精密晶体振荡器的稳定度变化特性及改善

发布时间：2020-09-11 19:23

　　当今,“云”时代和5G时代的来临,对频率源的性能指标要求越来越高。在大量的高端频率源中晶体振荡器实际上仍处于相当重要的核心地位,而不是从属地位。为了应对市场快速发展的需求,发展新技术研制更高端的晶体振荡器是一个必然选择。频率稳定度是衡量晶体振荡器性能的关键技术指标。传统的测量频率稳定度方法测频范围局限,无法测量瞬态稳定度,导致频率源的稳定度变化规律不能全面反映,频率源的物理本质也无法体现。已有的提高晶体振荡器频率稳定度的方法,大多通过老化补偿、优化振荡线路和制造工艺等方法来改善,而不是从本质对其研究和改进,因此效果不显著或存在不确定性。随着数字化全频率稳定度测量技术的发展,克服了传统测量技术的局限性,可以实现频率源全响应时间频率稳定度的测量,便于从频率源的本质对其研究和改进。论文的主要贡献如下:1.利用数字化全频率稳定度测量技术,测量了晶体振荡器和铷钟的全响应时间频率稳定度特性,同时利用现有的相位噪声测量系统测量了两者的相位噪声。然后针对测量结果全面分析了晶体振荡器和铷钟的稳定度和相位噪声之间的对应特性,首次建立了全响应时间频率稳定度随时间的变化规律与相位噪声的实际效果一一对应的关系,揭示了频率源相位或者频率控制的本质。并对多种时频装置的稳定度特性进行了深入的探索,晶体振荡器1/?的稳定度变化规律形成了原子钟、DDS等时频装置的稳定度本底,以其为基础的锁相式的频率源的稳定度随时间的变化规律仍保持了1/?,锁频式的频率源则符合1/?~(1/2)。2.基于以上分析结果,为了改善晶体振荡器的稳定度特性,本文提出了一种利用传输延迟高稳定性结合ADC(模数转换器)数字化采集的延迟反馈控制方案。将VCXO的信号经过延时单元后,作为ADC的采样时钟采集未经延时的VCXO的信号,完成信号自标准比对获取信号的相位起伏信息,并将其反馈到VCXO的压控端进行补偿,实现瞬态稳定度的改善。由于晶体振荡器的瞬态到短期稳定度1/?的变化规律保持不变,就可以通过对瞬态稳定度的改善影响到全响应时间频率稳定度特性。理论分析与初步实验结果证明,该延迟反馈补偿方法可以真实反映晶体振荡器的工作特性,可将晶体振荡器的频率稳定度整体提高2~3倍。这种自标准、同源校准的方法,对于提高频率源性能开辟了新思路,具有非常重要的参考价值和进一步的研究价值。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN752
【部分图文】：

曲线,被测信号,曲线

图3.3x sf f f时采样图发现 ADC 得到的数字信号的频率实际为被测信号与采样时钟信。更重要的是，此数字差拍信号的每个采样点的都直接来源于 AD间未掺杂其他运算操作，因此采样点依旧带有信号的原始瞬时相了不丢失原始相位信息的频率变换功能。因此，通过提取 ADC 的瞬时相位信息就能获得原信号的瞬态稳定度。而该测量方法的示的是用 ADC 采集得到的电压转换成的 2 个信号之间相位差的经 ADC 采集后表面上得到的采集数据反映的是被降频后的差拍参数的测量是在时钟支配下的相位变化信息。若以量化相移分辨按顺序重新进行排列重建，那么重建后的数字信号的频率就等于率，ADC 被测信号的重建曲线如图 3.4 所示。其效果相当于对原率的 ADC 进行采样，所以仍然保证了高采样率。

相位噪声,相噪

图3.8 VCXO 和 8607 OCXO 比对的相位噪声8 中横坐标为偏离载频的频率，单位为 Hz，纵坐标为相位噪声，单位远端还是近端相噪指标都要优于 VCXO 的相噪指标，因此图中的示 VCXO 的相噪。图 3.6 可得：VCXO 偏离载频 100mHz~1Hz 相噪曲线变化趋势明

相位噪声,铷原子,相噪,载频

第三章晶体振荡器频率稳定度的测量及分析21图3.11 铷原子钟和 8607 OCXO 比对的相位噪声图 3.11 中横坐标为偏离载频的频率，单位为 Hz，纵坐标为相位噪声，单位为 dBC 。由图可见，偏载波频率在 100mHz~1KHz 范围内 8607 OCXO 的相噪指标优于XHTF1021 铷钟的相噪指标，而偏载波频率在 1KHz 以后，铷原子钟的相噪指标优于8607 OCXO 的相噪指标。因此在 100mHz~1KHz 偏载频跨度间的相噪曲线，为铷原子钟的近端相噪，而1KHz~1MHz偏载频跨度间的曲线则为8607 OCXO的远端相噪。对比图 3.9 可得：铷原子钟偏离载频 100mHz~100Hz 相噪变化趋势明显

【参考文献】