（测试计量技术及仪器专业论文）新型频率控制与测量方法的研究.pdf

摘要 摘要 ( 在现代科学技术中，尤其是在计量学、电子技术、信息科学、通信和仪器等 领域，频率及时间的测量与它们的控制技术占有着非常重要的地位。本文主要探 讨了新型的频率控制与测量方法的研究。寸一p 本文首先讨论了种新型塑奎量型方法的研究，基于新型的模拟存储技术构 成的一种温度补偿型晶体振荡器( a s c x o ) 。眩是以一个线性的温度位移传感 器和一个可变电容器构成的存储载体来存储两个模拟信号之间的函数关系。利用 所存储的函数关系，实现我们所要求达到的特殊目的0 本文详细介绍了模拟存储 技术的原理、基于模拟存储技术的温度补偿型晶体振荡器系统结构的设计及其实 现方案。该研究工作由国家自然科学基金支持。 本文在第二部分详细介绍了在吐间塑奎型量领域内的研究。根据量化时延原 理这一新思想而完成的短时间间隔的精确测量方法，在时频测量领域有着广泛的 用途。该方法可以被广泛地应用于高精度频率、时间及相位等信号的测量。将其 再与一种从多周期同步法发展而来的高精度、定闸门法相结合，从而实现了高速、 高精度、连续频率测量，这非常适合非频率量的频率传感信号的测量j ) 文章中详 细介绍了用该方法所实现的测量系统的设计与开发。该方法在航天、航空、国防 等领域的自动控制系统中有着极其广泛的应用前景。 利用这些新方法，可以达到以较低的成本完成较高精度的时间与频率的测量 及控枞 关键字：频率控制与测量，模拟存储a s c x o量化时延，定闸 门y a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h em o d e r ns c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yi nt h em e t r o l o g y , e l e c t r o n i c t e c h n i q u e s ，i n f o r m a t i o n s c i e n c e ，c o m m u n i c a t i o n s ，m e a s u r e m e n t t e c h n i q u e s a n d i n s t r u m e n t a t i o n ，f r e q u e n c ya n dt i m em e a s u r e m e n ta n dt h e i rc o n t r o lt e c h n i q u e sh a v ea v e r yi m p o r t a n tp o s i t i o n t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h es t u d yo fs o m en e w m e t h o d s a n d t e c h n i q u e so f f r e q u e n c yc o n t r o la n dm e a s u r e m e n t f i r s t l y , t h ep a p e rg i v e s a ni n t r o d u c t i o no nan e wt y p eo ff r e q u e n c y c o n t r o l t e c h n i q u e i t i san e wt y p eo ft e m p e r a t u r ec o m p e n s a t e dc r y s t a l o s c i l l a t o rb a s e do n a n a l o gs t o r a g e ( f u n c t i o ns t o r a g e ) t e c h n i q u et h es t r u c t u r ea n dp r i c eo fa n a l o gs t o r a g e t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t e dc r y s t a l o s c i l l a t o ra r es i m i l a rt ot h a to ft c x o ，a n di t s t e m p e r a t u r es t a b i l i t yi sc l o s et ot h a to fm c x o t h ep a p e ri n t r o d u c e sm a i n l yt h et h e o r y o fa n a l o g s t o r a g et e c h n i q u e ，s y s t e md e s i g na n dd e v e l o p m e n to fa s c x o ，a n di t s i m p l e m e n t t h i sw o r ki s s u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o n so f c h i n a t h es e c o n d p a r t o ft h i s p a p e r i n t r o d u c e st h e s t u d y o ff r e q u e n c ya n dt i m e m e a s u r e m e n tt e c h n i q u e s b yt h em e t h o do fq u a n t i f y i n gd e l a yt i m e ，w ec o m p l e t ea n a c c u r a t es h o r tt i m ei n t e r v a jm e a s u r e m e n tb a s e do nt h em e t h o da n dc o m b i n e dw i t h o t h e rt e c h n i q u e s ，f r e q u e n c y ，p e r i o d ，t i m ei n t e r v a l ，p h a s ea n dm a n yo t h e rs i g n a l sc a nb e m e a s u r e da c c u r a t e l yt h em e t h o dc a nb eu s e di nt h em e a s u r e m e n to fp e r i o d i ca n d n o n p e r i o d i cs i g n a la c c o r d i n gt ot h eh i g ha c c u r a c ya n df i x e dg a t e t i m em e a s u r e m e n t m e t h o d ，b a s e do nt h em u l t i p l ep e r i o ds y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d ，t h eh i g hs p e e d ，h i g h a c c u r a c ya n dc o n t i n u o u sf r e q u e n c ym e a s u r e m e n ti sa c c o m p l i s h e d t h ep a p e ri n t r o d u c e s t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fm e a s u r e m e n ts y s t e mr e l i e do nt h i sm e t h o dt h em e t h o d c a nb eu s e dw i d e l yi nt h ef i e l do fa u t o c o n t r o ls y s t e mi nt h ea v i a t i o n ，a e r o s p a c e ，n a t i o n a l d e f e n s e w i t ht h en e wm e t h o d s ，h i g ha c c u r a c yi nm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l ，a n dl o w c o s t c a nb eo b t a i n e d 第一章绪论 第一章绪论 频率控制技术是由多学科、多技术领域所交叉形成的一门技术学科，它包含 了有关的材料、数学、物理、线路、信号处理、检测技术、天文等方面的广泛内 容，是一门既古老又新颖的学科，在人类的科技进步和生产发展中起了至关重要 的作用。频率控制与测量技术的发展极大地推动了科学技术及工业技术的进步， 而工业技术的发展又反过来将频率控制与测量提到了新的高度。时间频率在工业、 交通、电信、军事等方面的应用十分广泛。计时、工业控制、定位导航、现代数 字化技术和计算机都离不开时频技术和时频测量。由于社会发展的需要，对信息 传输和处理的要求越来越高，将需要更高准确度的时频基准和更精密的测量技术。 频率控制技术及其基础时间频率的精密测量包括了频率及时间标准的 建立、保持和传递，频率控制与测量技术及仪器，实用频率源，频率的合成与变 换，与频率信号产生有关的材料科学( 石英晶体和声表面波器件等) ，与高精度时 频信号检测相关的信号处理技术及相应技术( 如空间技术等) 。近年来它越来越表 现出多学科相交叉构成的一个独立新型学科的特点。对它的系统研究和发展有利 于天文、计量、邮电、通讯、导航、工业生产、国防、航空航天等多方面的科技 进步和发展。因为它与各种高新技术的必然联系及相互促进与影响，这方面的国 际学术交流活动也是最活跃的。而且随着科技等方面的发展会有更多的学科与频 率控制与测量领域发生关系。 1 频率与时间标准及频率源技术 各种高精度的频率及时间标准是频率控制测量技术的基础，又是其主要研究 和开发工作之一。频率标准被用来提供高准确度、高稳定度的频率信号。由于频 率与时间的准确度比其它任何物理量的准确度至少高3 5 个数量级，这对相应的 检测技术与设备也提出了远高于其它物理量检测所要求的精度，它们在各种有关 量值比对的问题处理中具有特殊的重要作用。 石英晶体具有很稳定的电和机械特性，利用石英晶体的压电效应可以制成稳 定的晶体振荡器。晶体振荡器目前仍然是使用量最大的较高精度的频率源。即使 从发展的眼光看，目前还很难有其它的器件或设备取代它的地位。高稳定度的石 英晶体振荡器的短期频率稳定度已经能够达到l o 1 3 秒量级，日老化率也能够达到 l o “日到1 0 。1 2 日量级的指标0 1 。由于晶体振荡器不同指标老化现象的存在，对其 频率准确度的校准是必须的。有较高精度要求的主要是温度控制型晶体振荡器 ( o c x o ) 和温度补偿型晶体振荡器( t c x o ) 。由于晶体振荡器在大批电子设备中 的重要作用，提高精度和可靠性、扩展功能一直是各国努力研究的课题。 新型频率控制与测量方法的研究 晶体材料及晶体谐振器的最大特点就是其频率值对温度的变化很敏感，因此 改善其温度条件或温度特性是提高晶体振荡器性能的关键。o c x o 通过温度控制 的方法对晶体谐振器进行恒温来保证振荡器的频率稳定度。t c x o 是随着温度的 变化产生一个对晶体振荡器的补偿压控电压，此电压将晶体振荡器的频率向随温 度变化的相反方向改变，从而达到提高振荡器指标的目的。 本论文在第一部分探讨与研究了种采用新型模拟存储技术的温度补偿型 晶体振荡器。该项目得到国家自然科学基金支持。这种新技术的设计思路是想将 具有任意函数关系的两个模拟量之间的因果关系用特殊的物理方法准确地保存下 来以供使用。这种方法在测量和控制系统中有着广泛的应用。我们使用模拟存储 的方法用一种存储载体来存储温度补偿控制信号和温度传感信号之间的函数关 系，并用它来补偿晶体振荡器的温度频率曲线。根据这种方法提出的模拟存 储型温度补偿晶体振荡器( a s c x 0 ) 兼顾模拟温补( t c x 0 ) 与数字温补( d t c x o ) 的优点，由于其体积小、价格低，同时又有较高的精度，因此很有推广的前景。 目前，该项技术已经申报国家发明专利。 2 频率及时间信号的检测及处理 现代量子频标的出现和电子技术的进步，极大地提高了时间频率计量的稳定 度和准确度，使之遥遥领先于其它量值的计量水平。时间频率也因此成为当今物 理量准确计量的基础，其它量值计量若能转换为时间频率计量，水平均能得到显 著提高。 频率及时间的检测技术不仅被用于测量的目的，而且也是频率变换、控制和 合成的基础。通常将时频测量分为频标( 或时标) 的比对及宽频率范围的测量等 两个类别。前者主要用于一些定点频标的高精度比对，后者的测量范围很宽但是 测量的精度并不一定十分高。近年来由于通讯、邮电、导航及国防等方面对非标 准频率信号源的精度要求越来越高，使得频率测量技术必须兼顾测量精度和测频 范围两方面的高要求。 频率和时间又是导航技术的基础，在军事上有重要的作用。例如：导航系统 中，定位误差正比于时间误差，若要求定位误差在1 千米内，则允许时间测量误 差在3 微秒内；而要求定位误差在】米内，则允许的时间测量误差应在3 纳秒( 3 1 0 s ) 内。在宇航和导弹系统中，对频率测量提出了更高的要求，即：高精度、 高速度、连续、多路同时测量，它直接影响着导弹的定位和命中目标的精度。 宽频率范围的时间和频率测量技术是使用最广泛的测量技术之一。数字式测 频测时技术因为其使用方便、测量精度较高、读数直接而成为应用相当普遍的主 要时间频率测量手段。用直接计数的方法构成的测量仪器是最简单的，但是它的 测量精度不很高，而且随着被测信号频率的变化精度也不一样。多周期同步测量 的方法虽然没有在实质上达到提高测量精度的目的，但是对高、低频信号能实现 第一章绪论 相同的测量分辨率。模拟内差法和游标法以时间测量为基础实现了高精度的频率 测量。它们的最大优点是对周期和非周期信号的测量都获得了几乎相同的精度， 获得的精度分别可以达到1 0 9 一和1 0 。1 t 量级“1 。设备复杂则是它们的缺点。 从光和电信号的传播是稳定而快速的这一物理现象出发，利用器件延时的稳 定性，当信号通过延时器件进行传播时，在计算机的控制下，对延时器件的状态 进行高速采集及数据处理，实现了对短时间间隔的精确测量。基于量化时延方法 并与其它技术相结合，可以实现对频率、周期、时间间隔、相位和其它参数的精 确测量。该方法不仅可以测量周期信号，还可进行非周期信号的测量。由于此方 法精度高、设备简单、成本低，可以替代许多电子时频测量技术与设备。该方法 不但可用在时频测量方面，也可用在频率控制领域。根据这项技术，我们已经获 得了一项国家专利。 我们研究了将量化时延方法与一种从多周期同步法发展而来的高精度定闸 门测频方法相结合的频率测量方法。利用大规模可编程逻辑器件，这种测频方法 可以用较少的硬件资源完成高精度的频率测量，从而大大减小了电路板的体积。 大规模可编程器件具有强大的e d a 设计软件支持，降低了研制、开发成本与周期。 由于所选用器件的在线可编程性及它的高度集成性，极大地降低了安装与调试难 度。 利用该频率测量方法，我们已经完成了对导弹用振梁式加速度传感器输出的 频率传感信号进行测量的系统设计与实现。该项目得到了国防预研基金的资助， 军方要求频率测量系统能够同时进行三路信号的测量，并且提出了各路测量精度 在采样速率为2 0 0 h z 时优于2 x1 0 6 ，在1 0 0 h z 时优于l 1 0 4 ，在5 0 h z 时优 于5x1 0 7 ，在2 0 h z 时优于2 x1 0 。7 ，在1 0 h z 时优于1 1 0 1 ，在l h z 时优于 1 1 0 4 的技术指标。 3 频率控制技术与其他技术领域的联系及其发展 由于时间和频率量始终是各种物理量中精度最高的，而且这些量不经转换就 可以进行数字化处理，所以在检测技术、传感器及电子测量控制仪器方面，从提 高精度、方便数字化和智能化等目的出发，都会自然地把许多处理目标与时间频 率联系在一起。以非频率量转换成频率量的方法构成的传感器由于可以直接以数 字量的方法表示被测量的值，所以测量精度高，便于进行数字化和智能化处理以 及与计算机接口，是一种比较理想的传感器及测量方法。 目前用石英晶体谐振器做成的传感器是以谐振频率的变化来指示被测量的 变化。近年来这方面的研究工作很活跃，晶体的加工与集成电路的生产工艺相结 合使谐振器传感器的芯片尺寸向微米级发展，是一个值得进一步开发的领域。国 外有人声称，这种传感器的发展只受到研究人员想象力的限制，而且对传感器的 概念也在不断地更新。另外，也正是因为频率量明显优于其它物理量的测量精度， 新型频率控制与测量方法的研究 将其它物理量转换成频率量完成测量或以频率量的测量思想处理其它量的测量问 题一直是从事计量测试的专业人员所关注的问题。 对各种高新技术最为敏感的常常是军事方面的需求。由于频率测量与控制技 术的特殊作用，没有一个国家不把自己的国防与它联系在。一起。美国的频率控制 年会和精密时间与时间间隔会议就分别由其陆军和海军主办。美国用于国防的巨 额投资的大型工程中，常常把频率控制放在至关重要的地位。频率控制技术近年 来的长足发展也得益于军方的投资。频率控制和时间同步的精度与飞行器及舰艇 的精确制导及导航、目标的定位、高精度运动物体的速度测量与控制、通讯联络 的畅通等紧密相关。 本论文中第二部分的新型高精度频率测量方法的研究得到了国防科研预研 资金的资助。该方法是应导弹制导与姿态控制中所使用的石英振梁式加速度计的 高速、高精度及连续测量之要求，对石英振梁式加速度计的输出频率信号进行高 速、不间断地高精度测量。石英振梁的输出频率是输入加速度的函数，可进行数 字处理。由于频率测量的高精度，即可实现对导弹导航与飞行姿态的高精度测量 与控制。该方法较之传统的模拟输出型加速度计的系统精度有大大提高。我们采 用了一种从多周期同步法发展而来的定闸门高速、连续、高精度的频率测量方法， 并将它与基于量化时延原理的短时间间隔测量相结合，从而满足了导弹在飞行过 程中因导航与姿态控制而产生的对传感器输出信号测量的高要求。 时间频率测量与控制技术是相互促进、共同发展的。在一个领域内技术的进 步同样会影响和促进另一个领域内技术的发展与应用。本论文针对时间频率测量 与控制领域内新技术的发展，并根据市场的实际需要，探讨了新型频率控制技术 与时间频率测量技术及其应用。 第二章温度补偿晶体振荡器 第二章温度补偿晶体振荡器 2 1 石英晶体振荡器的发展状况 自从1 9 2 1 年制造出第一只晶体振荡器以来，在短短的8 0 年间，晶体振荡器 作为种高稳定度、高准确度的频率信号源，得到了极其迅猛的发展。如今，随 着科学技术的进步，国内外晶体振荡器性能之优异，类型之繁多，应用领域之广 泛，皆远非昔日可比。 目前，在长途和市话通讯，地面、航海和航空移动目标通讯，卫星通讯，雷 达导航测控，卫星地面站，广播电视系统，全球卫星导航定位系统，均采用着各 种类型的晶体振荡器作为频率控帝i 标准信号源；射电天文领域，近代物理实验， 精密时频计量，精密频率综合器等电子仪器，皆有赖于高稳晶体振荡器提供精密 的频标和时基；作为精密时频一级标准的地面和星载原予钟，也必须采用高性能 的伺服晶振，否则，就难于构成性能最佳的一级原子频标。总之，在现代电子系 统和设备以及精密时频计量等必需频率控制和管理的领域中，类型繁多的各种晶 振，业已获得广泛应用，并占有素称“心脏”的显要地位。 目前，每年全世界生产的晶体振荡器数以百万计，所用频率从几千赫兹到几百 兆赫兹，其稳定度从百分之零点几到十的负十三次方。但对绝大多数的晶体振荡 器来说，频率的稳定度仍在十万分之几的范围内( 即在1 0 6 数量级上) 。长期以来， 晶体振荡器的主要用途是在通信发射机和接收机中提供稳定的频率。随着通信技 术的不断提高，对部件性能的要求越来越严格，晶体振荡器的频率稳定度也越来 越高。若没有晶体振荡器，频谱的使用将会极端混乱，通信系统达到今天的水平 是不可能的。 今天，人类已经步入了信息社会，人们要求随时随地都能够方便的交换信息， 于是出现了i n t e r n e t 、g p s 、c d m a 、g s m 等多种多样的通信方式，而且，随着人 类社会的不断发展，人们生活水平的不断提高，在不久的将来，越来越多的人都 将能够享受通信技术带来的方便。这对通信技术提出了前所未有的挑战。通信方 式的增加，通信用户的爆炸性增长，需要在有限的频谱间隔容纳越来越多的用户， 因而，不仅对通信设备，而且对用户装置都提出了越来越苛刻的要求。 把分配给每个用户的带宽缩窄，这是增加频谱潜在用户数目的方法之一，这种 方法带来的是对载波频率稳定度的要求更高，因而需要更高频率稳定度的晶体振 荡器。另外一种方法是时间分割法，即在某一特定的时刻将一组用户接入给定通 道，系统的用户按时间顺序轮流占用给定的通道。目前，许多近代无线电传输都 新型频率控制与测量方法的研究 是采用后一方法的原理。在这里，晶体振荡器也同样起着决定性作用，但它不是 控制载波频率，而是使不同用户占用通道的时间间隔协调起来，也就是说，把它 作为发射机或接收机中时钟系统的钟频发生器。在这一应用中，对晶体振荡器性 能的要求，往往比仅对载波频率的频率稳定度提出的要求要严格的多。 另外，移动通信技术的迅速发展对晶体振荡器提出了新的要求。由于移动通信 的特殊性，要求接收机的体积和功耗要非常小，因此晶体振荡器的体积和功耗被 压缩到了近乎苛刻的地步，而且频率稳定度还不能降低。目前，这种用于移动电 话手机中的温度补偿晶体振荡器频率稳定度是i p p m ，在不久的将来，随着人们 对通话质量和通信容量的要求越来越高，更高稳定度的温度补偿晶体振荡器就会 职而代之。这就更加促进了人们对更高性能的温度补偿晶体振荡器的研究兴趣。 模拟存储技术及应用此技术的温补晶振的研究就是我们在此方面所做的一些努 力。 2 2 温度补偿型晶体振荡器 晶体材料及晶体谐振器的最大特点就是其频率值对温度的变化很敏感，因此绝 大多数的关于晶体振荡器方面的研究都是关于如何改善其温度条件或温度特性来 提高晶体振荡器性能。根据对频率控制的方式，晶体振荡器主要分为恒温型晶体 振荡器及温度补偿型晶体振荡器。 恒温型晶体振荡器( o c x o ) ：是一种把石英谐振器放在恒温器中使输出频率有 优良温度频率特性的晶体振荡器，简称恒温晶振。温度被控制在晶体温度一 一频率曲线的零温度系数点。因此这类晶体振荡器拥有很高的频率稳定度、日老 化率及日波动率等指标。但由于这种晶振采用恒温槽，大大增加了其体积和成本 以及线路的复杂度。 温度补偿型晶体振荡器( t c x o ) ：是一种靠内部温度补偿网络改善输出频率温 度特性的晶振。这种晶振功耗低、体积小、重量轻、电路简单。 温度补偿晶振的三个优点是”1 ： a 不需加热功率； b 由于它总工作在常温下，而晶振在高温下老化大，在常温下老化小，如在 6 0 晶振老化比在2 0 。c 时大一倍，所以这种晶振老化小； c 不需要预热时间。 它比恒温晶振的频率稳定度低，但是它开机即可正常工作，并且具有以上所述 的种种优点，所以温度补偿晶体振荡器的在野外作业、机动设备和移动通信中得 到了广泛的应用。 温度补偿晶体振荡器中，对晶体谐振器的温度频率特性有很多种补偿方 第二章温度补偿晶体振荡器 法，根据补偿方法的不同，温度补偿晶体振荡器又可以分为三类：普通的模拟温 度补偿晶体振荡器( t c x o ) ，数字温度补偿晶体振荡器( d t c x o ) 以及微机补偿 晶体振荡器( m c x o ) 。 1 模拟温度补偿晶体振荡器( t c x o ) 模拟温度补偿晶体振荡器由热敏电阻组成温度补偿网络，产生合适的补偿电压 控制晶体谐振器的频率，使其输出稳定的频率。这种温补晶振由于结构简单、体 积小、功耗低、价格低而得到广泛应用。然而，这种补偿方法不能逐点精确补偿 晶体谐振器的频率温度误差，而且其补偿的精度也不是很高。模拟温度补偿晶体 振荡器的频率温度稳定度约为1 1 0 ，如在宽温范围内还要低于这个值。模拟温 度补偿晶体振荡器典型的框图如图2 1 所示。图2 2 显示了补偿前后振荡器的温度 频率特性曲线【”i 。 图2 - 1模拟温补晶振典型框图 u n c o m p e n s a t e d l 。 、7 、，、x p 、r v y 油妇c l 辚豁 图2 - 2t c x o 补偿前后频率温度特性 2 数字温度补偿晶体振荡器( d t c x o ) 数字温度补偿晶体振荡器一般采用外部温度传感器测量晶体谐振器内晶片的 温度，用数字技术处理温度传感信号并形成控制电压，控制压控晶体振荡器内的 变容二极管，拉动晶体振荡器的振荡频率，达到补偿的目的。p n 结或集成电路温 度传感器能将温度量转变成近似于线性的电压信号，再通过a d 转换器将电压信 号转变为数字量，这个数字量在存储器p r o m 中寻址，得到与其对应的补偿电压 量，然后通过d a 转换成补偿电压。在存储器p r o m 中已经事先存储了由温度实 曩hj、睁gnb舅!i 新型频率控制与测量方法的研究 验得到的补偿电压的数据。典型的数字温度补偿晶体振荡器的框图如图2 - 3 所示。 图2 - 4 显示了补偿前后振荡器温度频率曲线l ”1 。 图2 - 3典型数字温补晶振框图 三，一、j v 新型频率控制与测量方法的研究 第三步，由于加在变容二极管上的压控电压v 与其引起的晶体输出频率变化 量之问存在近似线性的关系，因此压控电压v 与频率偏移之间存在一一对应的 关系，如图3 一1 2 所示。 1 5 0 1 0 0 一 岜5 0 潍 。 睾5 0 斛 螓一l o o 1 5 0 频率偏移与压控电压关系曲线 01 52 02 53 035 压控电压( v ) 图3 1 2频率偏移压控电压关系曲线 第四步，在一个固定温度下( 本实验中为2 0 。c ) ，将可调电容组接入振荡电路， 使其在电路中与晶体谐振器相串联。逐渐调整可调电容组，同时记录下电容值与 晶体输出的频率值。从而得到电容频率对应关系。如图3 一1 3 所示。 三三至翌翌囹 ， 1 人l 、 、j i - - 01 02 03 04 05 06 07 08 0 电容值( p f ) 图31 3 电容频率关系曲线 第五步：由前面所得到的数据，即可以得到在不同温度条件下将晶体振荡器 输出频率补偿至其标称频率所需要加入的补偿电容值。如图3 一1 4 所示。 喜| 咖 一 一 第三章模拟存储技术原理及应用 e 三望夏至墅夏! 圈 。 ，_ 。- - l _ 、一 、 - 、i 、 、： 图3 1 4 温度一补偿电容关系曲线 由此，根据公式( 3 4 ) 就可以求出温度补偿电容的面积。在高精密机械加工 中，两极板之间的间距为o 1 m m ，误差不超过05 。得到补偿电容极板面积与温 度的关系曲线如图3 一1 5 所示。 矿 e 善 诺 隐 肆 掣 e 三受互亟至至圈 j 一一 ， - 、 ， ： + 、弋 ： 、 ： t o i 、 ! 、 、 图3 1 5 电容极板面积与温度的关系曲线 至此，就可以根据实验所获得的在每个被测温度点下的补偿电容极板面积数 据，使用计算机通过最小二乘正交化法拟合出温补电容面积曲线函数表达式。这 个函数由一个七次多项式表示。拟合过程在3 4 节中有详细介绍。按照计算出的 电容极板面积曲线函数，根据温补电容极板边界曲线与补偿电容极板面积的积分 关系，使用计算机分段进行计算，即可设计出相应的极板形状。温补电容的极板 形状示意图如图3 1 6 所示。 扣 珀 印 轴 坩 柏 如 坩 (1cb早肆脚驰痒 新型频率控制与测量方法的研究 动极板图形定极板图形 田崛 2 1 1 四川 温度( ) 图3 1 6 温补电容极板图形 将加工好的温补电容接入振荡电路后，在温控柜中进行温度实验，其实验结果 如图3 1 7 所示。 掣1 口d 口g d 甜 霉9 9 9 5 d l - 朴1 蓍耵 l 朴 警后 _ ， ，! 。，j - - r ， 、 。 - 、- - _ 图3 1 7 补偿前后晶振的温度频率血线 从实验结果可以看出，补偿前频率的最大温度偏差为1 3 28 3 h z ，补偿后频率 的最大偏差不超过3 h z ，即在一4 0 至7 0 。c 的范围内振荡器的的温度频率稳定 度达到了3 1 0 7 的指标。精度提高了4 0 多倍。它的稳定度比普通的温度补偿晶 体振荡器的稳定度还要好，而且几乎与大多数数字温度补偿晶体振荡器相同。 10 m h z 模拟存储温度补偿晶体振荡器的其它特性如下： 老化率：5 1 ( - g 天 短期稳定度：5 1 0 。1 0 秒 外形尺寸：5 0 m m 3 0 m m 2 0 m m 第三章模拟存储技术原理及应用 望 功耗：5 v ，3 5 m a 由于温度传感器体积的影响，这种新型的温度补偿晶体振荡器的体积目前还 不能制造得很小。现在传感器生产厂己经注意到这个问题，并开始着手进行改进 以减小它的体积。这样才可能获得更小体积的合适的传感器及晶体振荡器。 从性能上看，在所有的温度补偿型晶体振荡器中，a s c x o 具有相对较低的功 耗，并且它的短期稳定度也是非常好的。因此，它是一种有竞争力的新型温度补 偿晶体振荡器，具有很大的代替传统的温度补偿晶体振荡器的潜力。 在很多情况下，用温度补偿晶体振荡器期望得到好的短期稳定度。与普通温 度补偿晶体振荡器相比，传统的d t c x o 和m c x o 的短期稳定度较差。a s c x o 给我们提供了一种在得到比般的t c x o 有较好温度频率特性的前提下，还 能得到好的短期稳定度的方法。在补偿的温度范围不是太宽的情况下，还可以选 择具有更小频率公差的a t 切三次泛音晶体来构成振荡器。在这种情况下，a s c x o 的短期稳定度和温度频率特性会得到进一步地改善。 模拟存储型温度补偿晶体振荡器与其它几种温补晶振的比较如表3 2 所示。 表3 - 2 几种振荡器的比较( 基于国内现有的条件) 晶振 t c x 0m c x oa s c x o 崖彪 精度一般高中 结构简单复杂简单 尺寸小大小 价格低高低 功耗中高低 测试自动化一般高中 工作量大小小 一 温控柜要求局一般一般 目前虽然取得了一定的实验结果，但若要投入大规模生产还有很多工作要做。 从长远发展来看，模拟存储的仪器是一种物理设备，它的使用应该更加方便。利 用这种仪器，输入和输出电压信号之间的函数关系可以很简单方便地保存下来以 供使用。这种方法简单而且很具有发展前景。这种技术的应用对未来温补晶振的 发展很有用处。虽然我们已经取得了一定的研究成果，但关于模拟存储思想应用 的研究还有很多的工作要做，还有待于进步拓展它的应用领域。 新型频率控制与测量方法的研究 3 4 电容面积函数的拟合 插值法虽然在一定程度上可以解决根据数据表求其函数的近似表达式问题，但 用来解决这里提出的问题有明显的缺陷。因为由实验提供的数据往往带有测试误 差，个别数据的误差还可能很大，如果要求近似曲线严格地通过所有的数据点， 就会使曲线保留着这些误差，从而失去原数据所表示的规律。因此在这种情况下， 不用插值标准而用近似标准更合理，通常情况下是采用最小二乘法。 在温度实验中，参考国内外的振荡器温度实验数据，发现每隔5 。c 记录一次数 据，已经足以将晶体的特性表现出来。这样从一4 0 。c + 7 0 的范围内，一共有2 3 组数据，基于提高补偿精度的考虑，采用了曲线分段拟合的方法。分的段数太少， 对补偿精度有较大的影响；但假如分段过多，则数据变得过于零散，失去了数据 所表示的规律。综合以上因素，最后决定将曲线分成4 段，每段有8 个数据点， 每一段数据与相邻的数据分段有三组数据是重合的。然后用7 次多项式进行拟合。 给定数据点融，咒) ) ( f - 1 , 2 ，所) 和一组函数( 叻( = 1 , 2 ，胛) 。求数 a i ，c 2 ，a 。( 假定m ”) ，使函数 满足 p ( x ) = 口1 占1 ( x ) + a 2 9 2 ( x ) + - + a , g 。( x ) ( 3 - 1 8 ) 为便于分析，考虑 1 e = ( p ( x ，) 一y i 2 ) 2 = m i n ( 3 1 9 ) e 2 = 丑p ( r ，) 一y i 2 “ ( 3 - 2 0 ) = 匹吼g 。( t ) 一y 。】2 = m i n 显然，最小二乘近似问题就是求解使式( 3 - 2 0 ) 成立的一组数a ，a ：，a 。 我们知道式( 3 - 2 0 ) 的法方程为： g 7 g a = g 7 y 其中 ( 3 2 1 ) 第三章模拟存储技术原理及应用 g g l ( r 。) 9 2 ( x 1 ) g 。( x 1 ) g l ( y 2 ) 9 2 ( x 2 ) g 。( x 2 ) g 。( k ) g ：( ) g 。( x ，) 口= ( “l ，a 2 ，a n ) 7 ( 3 2 2 ) ( 3 - 2 3 ) ( 3 - 2 4 ) 若矩阵g 的秩数是 ，则g 7 g 是非奇阵，因而方程( 4 5 1 ) 有唯一解 a = ( g 1 g ) 1 g 。y ( 3 - 2 5 ) 过去经常使用的方法是计算出式( 3 2 1 ) 中的g 7 g 和g 7 y ，得到一个线性方 程组，然后采用列主元高斯消去法来解这个方程。这种方法从理论上讲是没有什 么问题的，但是在计算机中，由于数据精度造成的截尾误差在某些情况下会给结 果带来相当大的影响，即有可能存在病态问题，所以在这里我们采用更可靠的方 法来解这个最小二乘法问题，即正交化方法。 正交化方法求解最小二乘近似问题的分析过程见附录b 。 取晶( x ) 为1 ，x ，x 2 ，x 7 ，即得电容极板面积函数曲线表达式 p ( x ) = 日l + a 2 x 十d 3 x 2 + + n 8 x 7 ( 3 2 6 ) 最后得到电容极板面积拟合曲线的七次多项式函数系数如表3 3 所示。 表3 - 3 七次多项式系数 4 0 5 1 5 + 2 0 a 0 0 6 h ，0 c h ，6 2 h ，2 7 h ，0 2 h ，18 h ，3 0 h ，1 9 h0 6 1 4 ，0 b h ，4 0 h ，0 f 8 h ，0 e 5 h ，9 3 h ，0 8 2 h ，0 a 7 h a 1 0 6 1 - 1 ，0 4 h ，0 a g h ，1 3 c 4 1 - i ，0 8 9 h ，3 e t t ，1 f h , 9 b h0 6 t t , 0 f b h ，0 8 3 t t ，8 5 h ，5 b h ，1 3 h ，9 1 h ，0 8 9 h a 2 0 6 h ，0 f c h ，4 5 h ，9 4 h ，0 8 9 h ，3 e h ，1 f h ，9 b h0 6 h ，0 f 7 h ，4 f h ，1 e h ，7 d h ，1 a h ，0 e d h ，0 c h a 3 0 6 h ，0 f 3 h ，0 b f h ，0 d h ，4 2 h ，0 d 9 h ，3 9 h ，1 7 h0 6 h ，0 e f h ，0 b d h ，1 9 h ，8 d h ，2 d h ，0 b t f ，9 c h a 4 0 6 h ，0 e 9 h ，4 5 h ，0 f c h ，0 e f h ，9 9 h ，1 8 h ，0 e o h0 6 h ，0 e 5 h ，6 f h ，0 f 7 h ，3 c h ，0 e 9 h ，0 f 4 h ，8 2 h a 5 0 6 h ，0 d e h ，0 a a t t ，1 1 h ，8 c h ，5 b h ，1 4 h ，0 d 8 h0 6 h ，0 d b h ，0 a 4 h ，4 f h ，1 e h ，9 d h ，0 e 3 h ，3 a h a 6 0 6 h ，0 d 2 h ，6 f h ，9 7 h ，0 e b h ，9 a h ，4 9 h ，4 c h0 6 1 4 ，0 d o h ，4 9 t - t ，0 1 h ，5 7 h ，o c h ，0 b e h ，0 f 7 h a 70 6 i - 1 ，0 c 5 t t ，8 9 h ，3 f h ，3 1 h ，0 a 3 h ，0 1 1 4 ，8 e h0 6 i - i ，0 c 3 t t ，o a 5 h ，0 3 h ，6 8 h ，l l h ，0 8 3 1 - i ，9 f h + 1 0 十4 5 + 3 5 + 7 0 a 0 0 6 h ，0 b h ，5 7 h ，0 c 6 h ，0 4 b h ，7 5 h ，0 d a h ，7 3 h0 6 h ，0 6 h ，0 c h ，4 4 h ，8 9 h ，4 9 h ，9 8 h ，3 b i t ，4 4 h a l 0 6 h ，0 0 h ，5 2 h ，0 c a h ，6 d h ，0 d e h ，0 c o h ，7 3 h0 6 1 - i ，0 0 h ，4 6 h ，0 e e h ，8 2 h ，9 9 h ，2 6 h ，7 0 h a 2 0 6 h ，0 f t h ，8 7 h ，5 9 h ，0 d 2 h ，4 d h ，3 2 h ，7 a h0 6 h ，0 f 3 h ，8 4 h ，8 9 h ，8 b h ，0 c f h ，2 9 h ，4 9 h a 3 0 6 h ，0 e f h ，5 b h ，0 b o h ，6 5 h ，1 f h , 3 a h ，i a h0 6 h ，0 e 8 h ，6 8 h ，0 d d h 7 7 h ，0 f b t t ，0 a e h ，5 3 h a 4 0 6 h ，0 e 5 h ，8 2 h ，0 c c h ，8 e h ，0 f a t t ，0 f 9 h ，0 c 7 t t0 6 i - i , 0 d d h ，4 a t t ，0 8 3 h ，6 9 h ，5 c h ，0 c f t t ，4 c h a 5 0 6 h ，0 d b h ，5 7 h ，0 8 7 h ，3 8 h ，4 b h ，5 7 h ，7 0 h 0 6 h ，0 d 6 h ，0 b a h ，0 f a h ，1 b h ，0 f 8 h ，0 c c h ，7 f h a 6 0 6 h ，0 c f h ，8 5 h ，4 1 h ，0 a 5 h ，0 e b h ，0 d c h ，0 e b h 0 6 h ，0 c b h ，6 4 h ，0 d 3 h ，0 f o h ，0 2 h ，9 5 h ，9 5 h a 7 0 6 h ，0 c 3 h ，4 3 h ，0 d f h ，8 8 h ，2 c h ，4 4 h ，8 0 h 0 6 h ，0 b f h ，0 a 9 h ，0 e b h ，1 1 h ，0 e c h ，0 e 6 h ，7 2 h 新型频率控制与测量方法的研究 本章全面地介绍了一种新型模拟存储技术及其在频率控制领域一一温度补 偿晶体振荡器中的应用。并详细地讨论了采用了模拟存储技术的模拟存储型温度 补偿晶体振荡器( a s c x o ) 的设计思想和系统构成。介绍了a s c x o 中包括温补 电容在内的各部分硬件电路的设计、工作原理及其开发流程。并在最后给出了实 验结果，及a s c x o 所达到的各项指标。 第四章基于量化时延原理的测量方法 第四章基于量化时延原理的测量方法 4 1 概述 频率和时间测量技术的现代化，是科学技术现代化和国防现代化不可缺少的 一部分。而短时间间隔的精密测量，在时频领域中又是其它一切量( 如时间或相 位起伏、频率与频率稳定度等) 精密测量的基础，同时又可以被广泛用于各种非 时频量的测量中。它的发展，不仅对于时频学科的发展有很大的促进作用，而且 对于各种量的精密测量与控制，对于测控技术在工业、国防及科学技术领域内的 进步都起到了举足轻重的作用。这方面取得的新技术及成果，还将会给国家带来 巨大的经济利益。 时间间隔的精确测量在许多领域都得到了广泛的应用，如激光测距系统、数 字集成电路动态参数的测量和时间基准信号的高精度比对t 1 5 】。以前进行短时间间 隔精密测量的主要方法是模拟时间展宽法和时间电压变换法。模拟时间展宽 法是先用模拟的方法将时间间隔处理后再进行计数；时间电压变换法是先将 时间间隔通过积分电路转换成为电压幅度信号，再用模数转换器对其进行转换测 量的方法。这两种方法通常都会再与n u t t 发明的内插法相结合，从而达到皮秒级 的时间间隔测量【3 】i “。但转换时间长、电路复杂和稳定性较差是它们共同难以克服 的缺点。随着电子技术的快速发展、集成电路水平的飞速提高，寻求一种低成本、 简单的测量方法逐渐成为可能。 用相同的频率及时间测量方法来得到既具有高精度，又具有快速的时间响应， 并且结构还要较简单的电路是很困难的。我们提出的短时间间隔测量的基本原理 是“串行延迟、并行计数”，它不同于传统计数器的串行计数方法。即利用器件本 身的延时特性，使信号通过一系列的延时单元。依靠延时单元的延时稳定性，在 计算机的控制下对延时单元的状态进行高速采集与数据处理，从而实现了对短时 间间隔的精确测量。这种方法可以广泛地被应用于高精度频率、相位、时间等信 号的测量。量化时延方法不是单纯依赖器件及线路的速度，而是利用信号在媒质 中传播的时延稳定性这一自然现象进行研究，这是在时频领域的一个独特见解 “。该方法具有电路实现简单、响应速度快等优点。我们已经根据此方法在国 内申请到了一项专利。量化时延法不仅可用在频率