CN111490781B - 一种基于温度变化差驾驭压控晶振的时间保持方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于温度变化差驾驭压控晶振的时间保持方法，在晶振正常运行跟踪参考源时，采集晶振周围的环境温度，通过累积求平均产生温度基准；将断开参考源后晶振周围环境温度与基准温度作差，计算出晶振周围的温度偏差；将温度偏差转换为晶振的压控电压，消除保持时刻的晶振频偏。本发明根据温度偏差与压控晶振的控制量之间的关系对晶振进行驾驭，使晶振短期稳定性好的能力不出现明显下降，同时提高其输出时间信号的保持能力。

Description

一种基于温度变化差驾驭压控晶振的时间保持方法
技术领域
本发明涉及一种高精度的时间保持方法。
背景技术
在以晶振作为频率源的授时设备、时间服务器及时间同步设备等，在卫星异常、数据链路中断等情况下，仍然要求设备持续不断输出时间信号，且时间信号的性能不能有明显下降，这就要求设备中的晶振具有较高的时间保持能力。特别是在5G和即将到来的6G时代，高精度时间同步成为必然趋势，要求基站之间的时间信号具有同步精度高和可靠性好的能力，特别是要求在参考时间源故障后具备很强的时间保持能力。同时大量的基站需求，以晶振作为频率源和时间源已成为必选项。
在无参考频率或时间源时，晶振明显老化的特性将导致其产生的时间信号将逐渐偏离参考源，若不对其加以控制，它将很快偏离参考源几十个μs，经实验论证，晶振短期内(1天或2天)其高精度保持能力与周围环境温度息息相关。就是说，弱化环境温度对晶振的影响，晶振短期稳定性好的能力仍然表现不菲。
目前，市场虽然有根据温度变化对晶振进行控制以提升其时间保持能力，但是其时间保持能力仍然超过1μs/1d。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于温度变化差驾驭压控晶振的时间保持方法，以断开参考源前一段时间内晶振周围的环境温度为基准温度，将断开参考源后晶振周围环境温度与基准温度作差，根据温度偏差与压控晶振的控制量之间的关系对晶振进行驾驭，使晶振短期稳定性好的能力不出现明显下降，同时提高其输出时间信号的保持能力。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
(1)在晶振正常运行跟踪参考源时，采集晶振周围的环境温度，通过累积求平均产生温度基准；将断开参考源后晶振周围环境温度与基准温度作差，计算出晶振周围的温度偏差；
(2)将温度偏差转换为晶振的压控电压
Figure BDA0002460877500000011
其中a为调节系数，/>
Figure BDA0002460877500000012
为温度偏差；
(3)假设晶振在断开参考源前的一个时刻调整量为P1，断开参考源后第一个时刻消除晶振频偏的调整量为P2，P2＝-b*P1，其中，b为调节系数。
所述的晶振周围环境温度的采集精度达到0.01℃。
所述的累积求平均的累积时长取20～30分钟，采样间隔取1分钟。
所述的调节系数a在选择分辨率为0.01℃的温度传感器时取值为12.4。
所述的调节系数b在晶振的秒稳优于5E-11时取值为0.5。
所述的环境温度采用温度传感器采集，采集到的温度数据输入MCU，计算得到晶振在断开参考源后的频率调整量，来调节控制晶振输出的10MHz频率信号和1PPS时间信号。
本发明的有益效果是：
(1)以秒稳优于5E-11的压控晶振进行验证，本发明进入保持状态后，偏离标准时间信号的时差峰峰值优于1.0μs/1d，且48小时内其时间保持能力优于1.5μs。同时时间信号的稳定性能到了明显改善，且其长期的MTIE提高了一个数量级；
(2)本发明在对晶振频率信号的短期稳定性破坏最小的前提下，长期稳定性比自由运行时提高了一个数量级；
(3)基于本发明实现的晶振时间保持能力在国内是领先的，基于本发明对原有以晶振为频率源的时间设备进行升级，即可明显提升用户的时间性能与频率性能，同时显著节省了用户的经济成本。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明根据晶振周围环境温度偏差与晶振控制量之间的关系对晶振进行驾驭，使晶振短期稳定性好的能力不出现明显下降，同时提高其输出时间信号的保持能力，关键技术有以下三点：
(1)温度偏差的计算；
(2)温度偏差与晶振控制量之间的关系；
(3)保持时刻晶振频偏的消除.
下面分别对温度偏差计算、温度偏差与晶振控制量之间关系及保持时刻晶振频偏的消除三个方面分析基于温度变化差驾驭晶振的时间保持技术方案。
1)温度偏差的计算，首先是晶振周围环境温度的采集，因为涉及高精度时间保持技术，所以要求温度传感器的分辨率能达到0.01℃。温度偏差的计算是从保持时刻开始的，晶振在正常运行跟踪参考源时，采集晶振周围的环境温度，通过累积求平均的方式产生温度基准，开始进入保持时刻，所采集的晶振周围温度与温度基准作差，从而计算出晶振周围的温度偏差。通过累积求平均的方式产生温度基准，累积时长是与晶振短期稳定性息息相关，通常取20分钟到30分钟，所产生的稳定基准最合适。
令采集的晶振周围温度为ti，温度基准如公式(1)：
Figure BDA0002460877500000031
其中，
Figure BDA0002460877500000032
表示温度基准，M表示累积时长，通常取20～30，ti为晶振周围环境温度，通常采样间隔取1分钟。
因此，晶振进入保持后其周围环境温度变化偏差如公式(2)：
Figure BDA0002460877500000033
其中，
Figure BDA0002460877500000034
表示保持时刻晶振周围环境温度的变化量，及温度偏差。
2)温度偏差与晶振控制量之间关系，即将温度偏差转换为晶振的压控电压，从而弱化因温度变化引起的晶振的频率偏离，从而提高晶振的时间保持能力，根据我们实验，温度偏差与控制量之间的关系可以用公式(3)表示：
Figure BDA0002460877500000035
其中P为晶振的频率控制量，a为调节系数，选择分辨率为0.01℃的温度传感器时，a通常选择为12.4，
Figure BDA0002460877500000036
为温度偏差。
3)对保持时刻晶振频偏的消除，是指晶振在突然断开时，进入保持状态，最后一次跟踪时刻的频率调整量有可能调多了或调少了，这会严重影响晶振在保持状态下其频率偏离的速度，假设晶振在开始保持前的一个时刻其调整量为P1，进入保持后第一个时刻消除晶振频偏的调整量为P2，两者的关系如公式(4)：
P2＝-b*P1 (4)
其中，b为调节系数，通常在晶振的秒稳优于5E-11时，b取0.5。
本发明提出的基于温度变化差驾驭压控晶振的时间保持新方法，对于秒稳优于5E-11的晶振而言，其时间保持能力优于1μs/1d，且48小时内其时间保持能力优于1.5μs。
本发明的实施例中以MCU采集晶振周围的环境温度，根据公式(1)～公式(4)计算得到晶振在保持时候的频率调整量，来调节控制晶振输出的10MHz频率信号和1PPS时间信号，从而提升晶振的时间保持能力和改善频率信号的稳定性。

Claims (6)

1.一种基于温度变化差驾驭压控晶振的时间保持方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)在晶振正常运行跟踪参考源时，采集晶振周围的环境温度，通过累积求平均产生温度基准；将断开参考源后晶振周围环境温度与基准温度作差，计算出晶振周围的温度偏差；
(2)将温度偏差转换为晶振的压控电压
Figure FDA0002460877490000011
其中a为调节系数，/>
Figure FDA0002460877490000012
为温度偏差；
(3)假设晶振在断开参考源前的一个时刻调整量为P1，断开参考源后第一个时刻消除晶振频偏的调整量为P2，P2＝-b*P1，其中，b为调节系数。
2.根据权利要求1所述的基于温度变化差驾驭压控晶振的时间保持方法，其特征在于：所述的晶振周围环境温度的采集精度达到0.01℃。
3.根据权利要求1所述的基于温度变化差驾驭压控晶振的时间保持方法，其特征在于：所述的累积求平均的累积时长取20～30分钟，采样间隔取1分钟。
4.根据权利要求1所述的基于温度变化差驾驭压控晶振的时间保持方法，其特征在于：所述的调节系数a在选择分辨率为0.01℃的温度传感器时取值为12.4。
5.根据权利要求1所述的基于温度变化差驾驭压控晶振的时间保持方法，其特征在于：所述的调节系数b在晶振的秒稳优于5E-11时取值为0.5。
6.根据权利要求1所述的基于温度变化差驾驭压控晶振的时间保持方法，其特征在于：所述的环境温度采用温度传感器采集，采集到的温度数据输入MCU，计算得到晶振在断开参考源后的频率调整量，来调节控制晶振输出的10MHz频率信号和1PPS时间信号。
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