基于比时法的晶振频率测量建模与分析

1、基于比时法的晶振频率测量建模与分析作者:李二鹏文开章汪为伟来源:现代电子技术2010年第03期摘要:受器件老化、随机噪声等因素影响,晶振频率变化较复杂。以GPS秒脉冲作为测量标准,构建了晶振频率随时间变化的测量系统,通过对测量数据进行一元回归统计处理,分离出了晶振实际频率与其标称频率的相对偏差及晶振的各种随机误差,并分析了这两种误差对晶振准确度及稳定度的影响。该方法可为频率源误差测量分析提供借鉴作用。关键词:GPS;晶振;频率;误差;回归分析中图分类号:TM930 文献标识码:A文章编号:1004-373X(201003-119-03Modeling and Analysis of Cryst

2、al-oscillator Frequency Based on Measuring TimeLI Erpeng,WEN Kaizhang,WANG Weiwei(Northwest Institute of Nuclear Technology,Xian,710024,ChinaAbstract:The characteristics of oscillator frequency error are very complex owing to the aging and stochastic noise.The system measure model of crystal oscilla

3、tor frequency error is designed with GPS as frequency standard.A method of regression analysis is used for disposing the oscillator frequency error data and separating the linearity excursion error from the stochastic error.Both two errors are analyzed in contribution of the crystal oscillator stabi

4、lization and precision.This mean is provided with reference in frequency criterion error of measure and analysis.Keywords:GPS;crystal-oscillator;frequency;error;regression analysis0 引言石英晶体振荡器受制造工艺、器件老化以及外部温度等因素影响,其实际频率值与标称频率值存在偏差。此外,晶体振荡器内部存在着各种噪声也会使频率值产生随机起伏,从而导致晶振频率的准确度和稳定度降低。当前,国内外在研究晶体振荡器的老化和随机噪

5、声、分析晶振频率误差特性方面提出了很多方法,比较常见的有时间对数线性模型法、自适应滤波法及非线性时变预测法。前两种方法的缺点是参数较多,选择合适的参数较难1,2,非线性时变预测法的模型描述能力强,但由于没有函数参数的显式表达式,不能将模型求解归结为参数求解问题,一般通过学习来逼近该函数,主要用于频率变化的预测3。在上述方法的基础上,本文利用CPLD设计了一种电路,该电路采用比时法4,5来测量晶振频率变化,并根据其频率随时间变化拟合曲线的特点,用线性回归法分析其频率误差特性。该方法模型简单,参数易于估计,可通过简洁的补偿方法消除晶振相对频偏,具有实际的应用价值。1 晶振频率测量系统组成测量系统由

6、GPS接收机、晶振、时差测量模块、时钟产生模块、计算机数据采集处理组成。组成原理如图1所示。图1 测量系统组成GPS接收机每秒输出1路TTL电平的标准秒脉冲(1 PPS,晶振是时差测量和时钟产生的频率源。时钟产生电路产生本地秒脉冲。时差测量电路测量GPS秒脉冲与本地秒脉冲的相位差值。采用比时法测量晶振频率的系统工作原理如下:首先由晶振分频得到本地的1 Hz频率源,将GPS秒脉冲与本地晶振秒脉冲送入时差测量模块进行相位比较,得到两者的相位差信号,设计时间间隔计数器6对此相差闸门信号计数,计数值即为晶振频率相对于标准频率的偏差,反映了晶振频率的误差特征。时间间隔计数器每秒测量一次两者的偏差值,需要测量的频差数据量由计算机设定,测量结果传送到计算机进行数据统计,并对晶振频率误差特性进行分析。本地时钟产生、时差测量及数据采集电路模块等都由CPLD设计实现7,8。2 模型建立实验以GPS秒脉冲作为标准参考信号,采用比时法对晶振的输出频率进行测量。按照建立的测量系统,实际对某一晶振采集到30个计数值,如表1所示。表1 实