CN117674825A - 晶体振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了晶体振荡器，包括微计算机，所述微计算机连接有混合器和D/A变换器，所述混合器连接有自由度分配器，所述D/A变换器连接有素数和振荡器，所述素数和振荡器的输出端连接有温度传感器，所述温度传感器的输出端连接有控制放大器，所述控制放大器的输出端连接有烤箱加热器，所述烤箱加热器的输出端连接有二次振荡器，所述二次振荡器连接有分频器。本发明在晶体振荡器中使用受滞后、老化或加速度不同影响的多个振荡模式，从而通过测量微分频率的变化，可以对主模式进行比例校正并提高频率精度，当使用顺序频率模式时，需要对其进行频率测量的第二振荡器。

Description

晶体振荡器

技术领域

本发明涉及晶体振荡器技术领域，具体为晶体振荡器。

背景技术

晶体振荡器中的另一个残余效应是由于地球引力场中的方向，这可能会限制精确振荡器的精度。

到目前为止，还没有有效的方法来相互感知这些残余效应并补偿它们，特别是温度滞后的影响，在一些应用程序可以预测晶体老化率通过观察它与外部标准一段时间，然后假设老化率保持不变，正确后外部标准删除短时间，这只有在老化速率相当恒定且晶体温度不变化的情况下才有效，通过调制振荡器来感知非谐振模式和紧密间隔的非谐振频率，对老化进行了一些实验比较，然而，目前还没有有效的方法来预测和补偿滞后效应。

综上所述的问题，为此，我们提出一种实用性更高的晶体振荡器。

发明内容

本发明的目的在于提供晶体振荡器，解决了现有的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

晶体振荡器，包括微计算机，所述微计算机连接有混合器和D/A变换器，所述混合器连接有自由度分配器，所述D/A变换器连接有素数和振荡器，所述素数和振荡器的输出端连接有温度传感器，所述温度传感器的输出端连接有控制放大器，所述控制放大器的输出端连接有烤箱加热器，所述烤箱加热器的输出端连接有二次振荡器，所述二次振荡器连接有分频器。

进一步的，所述分频器或直接数字频率合成器用于获得一个二次振荡器，可以准确地计数以确定不同的周向频率。

进一步的，所述微计算机用于基于节拍频率的变化来确定模式之间的频率变化。

一种控制频率系统，包括在晶体谐振器中建立多个共振模式，以及通过测量每个模式对二次振荡器的频率间接确定的模式之间的频率差，分解模式之间的频率差，根据模式之间的频率差和预存储的模式数据对输出频率进行校正的装置。

进一步的，控制频率系统，其中频率变化率信息被应用到涉及该次级振荡器的微分计算中，以补偿当对各种模式进行测量时的时间差。

控制频率系统，其中在期望模式上建立振荡后，模式改变装置被切换出有源电路。

进一步的，控制频率系统，其中所述用于产生输出频率的装置包括电压控制晶体振荡器，它也可以作为测量各种模式的二次级振荡器。

进一步的，控制频率系统，其中模式改变电路在测量晶体的频率之前被预校准。

进一步的，控制频率系统提供了通过烤箱保持几乎恒定的温度的装置，其中温度由两个模态之间的频率差确定，温度修正应用于涉及模态的计算，温度被应用于各种模态的校正，以及用于校正其中一种模态中的频率滞后效应或老化的模态之间的剩余频率差。

进一步的，使用独立的温度传感器，并将温度校正用于滞后或老化补偿的模式。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明使用这些差分效应作为迟滞传感器或老化传感器，并在一定程度上补偿，从而提高总体精度。

本发明在晶体振荡器中使用受滞后、老化或加速度不同影响的多个振荡模式，从而通过测量微分频率的变化，可以对主模式进行比例校正并提高频率精度，当使用顺序频率模式时，需要对其进行频率测量的第二振荡器，当振荡器暴露在同一环境下时，该技术也可以应用于多个振荡器，而不是同一谐振器的多个模式。

本发明适用于温度补偿的晶体振荡器和烘炉控制的晶体振荡器。

附图说明

图1为本发明滞后补偿晶体振荡器的首选实施例的示意图；

图2为本发明一个显示模式变化网络的已排序模式振荡器的示意图；

图3为本发明替代参考振荡器实现的示意图；

图4为本发明具有增强频率识别能力的第二种替代振荡器实现的示意图；

图5为本发明显示拍频计数电路细节的示意图；

图6为本发明具有残余效应补偿的烤箱控制晶体振荡器的示意图；

图7为本发明显示多个振荡器的残余效应的示意图；

图8为本发明滞后补偿晶体振荡器的电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施案例1：

图1显示了滞后修正温度补偿晶体振荡器(HCTCXO)；模式改变网络的例子图2、图3和图4；图5所示为用微计算机实现的节拍频率计数电路的详细图；图6中示出了烤箱控制的滞后和/或老化补偿晶体振荡器；在图7中示出了使用多个振荡器的替代实施例。

现在应该参考的图1和图8显示了HCTCXO的优选实施例。它由一个参考晶体振荡器1组成，该振荡器可以通过由模式变化网络所引导的不同的晶体共振模式进行振荡2.sc切割晶体的不同模式的例子是基本和第三泛音c模，基本和第三泛音b模，以及a模，将参考振荡器的输出信号f应用于分频器3，产生频率为f/N的信号，N是可以由微机7为特定而选择的期望分割比使用控制线11激发晶体模式，在图1中还示出了正在产生期望的输出频率f的电压控制晶体振荡器(VCXO)4，在HCTCXO的内部，VCXO频率f.15应用于产生分频输出频率f/M的分频器5。微计算机7可以使用控制线12选择除法比M为期望的值，以便使用选择的参考振荡器模式进行操作两个分割信号f/N和f/M应用于混频器6，混频器根据输入频率更高产生具有频率值(f/M-f/N)或(f/N-f/M)的节拍频率输出。由微计算机通过在节拍频率的指定循环次数期间计数时钟脉冲数15或时钟脉冲的一些子倍数来测量节拍频率14。这种计数装置的实现如图5所示；循环数由除频器32中的频率除频比K或通过将微机累加器编程以在节拍频率的K周期中累积计数来指定，在这个预定的周期数或零交叉期间，累加器36会模拟从时钟分频器33发射的脉冲数，在这个系统中，VCXO4的频率f可以根据累积的计数C和参考频率f计算出来，当节拍频率为(f/M-f/N)时的数学关系为：f＝f/NM(1/M)-K/(CP)，其中N.M.、K和P指定为整数除法比。

频率确定的精度随着拍频频率14的降低而增大。因此，明智地选择整数N和M来产生低拍频率。大的K值会导致计数经过更长的时间调整，这也提高了准确性，但是计数时间的长度对VCXO必须在没有新修正的情况下运行的时间产生不利影响。因此，最好选择N和M来最小化拍频，还应该注意的是，如果整数除法比不一致，则可以设置直接数字频率合成器作为分频器(DDS)，以产生较低的拍频14。

在传统的TCXO中，如前面在背景部分所述，温度补偿数据通常只存储于晶体的一种模式；然而在本发明中，这些信息存储于晶体的至少两种模式。在优选实施例中，SC切割晶体的第三泛音C模式主要被用作参考晶体，而在频率高出约9.5％的第三泛音B模式被用作滞后补偿的差分模式，但是，在特定温度下，特定模式可能会经历活度下降，无法使用；然而，如果使用多个传感模式，例如基本模式和第三泛音b模式，活动dipS可能不会在完全相同的温度下发生，并且至少一种补偿模式可能总是可用的。多种补偿模式的使用还为补偿算法提供了额外的机会，这是排序模式振荡器的一个特殊优势，因为它可以通过许多模式进行排序。相反，如果所有使用的模式都必须是机智的由微计算机7和D/A转换器13组成的控制回路被用来使用以下方法来保持VCXO4的频率：首先使用温度传感器8测量温度，并应用于A/D转换器9，A/D转换器的输出被读入微计算机7。

由于温度引起的晶体振荡器1的主参考模式所需的频率校正然后从存储的表或通过从系数存储在微型计算机7的存储器中的功率级数曲线计算校正来确定；然后，通过使用图5中的累加器36测量节拍频率的周期来发现VCXO4的频率；然后利用方程1，对方程中的f值进行所需的温度校正，计算出VCXO4的频率f.。

如果VCXO4的频率误差为量，例如Af1，则应用于D/A转换器13的校正改变量-Af1，这可以通过将VCXO4的灵敏度预存储在微通信计算机7中，并将其与所需的校正相结合来实现。正如目前在艺术中实践的，这个修正现在将对VCXO4；然而，根据本主题发明，在应用此校正之前，现在使用参考晶体的不同模式进行另一种测量，微计算机利用控制线10到模式改变网络2，将振荡器1的模式改变为替代模式2，同时，改变分频器3和5的除法比S，以重新建立拍频14的低值，然后，用图5中的累加器36的节拍频率的周期再次测量VCXO4的频率，如前所述，温度已重新确定，然后使用公式1重新计算VCXO4的频率，但这一次使用的是由该模式的预存储温度数据校正的备选模式的列长有效频率，假设VCXO4的计算频率现在是Af2；然后是d同样应该明显的是，更先进的伺服技术可以用来实现几乎连续的跟踪VCXO频率，而不是仅仅在每次测量后纠正它。如果温度发生变化，这是必要的，因为在进行多次频率测量时，VCXO频率将不会保持不变。可以使用更高阶的伺服回路或数字算法来实现这种跟踪。

应当注意，如果老化是因子e中的主要成分，或者老化和迟滞导致近似相同的相关因子c，向输出VCXO描述的迟滞校正方法同样适用于校正老化效应。如果相同的物理现象导致频率误差，例如影响两种模式不同量的安装链松弛，则可能发生这种情况。如果老化和滞后以不同的方式影响不同的传感模式，那么一种模式可以主要用于老化，而另一种模式主要用于滞后。

该校正方法也可以用于加速度补偿，因为对多个模式的影响不同。

特别是在老化的情况下，在不同的谐振器中使用两个单独的谐振器，而不是在同一谐振器中使用两种模式可能是有利的。例如，如果一个谐振器的频率要高得多，因此比另一个要薄得多，它将对表面效应更敏感，并成为一个更有效的老化传感器。如果这两个谐振器封装在同一个外壳中，从而产生类似的表面效应，这一点尤其有效。

在某些情况下，实际上可能不需要或需要纠正输出频率，而是提供数据流指示所需的纠正，例如无线电接收器或发射器中的频率合成器。在这种情况下，不需要输出振荡器的电压控制功能。

还应该注意的是，由于已排序的多种振荡模式可用，因此可以通过注意这些模式的频率的相对变化来感知温度，从而不需要温度传感器8和A/D转换器9。例如，基本c模式和第三泛音c模式的运动可以用来测量温度，而b模式则用于感知迟滞，反之亦然。温度传感是通过不对模式进行温度补偿而单独计算e来实现的。在这种情况下，e可以用作温度的测量方法。排序模式振荡器也可以使用没有海斯特论文校正简化词汇精度应用。

当采用多模态时，实现本发明的一个关键因素是使用振荡电路，该电路引导晶体到不同的振荡模式，而其本身不会导致频率精度的退化。如果振荡是按顺序启动的，而不是同时启动的，那么也需要使用一个振荡振幅迅速建立的振荡器。优选实施例的振荡器电路如图2所示，现在应参考它。

用于持续振荡的电路包括逻辑栅16、晶体19、串联电阻17和反馈容量18和20。具有高电阻值的电阻22使反转CMOS门16偏向其活性区域。栅极然后提供具有180度相移的交流增益。由电容18、晶体19和电容20组成的pi网络提供额外的180度的相移，并且还向电阻器17提供电阻负载。因此，总共存在360度的相移，从而引起再生振荡。电阻17有效地增加了栅16的输出阻抗，使电路对晶体阻抗变化更加敏感，从而对影响栅16的因素更加敏感，如电源电压变化。振荡累积，直到栅极16的输出电压饱和。

栅极16中的限制过程倾向于降低所有频率上的交流增益，但在引起限制作用的频率以外的频率上的减少更大。因此，一旦发生了限制性振荡，振荡的模式就难以改变。因此，只有当振荡形成时，才使用由电感器24组成的模式改变网络。饱和后，可以通过开关23将其开关出电路。电感器24的值被选择与反馈电容器18和20的串联组合谐振，并在该频率下引起增益的大幅增加，从而使振荡迅速积累并被晶体的期望模式捕获。电感器24的值可以通过切换其他电感器或通过添加串联或并联元件与其他电感器的开关来选择所需的模式。这随后将结合图gs中的备选振荡器进行更详细的讨论。3和4。

在切换感应值以改变模式之前，可能有必要停止振荡，因为限制过程倾向于保持当前模式上保持振荡。振荡可以通过很多方式迅速停止。在优选实施例中使用的方法是同时关闭两个开关23和21。在实践中，这些开关可以由使用半导体元件的电子传输栅极组成。然后，可以由微型计算机7很容易地控制这些开关(见图1)。

在图3中示出了一种提供参考振荡器的增强方法，现在应该参考它。反转栅极16再次显示为带有偏置电阻22和串联输出电阻17的有源元件。当自然改变时，可以对有源元件使用单个晶体管。图3中的振荡器与图2中的电路基本相似，除了模式改变网络由电感器24、25和具有直流阻塞电容器29和30的变容电路28组成。直流电压通过电阻37和31提供给变容器，后者也提供射频隔离。开关23在振荡累积期间关闭，但可以在饱和发生后打开。选择串联电感器24和25的值，以便当开关27打开时，在使用控制电压38调谐的增益增强发生在基本B或C模式下。对于第三泛音模式上的振荡，开关27是闭合短路开关25。选择电感器24的值，通过调整控制电压38来增强第三泛音B或C模式的增益。第二电路配置电感器26和直流阻塞ca

另一种顺序模式振荡器如所示图4。该电路可以提供额外的增益增强通过提供频率选性，在确定振荡后仍留在电路中抛光。在该电路中，如前所述，门16具有其偏置电阻器22提供180度的增益相移。电阻器17再次提供有限输出阻抗使频率选择网络更有效的频率选择pi网络由一个由具有DC阻断的变容二极管28提供的输入电容电容器30，电感器提供的电感电抗24和25以及输出电容39。pi网络提供额外的180度相移。对于开关27打开串联的电感器24和25的值被选择为允许调谐的基本B或C模式运行，变容二极管28使用控制电压38。对于第三个泛音模式，开关27闭合，短路电感器25.选择电感器24的值，使得变容二极管28可以使用控制电压38。带有直流阻断电容器的电阻器42、41可用于提供更稳定的输入阻抗门16。

为了确保选择性不会降低晶体19的精度，开关40最初被关闭，缩短晶体进行校准周期。在这个周期中，前面所述的频率计数电路被用于测量频率，因为它使用控制电压38进行调谐，该控制电压由微型计算机7使用辅助D/A转换器建立。当获得精确的期望标称频率时，晶体短路开关40被打开，允许通过晶体19振荡。由于晶体的Q比电感器24和25的Q高出许多个数量级，因此该频率由晶体19的谐振频率来确定。

实施案例2：

本发明应用于烤箱控制晶体振荡器的实施例，如图6所示，现在应参考。在这种情况下，使用了一个双模振荡器49，从而使振荡同时持续。一个双模振荡器可以通过几种方式产生，例如美国Pat。No.4，872，765.在这种情况下，sc切割晶体的第三个泛音c模式产生输出频率，f。第三泛音b模频率或基本c模可以用来产生差分频率f，这取决于差分频率变化和第三泛音c模滞后之间的最大相关性。输出频率f除以分频器5中的整数M，而差分模式频率f除以分频器3中的N，这与HCTCXO讨论。节拍频率由图5中前面描述的电路来计算。

晶体和振荡器的温度由由温度传感器8、控制放大器43和烘箱加热器45组成的电路来控制。如果温度低于标称值，则温度传感器8会使控制放大器43增加提供给加热器45的功率。相反，如果温度过高，则由放大器43提供给加热器45的功率降低。在正常运行期间，频率f相对于二次模式f计算，如方程1给出，使用振荡器测量期间测量的f的标称值。然后，如果烤箱已经关闭和打开或，如果已经老化发生，f的输出频率计算的值将误差说Af。应用预存储的磁滞校正系数C，并且通过微计算机7到D/A转换器13对振荡器31施加所需的频率校正(Ce)。应该注意的是，在未来的计算中，对产生输出频率f的模式进行的修正从e中减去，以及修正可能对e产生的任何影响传感模式，f。在实践中，可以结合这些效应和一个单一的修正，使e作为对振荡器的控制电压49的函数。

如果老化是主要的影响，例如，如果烤箱没有关闭，差频变化可以用来部分纠正老化的影响。

实施案例3：

两个独立的振荡器，每个都有自己的谐振器，可以用来代替序列模振荡器或双模振荡器。这如图7所示，现在应该参考它。在这种情况下，输出频率由同样也是VCXO的主振荡器47产生。输出频率除以分频器5中的整数M，而来自二次振荡器48的差分模频率f除以分频器3中的N，如与HCTCXO讨论的那样。节拍频率由图5中前面所述的电路来计算。

振荡器由烘箱46热耦合，并通过由上述温度传感器8、控制放大器43和烘箱加热器45组成的电路保持在几乎恒定的温度。

在正常运行期间，频率f根据方程1给出的f计算，如前所述，使用在测量或校准期间测量的二次级振荡器48的标称值。设误差为e＝Af，其中Af为f的计算值与标称值的差。应用预存储的相关系数C，并应用所需的频率校正(Ce)。在未来的计算中，从e中减去所应用的修正，如果二次振荡器48的频率要高得多，其谐振器将更薄，对引起老化的表面效应更敏感，从而成为主振荡器47的更有效的老化传感器，如果两个谐振器封装在同一个外壳中，则相关性最大。

Claims (10)

1.晶体振荡器，其特征在于，包括微计算机，所述微计算机连接有混合器和D/A变换器，所述混合器连接有自由度分配器，所述D/A变换器连接有素数和振荡器，所述素数和振荡器的输出端连接有温度传感器，所述温度传感器的输出端连接有控制放大器，所述控制放大器的输出端连接有烤箱加热器，所述烤箱加热器的输出端连接有二次振荡器，所述二次振荡器连接有分频器。

2.根据权利要求1所述的晶体振荡器，其特征在于，所述分频器或直接数字频率合成器用于获得一个二次振荡器，可以准确地计数以确定不同的周向频率。

3.根据权利要求1所述的晶体振荡器，其特征在于，所述微计算机用于基于节拍频率的变化来确定模式之间的频率变化。

4.一种控制频率系统，其特征在于，包括在晶体谐振器中建立多个共振模式，以及通过测量每个模式对二次振荡器的频率间接确定的模式之间的频率差，分解模式之间的频率差，根据模式之间的频率差和预存储的模式数据对输出频率进行校正的装置。

5.权利要求4中的控制频率系统，其中频率变化率信息被应用到涉及该次级振荡器的微分计算中，以补偿当对各种模式进行测量时的时间差。

6.如权利要求4述的控制频率系统，其中在期望模式上建立振荡后，模式改变装置被切换出有源电路。

7.如权利要求4所述的控制频率系统，其中所述用于产生输出频率的装置包括电压控制晶体振荡器，它也可以作为测量各种模式的二次级振荡器。

8.权利要求4中的控制频率系统，其中模式改变电路在测量晶体的频率之前被预校准。

9.权利要求4中的控制频率系统，其中提供了通过烤箱保持几乎恒定的温度的装置，其中温度由两个模态之间的频率差确定，温度修正应用于涉及模态的计算，温度被应用于各种模态的校正，以及用于校正其中一种模态中的频率滞后效应或老化的模态之间的剩余频率差。

10.权利要求9中的控制频率系统，其中使用独立的温度传感器，并将温度校正用于滞后或老化补偿的模式。