怎樣利用鎖相環(huán)的自舉技術(shù)提升振蕩器性能
來源：http://m.djbyg.com 作者：金洛鑫電子 2019年08月14
如何使石英晶體振蕩器的性能提高.是現(xiàn)在許多晶體制造商都在面臨的問題,和需要攻克的難題.雖然如今的晶體振蕩器技術(shù)已經(jīng)處于相當(dāng)不錯(cuò)的水平,但科技日新月異,進(jìn)展飛快,然而頻率元件制造水平,與當(dāng)代的產(chǎn)品技術(shù)有點(diǎn)點(diǎn)差距,一些設(shè)計(jì)要求非常高,且技術(shù)復(fù)雜的大型設(shè)備和儀器,常常會(huì)因?yàn)檎也坏娇梢詽M足要求的振蕩器,而使計(jì)劃舉步維艱,因此提升石英晶振的性能,并降低產(chǎn)品成本,成為生產(chǎn)廠家們時(shí)刻關(guān)注的事情.
本文描述了一種用于鎖相環(huán)的自舉技術(shù),以提高振蕩器的性能.補(bǔ)償方案可用于校正老化,預(yù)熱特性,溫度穩(wěn)定性,短期穩(wěn)定性和振動(dòng)引起的相位噪聲.與其他多晶振蕩器或多振蕩器方案不同,這種方法不需要不尋常的機(jī)械配置或特殊傳感器,振蕩器具有鎖相功能,可消除低頻雜散”拍音”.
一般概念:
圖1描繪了普通PLL和可能的自舉PLL實(shí)現(xiàn).PLL的校正電壓與振蕩器解鎖時(shí)的頻率差成正比(假設(shè)線性調(diào)諧).如果頻率差是線性和可重復(fù)的外部誘導(dǎo)效應(yīng)或線性時(shí)間相關(guān)效應(yīng),那么該校正電壓可用于產(chǎn)生補(bǔ)償信號(hào).適當(dāng)縮放的補(bǔ)償以相同的極性應(yīng)用于兩個(gè)振蕩器的電調(diào)諧,其自身頻率相同.通過自舉兩個(gè)振蕩器,鎖相環(huán)保持不受影響并消除線性擾動(dòng).也可以補(bǔ)償非線性頻率擾動(dòng),但是補(bǔ)償信號(hào)將需要非線性處理而不是簡單縮放.該技術(shù)要求兩個(gè)振蕩器對外部影響具有顯著不同的靈敏度,但在實(shí)踐中,通常更容易找到具有不同老化速率,加速度靈敏度或頻率跳躍的晶體,而不是找到匹配的晶體.
老化校正:
簡單的老化校正系統(tǒng)用作該技術(shù)的示例.假設(shè)兩個(gè)鎖相振蕩器具有每年+2PPM和+5PPM的可預(yù)測老化率,并假設(shè)其電調(diào)諧的調(diào)諧靈敏度為每PP0 1PPM.當(dāng)兩個(gè)Oscillator鎖相時(shí),調(diào)諧電壓將以每年3伏的速率變化(每年3PPM差異).如果2PPM振蕩器是PLL中的主振蕩器,則將調(diào)諧電壓調(diào)整-2/3將提供消除參考電壓老化所需的校正電壓(3x2/3=2伏/年).如果另一個(gè)振蕩器是參考,那么比例因子將被選擇為-5/3.負(fù)極性由圖2中的求和放大器完成.1.將縮放電壓應(yīng)用于兩個(gè)振蕩器將消除兩者的老化而不會(huì)干擾PLL.經(jīng)過一年的運(yùn)行,2PPM振蕩器調(diào)諧電壓將下降2伏,5PPM振蕩器上的電壓將下降3+2=5伏.顯然,這種技術(shù)需要可預(yù)測和穩(wěn)定的老化速率,因此在該應(yīng)用中具有有限的用途.
振動(dòng)補(bǔ)償:
更合適的應(yīng)用是校正振動(dòng)引起的相位噪聲.夸脫晶體表現(xiàn)出與加速度相關(guān)的方向敏感性,導(dǎo)致晶振在存在振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)相位噪聲.早期的補(bǔ)償方案試圖對靈敏度,方向和1A進(jìn)行建模,雖然這種材料被認(rèn)為是原始的,但這里提出的概念的原創(chuàng)性是未知的,現(xiàn)有專利可能涵蓋了所提出材料的某些部分.
圖1:自舉PLL降低了振蕩器的不穩(wěn)定性.
頻率跳躍:
自舉PLL的另一個(gè)應(yīng)用是三個(gè)振蕩器的組合,以減緩許多精密晶體表現(xiàn)出的偶然頻率步長.幾十億分之幾的突然步驟會(huì)破壞某些定時(shí)接收器的穩(wěn)定性.先前的方案在投票安排中將三個(gè)自激振蕩器與頻率鑒別器組合以確定哪個(gè)振蕩器最接近一致.忽略表現(xiàn)出最大頻率偏差的振蕩器,并將另外兩個(gè)振蕩器中的一個(gè)用于輸出.在所提出的自舉PLL方案中,三個(gè)振蕩器是鎖相的,并且監(jiān)視調(diào)諧電壓以確定哪個(gè)振蕩器采取了頻率步長(圖2).
任意選擇一個(gè)進(jìn)口晶體振蕩器作為主振蕩器,選擇另一個(gè)振蕩器作為備用主振蕩器.在操作中,主機(jī)通過兩個(gè)PLL控制輸出頻率.如果主機(jī)采用頻率步進(jìn),則兩個(gè)PLL都將呈現(xiàn)觸發(fā)比較器和門的電壓階躍.門控輸出切換模擬開關(guān),將備用主控PLL的輸出連接到自舉輸入,取消主機(jī)產(chǎn)生的步進(jìn).調(diào)諧電壓AC耦合到比較器中,使得系統(tǒng)僅響應(yīng)突然的步驟并在一段時(shí)間后恢復(fù)到標(biāo)稱狀態(tài).由于自舉電壓應(yīng)用于兩個(gè)振蕩器,因此PLL不受干擾.如果其他兩個(gè)振蕩器中的任何一個(gè)采用頻率步進(jìn),則AND門不會(huì)切換,并且主控制器仍處于控制狀態(tài).最終結(jié)果是平滑主振蕩器的頻率步長,將它們轉(zhuǎn)換為足夠慢的頻率漂移,以便定時(shí)接收器能夠容忍.
如果兩個(gè)振蕩器被調(diào)諧相同的量,則鎖相環(huán)可以在頻率上移位而不會(huì)干擾環(huán)路.所提出的技術(shù)從PLL的調(diào)諧電壓中提取關(guān)于不期望的振蕩器行為的信息,并且引導(dǎo)兩個(gè)SPXO晶體振蕩器以減少行為.自舉技術(shù)可以找到其他應(yīng)用,包括與環(huán)路無關(guān)的FM調(diào)制和慢速環(huán)路和多環(huán)系統(tǒng)的快速調(diào)諧.
本文描述了一種用于鎖相環(huán)的自舉技術(shù),以提高振蕩器的性能.補(bǔ)償方案可用于校正老化,預(yù)熱特性,溫度穩(wěn)定性,短期穩(wěn)定性和振動(dòng)引起的相位噪聲.與其他多晶振蕩器或多振蕩器方案不同,這種方法不需要不尋常的機(jī)械配置或特殊傳感器,振蕩器具有鎖相功能,可消除低頻雜散”拍音”.
一般概念:
圖1描繪了普通PLL和可能的自舉PLL實(shí)現(xiàn).PLL的校正電壓與振蕩器解鎖時(shí)的頻率差成正比(假設(shè)線性調(diào)諧).如果頻率差是線性和可重復(fù)的外部誘導(dǎo)效應(yīng)或線性時(shí)間相關(guān)效應(yīng),那么該校正電壓可用于產(chǎn)生補(bǔ)償信號(hào).適當(dāng)縮放的補(bǔ)償以相同的極性應(yīng)用于兩個(gè)振蕩器的電調(diào)諧,其自身頻率相同.通過自舉兩個(gè)振蕩器,鎖相環(huán)保持不受影響并消除線性擾動(dòng).也可以補(bǔ)償非線性頻率擾動(dòng),但是補(bǔ)償信號(hào)將需要非線性處理而不是簡單縮放.該技術(shù)要求兩個(gè)振蕩器對外部影響具有顯著不同的靈敏度,但在實(shí)踐中,通常更容易找到具有不同老化速率,加速度靈敏度或頻率跳躍的晶體,而不是找到匹配的晶體.
老化校正:
簡單的老化校正系統(tǒng)用作該技術(shù)的示例.假設(shè)兩個(gè)鎖相振蕩器具有每年+2PPM和+5PPM的可預(yù)測老化率,并假設(shè)其電調(diào)諧的調(diào)諧靈敏度為每PP0 1PPM.當(dāng)兩個(gè)Oscillator鎖相時(shí),調(diào)諧電壓將以每年3伏的速率變化(每年3PPM差異).如果2PPM振蕩器是PLL中的主振蕩器,則將調(diào)諧電壓調(diào)整-2/3將提供消除參考電壓老化所需的校正電壓(3x2/3=2伏/年).如果另一個(gè)振蕩器是參考,那么比例因子將被選擇為-5/3.負(fù)極性由圖2中的求和放大器完成.1.將縮放電壓應(yīng)用于兩個(gè)振蕩器將消除兩者的老化而不會(huì)干擾PLL.經(jīng)過一年的運(yùn)行,2PPM振蕩器調(diào)諧電壓將下降2伏,5PPM振蕩器上的電壓將下降3+2=5伏.顯然,這種技術(shù)需要可預(yù)測和穩(wěn)定的老化速率,因此在該應(yīng)用中具有有限的用途.
振動(dòng)補(bǔ)償:
更合適的應(yīng)用是校正振動(dòng)引起的相位噪聲.夸脫晶體表現(xiàn)出與加速度相關(guān)的方向敏感性,導(dǎo)致晶振在存在振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)相位噪聲.早期的補(bǔ)償方案試圖對靈敏度,方向和1A進(jìn)行建模,雖然這種材料被認(rèn)為是原始的,但這里提出的概念的原創(chuàng)性是未知的,現(xiàn)有專利可能涵蓋了所提出材料的某些部分.
圖1:自舉PLL降低了振蕩器的不穩(wěn)定性.
圖2:自舉參考振蕩器緩慢移動(dòng)到新頻率而不是跳躍.
晶體的加速度靈敏度矢量與加速度計(jì)的共振,但這些系統(tǒng)可能非常復(fù)雜.另一種技術(shù)安裝具有相似靈敏度的晶體,其中加速度矢量指向相反方向.在特殊的振蕩器電路中,對振動(dòng)的敏感性顯著降低,但晶體安裝和匹配都很困難.自舉技術(shù)如圖2所示.1需要具有不同加速度靈敏度的石英晶振,這是一種容易滿足的要求.此外,晶體簡單地并排安裝,加速度矢量指向相同的方向.如果靈敏度不同,快速PLL的調(diào)諧電壓將與該差異和振動(dòng)水平成比例地變化.通過調(diào)整該電壓并將其應(yīng)用于兩個(gè)振蕩器,可以降低振動(dòng)靈敏度.頻率跳躍:
自舉PLL的另一個(gè)應(yīng)用是三個(gè)振蕩器的組合,以減緩許多精密晶體表現(xiàn)出的偶然頻率步長.幾十億分之幾的突然步驟會(huì)破壞某些定時(shí)接收器的穩(wěn)定性.先前的方案在投票安排中將三個(gè)自激振蕩器與頻率鑒別器組合以確定哪個(gè)振蕩器最接近一致.忽略表現(xiàn)出最大頻率偏差的振蕩器,并將另外兩個(gè)振蕩器中的一個(gè)用于輸出.在所提出的自舉PLL方案中,三個(gè)振蕩器是鎖相的,并且監(jiān)視調(diào)諧電壓以確定哪個(gè)振蕩器采取了頻率步長(圖2).
任意選擇一個(gè)進(jìn)口晶體振蕩器作為主振蕩器,選擇另一個(gè)振蕩器作為備用主振蕩器.在操作中,主機(jī)通過兩個(gè)PLL控制輸出頻率.如果主機(jī)采用頻率步進(jìn),則兩個(gè)PLL都將呈現(xiàn)觸發(fā)比較器和門的電壓階躍.門控輸出切換模擬開關(guān),將備用主控PLL的輸出連接到自舉輸入,取消主機(jī)產(chǎn)生的步進(jìn).調(diào)諧電壓AC耦合到比較器中,使得系統(tǒng)僅響應(yīng)突然的步驟并在一段時(shí)間后恢復(fù)到標(biāo)稱狀態(tài).由于自舉電壓應(yīng)用于兩個(gè)振蕩器,因此PLL不受干擾.如果其他兩個(gè)振蕩器中的任何一個(gè)采用頻率步進(jìn),則AND門不會(huì)切換,并且主控制器仍處于控制狀態(tài).最終結(jié)果是平滑主振蕩器的頻率步長,將它們轉(zhuǎn)換為足夠慢的頻率漂移,以便定時(shí)接收器能夠容忍.
如果兩個(gè)振蕩器被調(diào)諧相同的量,則鎖相環(huán)可以在頻率上移位而不會(huì)干擾環(huán)路.所提出的技術(shù)從PLL的調(diào)諧電壓中提取關(guān)于不期望的振蕩器行為的信息,并且引導(dǎo)兩個(gè)SPXO晶體振蕩器以減少行為.自舉技術(shù)可以找到其他應(yīng)用,包括與環(huán)路無關(guān)的FM調(diào)制和慢速環(huán)路和多環(huán)系統(tǒng)的快速調(diào)諧.
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