure BDA0002295682710000057
的二进制编码，即补偿电压值，将其输出到数模转换器转换为对应的模拟电压信号，然后，经过信号调理电路和滤波器后，得到的补偿电压
Figure BDA0002295682710000058
送到压控晶体振荡器VCXO 1的压控电压控制端，使其输出信号具有稳定的相位
Figure BDA0002295682710000059
第三步：改变振动实验平台加速度，重复步骤二，就可以实现不同加速度下VCXO的实时加速度补偿。根据测试验证，本发明可对加速度引起的相位变化进行闭环实时高精度补偿。
根据以上描述可知，本发明的实质是直接实时的将待补偿的晶体振荡器的输出相位
Figure BDA0002295682710000061
与补偿电压
Figure BDA0002295682710000062
建立联系，并以闭环方式将补偿电压反馈到待补偿晶体振荡器的压控电压控制端进行补偿，使补偿后的输出相位等于目标相位信号
Figure BDA0002295682710000063
从而达到加速度补偿的目的。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种抗振型晶体振荡器，包括：
一压控晶体振荡器，用于产生所需要的信号即输出信号；
其特征在于，还包括：
一功分器，用于将压控晶体振荡器输出信号分为两路，其中一路作为输出，另一路输入到相位检测器中；
一相位检测器，用于提取输出信号中的相位信号并输出到模数转换器；
一模数转换器，用于将相位检测器输出的相位信号转换成对应的二进制编码形式的相位值，并输出到微处理器；
一微处理器，用于存储相位值-补偿电压值二进制编码表，并根据输入的相位值，在相位值-补偿电压值二进制编码表中进行查找，得到补偿电压值的二进制编码，并输入到补偿网络；
一补偿网络，根据查表得到补偿电压值的二进制编码，由数模转换器产生所需的补偿电压，并通过信号调理电路和滤波器处理后，输入到压控晶体振荡器的电压控制端，使压控晶体振荡器输出相位稳定的信号；
所述相位值-补偿电压值二进制编码表通过以下方法获得：
在正常即无振动情况下，输入补偿电压
Figure FDA00036187502900000111
到压控晶体振荡器的压控电压控制端，使其的输出相位为目标相位
Figure FDA0003618750290000011
在此基础上，上位机采集加速度为
Figure FDA0003618750290000013
时，压控晶体振荡器的输出相位
Figure FDA0003618750290000012
的二进制编码，调整补偿电压到
Figure FDA0003618750290000014
使压控晶体振荡器输出相位为目标相位值
Figure FDA00036187502900000112
上位机记录此时补偿电压
Figure FDA0003618750290000015
的二进制编码；不断改变加速度
Figure FDA00036187502900000110
重复本步骤，得到对应的相位
Figure FDA0003618750290000016
补偿电压
Figure FDA0003618750290000017
的二进制编码；
所得的输出相位
Figure FDA0003618750290000019
的二进制编码和补偿电压
Figure FDA0003618750290000018
的二进制编码构建出相位值-补偿电压值二进制编码表并存入微处理器中。
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