基于比時(shí)法的晶振頻率測(cè)量建模與分析

　　0 引言

　　石英晶體振蕩器受制造工藝、器件老化以及外部溫度等因素影響，其實(shí)際頻率值與標(biāo)稱頻率值存在偏差。此外，晶體振蕩器內(nèi)部存在著各種噪聲也會(huì)使頻率值產(chǎn)生隨機(jī)起伏，從而導(dǎo)致晶振頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度降低。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外在研究晶體振蕩器的老化和隨機(jī)噪聲、分析晶振頻率誤差特性方面提出了很多方法，比較常見的有時(shí)間對(duì)數(shù)線性模型法、自適應(yīng)濾波法及非線性時(shí)變預(yù)測(cè)法。前兩種方法的缺點(diǎn)是參數(shù)較多，選擇合適的參數(shù)較難，非線性時(shí)變預(yù)測(cè)法的模型描述能力強(qiáng)，但由于沒有函數(shù)參數(shù)的顯式表達(dá)式，不能將模型求解歸結(jié)為參數(shù)求解問(wèn)題，一般通過(guò)學(xué)習(xí)來(lái)逼近該函數(shù)，主要用于頻率變化的預(yù)測(cè)。

　　在上述方法的基礎(chǔ)上，本文利用CPLD設(shè)計(jì)了一種電路，該電路采用比時(shí)法來(lái)測(cè)量晶振頻率變化，并根據(jù)其頻率隨時(shí)間變化擬合曲線的特點(diǎn)，用線性回歸法分析其頻率誤差特性。該方法模型簡(jiǎn)單，參數(shù)易于估計(jì)，可通過(guò)簡(jiǎn)潔的補(bǔ)償方法消除晶振相對(duì)頻偏，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

　　1 晶振頻率測(cè)量系統(tǒng)組成

　　測(cè)量系統(tǒng)由GPS接收機(jī)、晶振、時(shí)差測(cè)量模塊、時(shí)鐘產(chǎn)生模塊、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理組成。組成原理如圖1所示。

　　GPS接收機(jī)每秒輸出1路TTL電平的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖(1 PPS)，晶振是時(shí)差測(cè)量和時(shí)鐘產(chǎn)生的頻率源。時(shí)鐘產(chǎn)生電路產(chǎn)生本地秒脈沖。時(shí)差測(cè)量電路測(cè)量GPS秒脈沖與本地秒脈沖的相位差值。

　　采用比時(shí)法測(cè)量晶振頻率的系統(tǒng)工作原理如下：首先由晶振分頻得到本地的1 Hz頻率源，將GPS秒脈沖與本地晶振秒脈沖送入時(shí)差測(cè)量模塊進(jìn)行相位比較，得到兩者的相位差信號(hào)，設(shè)計(jì)時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器對(duì)此相差閘門信號(hào)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值即為晶振頻率相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)頻率的偏差，反映了晶振頻率的誤差特征。時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器每秒測(cè)量一次兩者的偏差值，需要測(cè)量的頻差數(shù)據(jù)量由計(jì)算機(jī)設(shè)定，測(cè)量結(jié)果傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并對(duì)晶振頻率誤差特性進(jìn)行分析。本地時(shí)鐘產(chǎn)生、時(shí)差測(cè)量及數(shù)據(jù)采集電路模塊等都由CPLD設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。