（测试计量技术及仪器专业论文）二级频标的驯服保持技术.pdf

摘要 摘要 二级频标( 包括铷钟和高稳定度晶体振荡器) 在星载和地面的时钟系统、导 航定位装置、电力故障诊断系统、通讯网同步设备、g p s 全球定位系统等领域有 着广泛的应用。通常作为标准使用的频标工作于不断被校准的状态，一旦参考信 号丢失或传输通道被断开，处于非校准状态的频标只能靠自身的稳定性和老化率 等指标来保持准确度，保持能力有限。本文中的研究内容就是基于此提出的。 本文首先介绍二级频标的发展和应用，然后分析了影响频率准确度以及稳定 度的环境因素和物理因素，并提出了二级频标在失锁状态下如何保持高准确度和 稳定度的一种新的解决方案，即通过有时间基准信号时建立和不断更新的温度以 及频率漂移等因素对频标准确度的影响，确定二级频标的老化率以及其它环境因 素，来计算不同时间失去基准信号时驯服二级频标所需要的补偿量。最后对实现 具有驯服保持功能的二级频标系统的硬件组成及软件算法进行了研究。该技术可 以填补我国这一技术领域的空白，为我国的卫星与地面基准时统等大量用户提供 高精度的工作保障。 关键词：频标温度特性老化特性驯服保持 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es e c o n d c l a s sf r e q u e n c ys t a n d a r d s ( i n c l u d i n gh i g hs t a b i l i t yc r y s t a lo s c i l l a t o r s a n dr ba t o m i cf r e q u e n c ys t a n d a r d s ) a r eu s e dw i d e l yi nc l o c ks y s t e m si ns a t e l l i t e sa n d s t a t i o n so ng r o u n d ，n a v i g a t i o na n do r i e n t a t i o nd e v i c e s ，d i a g n o s es y s t e m sf o re l e c t r i c p o w e rf a u l t ，s y n c h r o n i z a t i o ne q u i p m e n t sf o rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e ma n ds oo n t h e s ef r e q u e n c ys t a n d a r d sa r ec a l i b r a t e df r e q u e n t l y w h e nt h er e f e r e n c es i g n a l sa r el o s to rt h et r a n s m i s s i o nc h a n n e l sa r ec u to f f , t h e a c c u r a c yo f t h ef r e q u e n c ys t a n d a r d sw o u l do n l yd e p e n do nt h e i ro w n s t a b i l i t ya n da g i n g s oan e wm e t h o di sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h ed e v e l o p m e n ta n dw i d ea p p l i c a t i o n so ft h es e c o n d c l a s sf r e q u e n c ys t a n d a r d s a r ei n t r o d u c e da tt h eb e g i n n i n go ft h ep a p e r , a n dt h e nt h ee n v i r o n m e n t a la n dp h y s i c a l f a c t o r sa f f e c t i n gf r e q u e n c ya c c u r a c ya n ds t a b i l i t ya r ea n a l y z e d ，a n da l s oan e wm e t h o d t om a i n t a i nt h eh i g hf r e q u e n c ys t a b i l i t ya n dh i g l la c c u r a c yf o ral o n gt i m ew i t h o u tt h e r e f e r e n c es i g n a l si sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h r o u g ht h eu p d a t i n go fi n f l u e n c e so ft h e t e m p e r a t u r ea n df r e q u e n c ys h i f to nt h ef r e q u e n c ya c c u r a c yw h e nt h es e c o n d - c l a s s f r e q u e n c ys t a n d a r d sa r eb e i n gl o c k e db yt h er e f e r e n c et i m es i g n a l s ，w ec a no b t a i nt h e i n f l u e n c e so ft h ea g i n gr a t ea n de n v i r o n m e n t a lf a c t o r so nt h ef r e q u e n c ya c c u r a c y ，t h e n w eu s et h er e s p o n dc o m p e n s a t i o nv a l u e sc a l c u l a t e dt oc o n t r o lt h eo c x ot om a i n t a i ni t s h i 曲a c c u r a c yu n d e rt h eh o l d o v e rm o d e a tt h ee n d ，t h er e s e a r c ho nt h eh a r d w a r ed e s i g n a n da l g o r i t h m so ft h es e c o n d - c l a s sf r e q u e n c ys t a n d a r d ss y s t e mw h i c hh a st h eh o l d o v e r a n dk e e p i n gf u n c t i o na r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h i sn e wm e t h o dw i l lf i l lad o m e s t i c g a pi nt e c h n o l o g ya r e aa n dp r o v i d et h eg u a r a n t e eo fp r e c i s i o nf o rm a n yu s e r so fo u r s a t e l l i t es y s t e ma n dt h er e f e r e n c e so fg r o u n du n i f y - t i m es y s t e m s k e y w o r d s ：f r e q u e n c ys t a n d a r dt e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa g i n gp r o p e r t i e s h o l d o v e r 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：日期2 丛生墨! 缝 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 日期丝! 里：墨：! 日期兰霉陋留 第一章绪论 第一章绪论 时间是自然界中一个最基本的物理量，是描述物体运动的基础。近年来，随 着航空航天、通讯同步、测试计量、精密定位及其它高科技领域的技术发展，对 时间频率的要求愈来愈高，对时间准确度的要求达到微妙乃至纳秒量级，频率的 稳定度和准确度也要求达到1 0 。3 以上。此外，许多控制领域都需要测量控制设备 基于高稳定、高精度的时间同步基准来进行协调工作，所以能否提供一个高稳定、 高精度的频率标准源就变得非常关键。一般情况下，可以利用一个高稳定的恒温 晶体振荡器来实现，准确度可达1 0 。8 1 0 。1 0 量级，在要求精度更高的场合可以选 用铷钟作为频率标准，其准确度可达l o _ o 以上。铷钟和高稳定度的恒温晶振，统 称为二级频标。 1 1 1 高稳晶振的概述 1 1 二级频标的简介 高稳定度石英晶体振荡器( 简称高稳晶振) 按侧重于长稳和侧重于短稳的不 同要求，可以分为长稳指标优秀和短稳指标优秀两类。长稳指标较好是指晶振的 频率老化率低，而短稳指标较好的晶振实质上就是低噪声晶振。高稳晶振具有体 积小、寿命长、成本低、制作方便等一系列优点，不仅被广泛用作二级频标，同 时也是原子频标设备中的一个重要部件。高稳晶振一般由三个基本部分组成：高 精密石英谐振器、振荡电路和恒温系统i l j 。 高精密石英谐振器选材于无内部缺陷的二氧化硅( 研d ) 结晶体，是根据石英晶 体的正逆压电效应制造出的一种谐振器。晶体片加工好以后，两面镀上电极并装 架将引线引出就可以作为谐振器使用了。谐振器被封装在金属或者玻璃的外壳内， 壳内通常被抽空成真空或者充以惰性气体。高稳晶振的振荡电路主要包括以下几 个部分：主振级、幅度放大级、自动增益控制( a g c ) 电路和输出级。高稳晶振的输 出信号会受到振荡电路中各元件固有噪声的调制，包括调相、调频和调幅。石英 谐振器本身就是一个噪声源，另外，振荡电路中各电子元件，特别是晶体管，是 电路的主要噪声源【2 】。对振荡器输出信号影响最大的是主振级和第一放大级的噪 声。因此，实现振荡电路的低噪声设计尤为重要。电路设计好以后，还需要调整 石英谐振器的激励电平，调整高稳晶振的输出频率等。高稳晶振中的恒温系统是 将晶体元件置于隔热罩内( 如恒温槽) ，将槽内温度调节到晶体谐振器的零温度 系数点上，利用精密的恒温控制以使槽内温度基本保持不变，在一定范围内不受 到外界温度影响，确保输出频率的稳定。这种连续控制的恒温系统主要包括温度 2 二级频标的驯服保持技术 传感器、正比例加热控制电路和具有良好保温功能的恒温槽。恒温方式既可以是 单层恒温，也可以是双层恒温1 3 j 。双层恒温不仅对石英晶体谐振器进行恒温，同时 也对振荡电路进行恒温处理。绝大多数高稳定度晶体振荡器都采用了将晶体恒温 的方法。在所有的晶体振荡器中，恒温晶振的老化率最小、稳定度最好、频率温 度特性最好，但同时它也具有预热时间比较长、体积比较大、功耗消耗量大的缺 点。现在国外双层控温的晶体振荡器可以实现一2 0 7 0 范围内达到l 1 0 _ o 的 频率一温度稳定度。 高稳晶振被广泛用于各种类型的通信设备，包括g p s 接收机、数字电视、电 台广播、交换机、移动通信直放机及s d h 传输设备等领域。 1 1 2 铷原子频标的概述 在卫星导航定位中，精确位置测量实际上就是高精度的时频测量，这需要高 精度的原子频标来建立和维持。原子频标是时间频率系统的核心部分，它的性能 直接影响用户的导航定位授时精度。根据量子理论，原子和分子只能处于一定的 能级，其能量不能连续变化，而只能跃迁。当由一个能级向另一个能级跃迁时， 将伴随着一定频率电磁波的吸收和辐射。若从高能级向低能级跃迁，则辐射能量； 若从低能级向高能级跃迁，则吸收能量。因此，若能设法使原子或分子受到激励， 便可得到相应的准确又稳定的频率。原子频标就是利用这个基本原理做成的【4 1 。 原子频标可分为自振型和非自振型两大类。目前较常使用的原子频标有自振 型的氢激射器和铷激射器；非自振型的铯束管频标和铷气泡频标。其中铷气泡原 子频标是使用数量最多的原子频标，随着线路以及工艺的发展，其体积越来越小， 造价越来越低，将来可望在更多的场合代替高稳晶振并获得更高的精度1 5 】。铷原子 频标与氢原子钟或铯原子钟相比，长期性能较差。用来表征原子钟的长期性能的 指标主要有两个：一个是一天以及更长取样时间的稳定度，通常使用a l l a n 方差表 示；另一个是长期漂移，一般用天漂移率来表示。铷钟具有较为明显的长期老化 漂移特性，它的老化往往是非线性的，用户很难预测出一台铷原子钟连续使用一 年后的频率准确度。铷原子钟是利用铷原子基态超精细能级的零场跃迁频率作基 准，来锁定压控振荡器的输出频率，以获得高性能的频标信号。图1 1 给出了铷气 泡型原子频标的原理框图【6 j 。 第一章绪论 图1 1 铷气泡型原子频标的原理框图 其基本的工作原理是：通过一台受控的石英晶体振荡器产生所需的标准频率 信号，它通过倍频和频率合成使频率接近于原子频率。当该频率的电磁波探询原 子系统时，原子系统将吸收或激发出相同频率的电磁波信号，原子本身则发生能 级跃迁。利用原子超精细能级跃迁的光、电信息，来锁定压控晶振的频率。高精 度的铷原子频标秒级稳定度可以达到1 0 。1 2 ，日频率漂移可以小到1 0 - 1 3 。从应用的 角度出发，发展出了和恒温晶振大小接近的小体积铷原子频标。小型铷原子频标 因其在体积、重量、价格、功耗、恶劣环境适应能力等方面的优势，被广泛应用 于通信、导航、电子对抗、隐形目标探测等国民经济与国防建设领域。在当今全 球原子频标市场份额中，小型铷原子频标占有其总量的9 5 ，它的发展是值得人 们关注的。目前小型铷原子频标的体积达到1 0 0 m l 左右，功耗为4 w 一5 w ，秒稳 达到l o - 1 2 ，日稳和日漂达n d , 系数1 0 - 1 3 量级，甚至进入l o 。1 4 也是可以期待的，小 型铷原子频标将具有长久的生命力1 7 1 。 1 2 选题背景和研究意义 二级频标广泛应用于星载和地面的时钟、导航定位装置、电力故障诊断系统、 通讯网同步设备等领域中。随着导航、测量等技术的高速发展，二级频标的需求 数量越来越大，其精度和稳定度也越来越高，但是相应的成本则要求比较低。目 前锁定伺服的主要常用技术是利用卫星传输信号经过地面接收机处理后输出的标 准秒信号来锁定本地高稳定度的二级频标，或通过地面基准站信号校准星载二级 频标【8 】。但是如果由于不确定因素导致卫星信号丢失，或是失去地面站信号联系的 情况下，二级频标就处于非校准状态，它的准确度只能靠自身的老化率和稳定度 来保证。非校准状态除了人为地去掉接收、比对设备外，常常是参考信号被断开 或是传输通道出了问题【9 l 。随着非校准状态的延伸，频标的准确度误差会逐渐增大。 因此如何尽可能地保持原来锁定时的二级频标的准确度和稳定度是目前需要研究 的问题。二级频标的驯服保持技术正是基于此提出的。 对于二级频标的锁定技术国内外已经展开了相关的研究，并且也已经有了一 4 二级频标的驯服保持技术 些相应的产品。在国外，美国的s p e c i a lt i m e 等公司都实现了利用卫星信号来锁定 二级频标的技术，并且将晶振分频得到的l p p s 信号和g p s 输出的l p p s 信号同步 起来，同步精度达到了1 5 n s 。对于二级频标的驯服保持技术，虽然有单位曾经做 过研究，但是技术不成熟，因此没有推广。由于近年来二级频标大范围使用，为 了节省成本并达到高稳定度和准确度的要求，加拿大的北方电信就此技术已经初 步进行了研究。国内对于卫星信号锁定二级频标的技术已经有相关单位从事这方 面的开发工作，但二级频标的精密驯服保持技术还没有起步。只是在十多年以前， 曾经用纯硬件的方法实现了对晶体振荡器老化影响的补偿。因此，通过卫星信号 锁定二级频标的技术在国外已经产品化，而二级频标的驯服保持技术目前国内基 本还处于空白。 二级频标的驯服保持技术是以在锁定状态下获得的二级频标的老化特性、温 度特性、运动情况下的加速度特性以及其它可能的影响因素为基础，通过相应的 辅助时钟计数器和其它传感器组采集到的频标运行时间、环境温度等信息以及结 合频标本身的压控灵敏度，来对频标的频率值进行相应的自动调整。二级频标由 于自身的问题其准确度具有一定的不确定性，驯服保持技术的发展能够大大减少 这个不确定性。本文所提出方案的新颖之处在于： 1 传统方法是利用g p s 等卫星或者地基标准发射台提供的高准确度的标准信 号对二级频标进行校准。本文考虑的是如果由于不确定因素导致卫星信号丢失， 频标在非校准状态下，对频标的频率值进行自动补偿。这比仅仅靠频标自身的稳 定性来保证准确度的情况有了明显的改善。 2 通过长期对各种不同稳定度的二级频标的研究，建立起相应的数据系统，在 此基础上完成特定的软件算法分离出二级频标的温度影响和老化影响数据，这种 驯服保持技术可以比传统技术在精度上至少提高一个数量级。 3 在控制过程中尤其要注意的是控制电压对频率源稳定度会有影响。因为控制 信号是基于数字量产生的。在驯服保持过程中温度传感器的分辨率常常会影响到 控制电压的量化间隔，除了提高温度传感器的分辨率外，对控制电压的产生采取 基于趋势和历史的处理方法。因为温度变化有一定的滞后效应，可以根据温度的 变化率和方向，在一个温度传感值下分时给出相对更连续的不同控制电压。这对 于应用广泛的传感器技术具有明显的价值。 4 对于连续工作的二级频标，老化率的变化是随着时间的延伸而逐渐减小的。 采用线性的补偿方法，需要在锁定伺服状态下不断测量频标的老化率，来更新驯 服保持状态下的数据。对于温度的处理也考虑到了随着器件的老化和磨损，温度 特性不可能不发生变化，因此不断地通过测量来更新驯服保持的补偿数据是很有 必要的。 二级频标的驯服保持技术有着广泛的应用领域和广阔的发展前景，它可以用 第一章绪论 5 于地面守时系统，经过一级频标的锁定校准后，能在长时间内保证高稳定度和准 确度，另一方面，它也可以用于卫星上的二级频率源。我国正在建设的二代导航 系统，目前卫星上使用的是铷原子频标，需要地面监测和注入站对卫星的时间基 准信号进行校准。一旦发生异常情况，地面站将在很长的一段时间内无法对其进 行校准。如果将它改进成校准一驯服保持状态，效果会更好。二级频标的驯服保 持技术能给广大用户带来更高精度的工作保障。 1 3 本文的主要工作及内容安排 本课题来源于国家自然科学基金资助项目( 基金批准号：1 0 9 7 8 0 1 7 ) 。本论 文的主要研究目标是实现具有驯服保持功能的二级频标系统，它具有两种工作模 式：一种是锁定模式，一种是驯服保持模式。当参考信号丢失，系统工作从锁定 模式切换到驯服保持模式，此时通过有外接时间基准信号时采集到的压控电压量 以及温度、时间等信息，建立温度和频率漂移率对准确度和稳定度影响的关系， 确定晶体的老化率以及其它的环境因素，从而在失去基准信号时自动驯服保持二 级频标。本文所做的主要工作是提出一个针对二级频标失锁状态下如何保持高稳 定度和准确度的新的解决方案，并对具有驯服保持功能的二级频标系统的实现进 行相关的硬件和软件设计。本论文分为六章，各章节的内容安排如下： 第一章绪论简单介绍了作为二级频标的铷钟和高稳定度恒温晶振。此外， 还说明了二级频标的- 到j l n 保持技术和锁定技术在国内外的发展现状，驯服保持技 术广阔的应用前景以及该课题的新颖性等。 第二章具有驯服保持功能的二级频标系统的原理方案阐述了具有驯服保 持功能的二级频标系统的原理设计方案以及相关的理论背景。其中介绍了影响频 率准确度和稳定度的各种环境因素及物理因素，同时对各种因素的不同影响程度 也作了相应的比较。 第三章具有驯服保持功能的二级频标系统的硬件设计阐述了具有驯服保 持功能的二级频标系统的硬件设计与实现。主要包括有该系统的硬件组成、器件 芯片选型、电源设计、d a 电路设计、温度传感器的电路设计、f p g a 逻辑设计以 及n i o si i 软核处理器的定制等。 第四章具有驯服保持功能的二级频标系统的软件设计重点提出了整个系 统的核心模块一自适应晶振模型中具体软件算法的设计方案。包括有通过自适应 晶振模型中i i r 滤波器和两路并行的r l s 参数估测算法来实现温度和老化两个影 响因素的分离，最终合成出新的修正信号输出，并给出相应的仿真结果及实验验 证。 第五章原子频标的智能化改进介绍了利用驯服保持技术对原子频标进行 6 二级频标的 ：t j i i ) j 臣保持技术 智能化处理的应用。 第六章结论对本论文所开展的主要工作做总结。 第二章具有驯服保持功能的二级频标系统的原理方案 7 第二章具有驯服保持功能的二级频标系统的原理方案 在现代电子系统和设备以及卫星通讯、精密时频计量、雷达导航测控等必需 频率控制和管理的领域中，各种高精度的频率标准已经获得广泛的应用。在提出 驯服保持技术的具体解决方案之前，有必要首先介绍一下相关的理论背景，正确 地理解各种影响二级频标的频率准确度和稳定度的因素，通过对影响因素的分析， 有助于深刻地理解驯服保持技术中所采取的设计方案。 2 1 驯服保持技术的理论背景 2 1 1 二级频标的频率准确度和稳定度 1 频率准确度 频率准确度是时间频率计量的一个很重要的指标。由于晶体振荡器长期工作 时存在系统线性频率漂移，故在不同时刻其准确度也不同。频率准确度是指振荡 器输出频率的实际值与标称值的相对误差。假设晶振的实际输出频率为疋，其标 称频率为五，则频率准确度定义为： f f 4 = 半 式( 2 1 ) 式( 2 1 ) 是一级频标的准确度定义，而二级频标的频率值不能单独确定，它需要用 一级频标进行校准的标准【l o l 。确定一个频率源的准确度时，无法直接测量实际频 率与标称频率的偏差，而是以参考频标的实际频率作为标准来测量被测频标的输 出频率。除了一级频标以外，都需要有一个可以作为参考的频率标准。目前能够 作为这种参考的频率源有：氢原子频标、铯原子频标以及任何一个准确度已知的 频率源。 在实际测量确定一个频率源的准确度时，其结果会受到被测频率源的稳定度、 参考频率源的准确度和稳定度以及测量比对方法及其使用的仪器设备等因素的影 响。适当选择参考频率和测量设备，可以减少比对的误差【5 】。一般原则是要求参考 频标的系统误差要优于被测频率源一个数量级或至少为其三分之一，测试仪器的 随机误差必须比被测频率源的准确度小一个数量级以上。 2 频率稳定度 在频率准确度评定和校准之后，要随时保证准确度不变就要由信号源的频率 稳定度来保证。因此，频率稳定度是评价一个标准频率源质量好坏的重要参数。 频率稳定度是指频率源在一定时间间隔内，其内部各种噪声引起输出频率的随机 变化量。在晶体振荡器的应用中，有下列几种不同类型的频率稳定度：主要受环 8 二级频标的驯服保持技术 境温度、电压和负载等工作条件变化影响的频率稳定度；受石英晶体谐振器的老 化影响的长期频率漂移；短期频率稳定度或相移稳定度【4 j 。 频标的输出信号不可避免地会受到内部电子器件噪声影响，使其输出频率不 是一个固定值，而是在一定范围内变化。对频标的输出频率进行时域稳定度分析， 是把受噪声影响的输出频率用一个时间函数来描述，从时域角度分析噪声对输出 频率的影响。其中，阿仑方差是最常用的时域稳定性分析方法，时域表征中阿伦 方差的计算公式为： ，、 1 仃j ，0 ) 2 了 j o 式( 2 - 2 ) 其中和厶，分别为第f 次和第i + 1 次测量的频率值，厂。为被测频率源的频率标称 值。短期频率稳定度的另一种表征方式是从频域角度分析影响频标输出频率的主 要因素，并研究其对频率稳定性影响。这两种表征方式在数学上是一对傅氏变换， 是等效的。用频域的方法直接观察信号噪声，具有对信号的频率稳定度反映的直 观性。在雷达、通讯、导弹、卫星以及频谱学方面，频率源的稳定度常用频域表 征。 频率准确度和频率稳定度之间的关系相当于可靠性与精度的关系。可靠性高 表明系统误差和随机误差均小，而精度高表明数据的离散程度小。因此减小频标 输出频率的系统误差是提高频标输出频率可靠性的重要途径，而减小频标输出频 率的离散程度是提高频标输出频率精度的重要手段。一个性能好的频标其输出频 率应该又准又稳。 2 1 2 影响频率准确度和稳定度的特性因素 下面以高稳定度的晶体振荡器为例，介绍影响其频率准确度和稳定度的因素： 1 温度特性 温度是影响晶体及其振荡器频率变化的最主要的因素之一【1 1 。当温度变化时， 石英谐振器的尺寸和弹性特性都将随之发生变化，因而石英谐振器的频率也将发 生变化。频率一温度特性方程的一般表达式为： f = f o 【l + 哪( 丁一瓦) + 6 0 ( 丁一瓦) 2 + c o ( r - t o ) 3 + 】式( 2 3 ) 或 等= a o c r t o ) + b o ( r t o ) 2 + c o ( t t o ) 3 + 式( 2 - 4 ) ，0 式( 2 - 3 ) 中，f 是温度在任一温度丁与参考温度r o 之间的频差，通常r o 取2 0 。c 或2 5 。口o ，6 0 ，为在r o 时的一级、二级、三级频率温度系数。图2 1 给出了a t 切 第二章具有驯服保持功能的二级频标系统的原理方案 9 型晶体谐振器的频率一温度特性，可以看出，具体的频率一温度特性是和晶体的 切割角度相关的。 v 0 0 、么 8 0 毅一二 ，r 6 0 少 耀j q、 d o， 一= 、n 2 0 7 i沁 y o !一亡飞， 2 0彳 ：， 2 衾- - - t - 、 一心，、l 一 。 i in 4 0 l 垒兰哆 6 0 j ，o 。， 8 d 0 0 】? 图2 1a t 切型晶体谐振器的频率一温度特性 晶体谐振器的频率一温度特性具有以下几个特点：不同切型的石英谐振器的 频率一温度特性曲线相差很大。如b t 、c t 、d t 等频率一温度特性曲线为抛物线， a t 、g t 、f c 切型为三次曲线：在比较宽的温度范围内，如- - 5 5 + 1 0 5 ，a t 、 g t 切晶体的相对频率变化在角度加工合适的情况下不超出2 x 1 0 一；大多数情况 下，零温度系数点可以通过改变晶体片相对于晶轴的取向而变。 恒温晶振的温度特性已经不再是典型的三次曲线关系，通过恒温槽的引入， 其温度特性已经得到了较好的改善，但是如果能进一步对其进行温度补偿，应该 能够获得更好的效果。 2 老化特性 石英晶体的谐振频率会随工作时间发生缓慢而单调( 增加或减小) 的变化， 这种物理现象称为晶体的老化。引起石英谐振器频率老化的原因很多，由于对高 精密石英谐振器采取了各种精密加工工艺，已经把产生频率老化的很多因素都消 除了，诸如外壳漏气、晶片吸潮和电极氧化等等】。但物质吸附效应和应变弛豫 两个因素依然会使高精密石英谐振器的谐振频率随时间而作有规则的变化。 石英谐振器在加工过程中受到各种应力，并产生相应的应变，而应变的恢复 需要比较长的时间，这种应变的逐渐恢复叫做应变弛豫。应变弛豫表现为石英谐 振器的谐振频率定向缓慢地漂移。当把石英谐振器抽真空密封后，谐振器盒内总 还是会有少量的残存气体和其他杂质，在冷却状态下这些残存物质有一部分吸附 在晶片上。当谐振器开始工作，由于石英片振动以及石英谐振器被温控系统加热 的原因，都使得原本吸附在石英晶体片上的杂质慢慢离开，这就导致晶体片的尺 1 0 二级频标的驯服保持技术 寸和质量都会有个缓慢减小的变化过程，也就使得谐振器的谐振频率有个逐渐升 高的缓慢漂移过程。随着工艺水平的提高，尤其是采用了高频感应加热封接玻璃 壳封口的工艺，已经大大减少了物质吸附效应所产生的频率老化【1 2 】。图2 2 是晶体 谐振器的老化曲线。 ，。 _ _ 一 。 ， 7 。 时同日 图2 2 晶体谐振器的老化曲线 振动模式为厚度剪切的晶体片，如a t 切和s c 切，老化主要源于以下物理过 程：温度梯度效应，它在热平衡后持续几分钟到几小时；压力释放效应，它是上 述热过程的函数，持续三天至三个月；晶体极板质量的增加或减小，该质量改变 大部分源于气体的吸收和分解，持续几周至几年；晶格不完善导致的晶体结构变 化，为长期效应。 在低频石英晶体谐振器中，振动模式为面剪切的晶体，老化率最低，弯曲振 动模式次之，伸缩振动模式最大a _ 对于振动模式相同的晶体，频率低而极板大的 晶体老化率较低。精密晶体谐振器的老化效应一般可以分为前期和后期两部分。 前期老化总是较后期老化更明显。前期，即最初稳定区间，老化率根据晶体本身 的质量不同而有区别，分别达到1 1 0 - 7 月到l 1 0 - 3 月；后期，连续工作1 2 个月 后，老化率可以减少至( 1 3 ) x1 0 9 月到( 1 3 ) x 1 0 。1 0 月。 3 激励电流特性 在高稳晶振中，石英谐振器是个耗功元件，其耗散功率l 2 尼称为石英谐振器 的激励电平，流过石英谐振器的电流l 称为激励电流。精密晶体振荡器的振荡频 率对激励电平也有明显的依赖关系，如下式所示： a 厂 号k 2式( 2 5 ) j 其中，v 厂为振荡频率的相对变化；k 为常数，随晶体不同而不同；对于2 5 m h z 第二章具有驯服保持功能的= 级频标系统的原理方案 1 1 晶体，七约为0 2 a 2 ，对于5 m h z 晶体，k 约为0 5 a 2 ；f 为流过晶体的交流电流。 考虑到石英谐振器的频率电流特性，激励电流加大以后，由于物质吸附效应产生 的初始频率老化将加剧，并且加大激励电流容易振荡在寄生模式，所以早期的高 稳晶振对激励电流的要求极为严格【4 1 。当激励电流较大时，晶体的老化性能和振荡 频率的长期稳定度将会随之变坏，但是由于噪声电平的限制，激励电平也不能过 小，否则振荡频率的短期稳定度会变差。 4 频率复现性 频率复现性是指在给定的条件下，频率准确度在重新开机一段时间后与原频 率值的符合程度1 1 3 1 。晶振连续工作一段时间后，测得频率值，然后关机一段时 间t 2 ( 如2 4 小时) ，再开机一段时间t 3 ( 如4 小时) 后测得频率值石。也就是说石 为关机前的频率值，石为再次开机一段时间后的频率值。石与石的相对差值即是 频率复现性带来的系统误差，可用下式表示： ，一， r = 盟了盟式( 2 6 ) 任何一种晶体振荡器频标，和厶都要等于规定的预热时间。因为在两次开机 后都要经过规定的预热时间才可以测试频率值。晶体振荡器的断电时间r ，对于高稳 定度的晶体振荡器规定为4 8 小时，对于普通计数器内的晶振规定为2 4 小时。通 常s c 切晶体谐振器的复现性要明显优于a t 切晶体谐振器，如果对晶体的选型够 仔细，复现性所带来的误差能控制在1 0 。1 0 量级以内。频率复现性是影响o c x o 频 率准确度的因素之一，但对于t c x o 和其它晶振而言，通常不将复现性作为影响 频率准确度的重要因素。 5 热滞后效应 热滞后效应主要是针对温度补偿晶振而言，它对于温补晶振的输出频率会有 不同程度的影响。热滞后效应是指晶体振荡器从低温到高温和从高温到低温的频 率温度曲线没有完全重合【l4 1 。这表明温补晶振在一个完整的静态温度周期里观察 的频率温度特性是不可重复的。计算热滞后效应最简单的方法是只计算一个完整 稳态环境温度测试循环前后+ 2 5 时输出频率的差值。图2 3 给出了温补晶振的热 滞后效应的示意图。 1 2 二级频标的驯服保持技术 图2 3 温补晶振的热滞后效应 6 其他因素 除了以上所讲的各种因素以外，用于空间飞行器的高稳晶振还需要经受振动、 冲击、大剂量辐射照射以及晶体单元能感受到的加速度的变化，这些因素都将对 频率稳定度和准确度指标产生一定的影响。另外压控晶振的调谐点噪声通过影响 调谐灵敏度从而对晶体振荡器的频率稳定度产生影响。调谐灵敏度是线性分析中 最重要的系统级参数，它在调谐范围内变化很大。调谐灵敏度变化很大的锁相环 通常要求增益补偿，以保持一致的性能。调谐灵敏度会因为调谐点噪声而发生变 化。当晶体振荡器用于特殊需要时，这些因素引起的频率变化也是不容忽视的。 2 2 影响因素的分析和比较 以上所提到的各种影响频率准确度和稳定度的因素特性，它们对于频率准确 度和稳定度影响程度是不同的，这要取决于晶体振荡器的具体工作环境。其中温 度和老化是两个最重要的影响因素。如果晶体振荡器工作时的环境温度相对恒定， 老化特性引起的频率误差将会成为影响整个频率源准确度和稳定度的主导因素。 同样地，如果环境温度在短时间架构内有很大的变化，则这段时间内温度将成为 引起晶振频率变化的主导因素，而不是老化。所以各种影响因素对频率准确度和 稳定度的影响程度依具体的工作条件而定。 在之前的章节中，已经提出利用g p s 卫星信号来锁定本地二级频标的内容， 这里将继续引用这个实例。通过g p s 接收机产生的标准秒信号对高稳定度的恒温 晶振进行锁定，一旦g p s 参考信号丢失，高稳晶振将失去与主频率源的联系，处 于失锁状态，其准确度指标将变差并且逐渐偏离正确的值。此时就需要给高稳晶 振提供一个根据工作环境的改变而实时变化的压控电压值去控制其输出频率，以 保证高稳晶振的准确度和稳定度。在这种情况下，温度和老化是影响频率准确度 第二章具有驯服保持功能的二级频标系统的原理方案 1 3 和稳定度的两个最主要因素。因为采用自限幅振荡电路，可以限制石英谐振器两 端的电压，从而流过谐振器的激励电流也就只能在石英谐振器等效电抗变化时才 发生变化。理论上，在最佳激励状态可以获得最好的频率电流特性，因此激励电 平引起的频率变化可以得到最佳的改善。在大多数实际应用中，晶体振荡器是长 期加电工作的，而不需要频繁的开机和关机，这时复现性造成的频率误差是非常 小的，并且只要对晶体适当选型，复现性误差能够进一步降低。只有在经常开关 的工作条件下，尤其是对于在苛刻环境中使用的军用通讯电台，才需要考虑这个 因素指标。热滞后效应则通常是针对温度补偿晶振而言。 铷原子钟的各种频移机制使其对许多环境因素敏感，其中包括磁场、压力、 温度、冲击、加速度、振动、辐射以及电磁干扰等因素。在这些影响铷原子钟长 期性能的因素中，温度往往是最大的而且是最难以克服的。要提高铷原子钟的长 期性能，就必须在产品的制作过程中仔细优化每一个参数，降低铷原子钟的环境 敏感性尤其是温度效应。 随着工艺的改进，某些引起频率值变化的因素都得到了较好的改善，因此温 度和老化是在对二级频标进行驯服保持的整个研究过程中需要重点考虑的影响因 素。 2 - 3 具有驯服保持功能的二级频标系统的原理方案 g p s 定位系统具有高精度、高速度和低成本的显著优点，成为了目前世界上 应用范围最广，实用性最强的精密授时和定位系统。但目前g p s 系统以及g p s 用 户接收机并没有非常直接地给出常用的如5 m h z 、1 0 m h z 标准频率信号。g p s 卫 星上携有的氢钟和铯钟长期短期稳定性虽然都很好，但价格昂贵而且对使用环境 要求高。如果采用高稳晶振来产生参考频率，晶体振荡器会由于温度、老化等因 素产生频率的漂移，因此存在长期稳定性较差的问题i l5 1 。铷钟具有较高的短期稳 定度，可达1 0 - 1 2 ，但其长稳也存在漂移。如果能将两者有机地结合在一起，就能 使它们相互取长补短。 利用卫星定位定时系统远程传输的时间频率信号( 如秒信号) 或者其他手段 来锁定二级频标，将两者的优点结合在一起，能输出高精度的频率信号，其短期 稳定度能保持本地振荡器的水平，并能在本地被控频标上有效地复现接收的标准 时间频率信号的长期稳定度和准确度。这种高精度低成本的标准时间频率信号已 被广泛应用在通讯、电网同步、卫星测控、大地测量和军事等方面【16 1 。通常好的 高稳定度晶体振荡器的日老化率指标能够达到1 0 - 9 到l o _ 1 1 ，在宽温度范围内的温度 一频率影响则可能达到l o 矗到1 0 一o ，经过锁定后的准确度指标很容易达到1 0 - 1 2 量 级。作为二级频标的铷原子频标的漂移率( 月) 是1 0 _ 1 1 ，在宽温度范围内的温度 1 4 二级频标的驯服保持技术 频率影响则可能达到1 0 _ 9 到1 0 q 1 ，锁定后的准确度指标很容易达到1 0 _ 2 量级甚至 更好【l 。而当参考信号丢失，如何继续保持原锁定状态下的准确度和稳定度就成 为了关键性的问题，因此提出了具有驯服保持功能的二级频标系统。 图2 4 是具有驯服保持功能的二级频标系统的原理方案图。本系统中选用标称 频率值为1 0 m h z 的o c x o ，当温度从- - 2 0 变化+ 6 0 ，其频率漂移量为1 0 p p b 甚至更大，老化率系数为0 3 p p b 。整个系统有两种工作模式：一种是锁定模式， 一种是驯服保持模式。在有外接的时间基准信号时，系统工作在锁定模式下，将 g p s 接收机产生的准确的l p p s 信号与本地二级频标分频后得到的秒信号通过时间 间隔测量仪来进行相位比对。时间间隔测量仪的输出量代表两比对信号之间的相 位误差，再通过修正信号量计算器将其转换成频率偏移量，传递给控制电压编 码器产生相应的补偿电压的编码值。最终经d a 输出控制电压提供给o c x o 的压 控端，从而实现调整本地晶振的输出频率到标称频率的目的。 一旦参考信号丢失，二级频标处于失锁状态，整个系统的工作模式将从锁定 模式切换到驯服保持模式，驯服保持模式中又含有两种工作状态：一种是自适应 晶振模型根据锁定状态下计算出的修正信号量以及传感器组采集到的温度和时间 的变化信息，训练出正确的修正信号量的预测值输出，使本地晶振仍能保持高的 准确度和稳定度；另一种是自适应晶振模型中锁定状态下采集到的数据没有训练 完成，将暂时由滑动平均修正量来取代预测修正量输出。 整个系统的工作模式之间的切换将由训练计时控制器模块来控制，当输入的 时间基准信号丢失，系统将从锁定模式切换到驯服保持模式。如果数据的训练时 间此时并没有结束，导致自适应晶振模型暂时无法输出准确的输出频率修正量的 预测值，则选用滑动平均修正量作为修正信号量输出，进而转换成控制电压来调 整输出频率。各模块的具体功能及实现在后续章节会有详细的阐述。 在二级频标运行的不长时间里，其温度的影响大于老化的影响，随时间的延 伸，老化的影响会逐渐累加增大。因此，在一段时间以后，老化对二级频标的影 响会与温度对频率的影响叠加在一起，即不同时间的同一温度下，二级频标的频 率漂移的影响是不相同的，这就是分离温度和老化的依据。在锁定状态下，通过 存储得到的是一个在各种因素影响下的压控电压，其中主要包括温度和老化的影 响混在了一起。因此需要按照温度传感数值和辅助时钟的时间数据把它们的影响 区分开来，再分别计算并且合成给出对频标的控制信号，这将通过自适应晶振模 型来实现。 第二章具有驯服保持功能的二级频标系统的原理方案 1 5 g p s 接收机 厂 上 时间问隔 测量仪 下 分频器 1 0 m h z o c x o 训练计时控制器卜_ - jl 传感器组 修正信号量计算器 翻司一苫 自适应晶 振模型 图2 4 驯服保持技术的原理方案图 将锁定阶段所采集到的数据通过自适应晶振模型中i i r 滤波器和两路并行的 r l s 算法进行参数估测，分离温度和老化因素的影响，更新晶振的老化特性和温 度特性。进入驯服保持模式时，再根据相应的数据合成新的修正信号。在频标的 长期使用过程中其老化特性是一直在变化的，而且频标的温度特性也必须不断地 进行处理，因此二级频标的驯服保持技术需要不断地测量和更新才能保证高精度。 第三章具有驯服保持功能的二级频标系统的硬件设计 1 7 第三章具有驯服保持功能的二级频标系统的硬件设计 3 1 系统硬件组成 具有驯服保持功能的二级频标系统的主要硬件组成包括：1 个1 0 m h z 恒温晶 体振荡器，l 片f p g a ( e p 2 c 3 5 f 4 8 4 ) ，1 片温度传感器( d s l 8 8 2 0 ) ，1 片 d a ( d a c l 2 2 0 ) ，1 片串口电平转换芯片( m a x 3 2 3 2 ) 以及3 个l e d 信号灯。系统的 硬件框图如图3 1 所示，其中f p g a 是整个系统硬件结构的核心。 g p s 接收机产生的 i p p s 信号 图3 1 系统硬件框图 将g p s 接收机产生的标准l p p s 信号通过s m a 接口输入到电路板上f p g a 中， 并将恒温晶体振荡器输出的1 0 m h z 信号以及温度传感器的输出送入f p g a ，经 f p g a 处理后得到相应补偿电压的编码值，通过d a c l 2 2 0 将其转换成对恒温晶体 振荡器的补偿电压。其中分频器、时间间隔测量仪、修正信号量计算器以及训练 计时控制器等功能模块都在f p