面向导航应用的低功耗集成化精密守时关键技术研究

发布时间：2019-09-18 16:31

【摘要】：随着卫星导航定位系统在全球各领域的广泛应用,用户对卫星导航接收机的快速捕获跟踪、高精度定位、高可用性、低功耗和小型化等方面的要求越来越高,尤其是在城市高楼峡谷、涵洞和立交桥等对卫星信号遮挡较为严重的应用环境中,需求更为迫切。卫星导航接收机的基本原理是通过测量卫星信号到达接收机天线的时间实现测距和定位,作为时间测量的核心,接收机的守时性能是影响前述指标的重要因素,因此研究面向导航应用的低功耗集成化精密守时技术,具有重要的工程价值。在这一背景下,论文开展了以下几个方面的研究工作:⑴针对目前在便携式导航设备中常用的AT切石英晶体缺少有效的晶体自测温手段这一问题,提出了针对AT切石英晶体的双晶体双频自测温方法。该方法利用AT切石英晶体的频率-温度特性随晶体切角不同而改变的特点,通过测量两个频率相近但切角不同的AT切石英晶体的频率差反映这两个石英晶体真实温度,避免了独立温度传感器因热时间常数与石英晶体不同带来的测温误差。分析和实验表明,该方法可以实现优于0.4390℃/Hz的测温分辨率,与昂贵复杂的SC切石英晶体泛音双频自测温水平相当。⑵针对目前在便携式导航设备中常用的AT切石英晶体的频率-温度补偿精度偏低这一问题,提出了针对AT切石英晶体的频率-温度复合特性精确建模方法。该方法在深入分析AT切石英晶体在动态温度下频率偏差成因的基础上,建立了频率-动态温度模型,并基于晶体温度变化历史给出了热迟滞效应引起的AT切石英晶体频率偏差公式。分析和实验表明,运用上述两种动态温度对频率特性影响模型,配合双晶体双频自测温法可使AT切石英晶体的频率-温度建模误差由传统的1×10-6左右,降低至5×10-9,达到与昂贵的SC切石英晶体相同的频率-温度建模精度。⑶针对目前基于经典阻抗分析模型设计的高频低功耗石英晶体振荡电路工作电流仍然较大(毫安量级),不利于便携式导航设备的低功耗设计这一难点,提出了基于反馈分析模型的高频低功耗石英晶体振荡电路设计方法。该设计方法以石英晶体反馈起振原理为基础,运用反馈分析模型评估振荡电路功耗,不仅稳态电流分析误差较传统设计方法更小,而且还能量化分析初始起振电流条件,更精确控制起振过程,降低电路功耗。流片实验表明,在深亚微米工艺下,以新设计方法实现的6MHz和12MHz石英晶体振荡电路的稳态振荡电流可降低至1μA以下,相较于过去的研究成果低了3个数量级。⑷针对传统高精度石英晶体守时以温补晶振为中心,导致功耗较大这一缺点,提出了全数字软件化直接温补守时的石英晶体守时技术。通过时间-温度直接补偿和增加待机模式简化了电路结构,避免了传统频率-温度补偿架构电路复杂,功耗大的缺点,可以将守时电路工作电流降低至8.5μA。基于高精度的频率特性模型的补偿算法完全通过全数字的软件修正运算实现,克服了传统架构依靠电路补偿精度受晶体频率拉动能力限制的缺点,守时补偿精度可达5×10-9,媲美SC切石英晶体温补守时精度。⑸针对传统石英晶体振荡器测试系统测试效率低下,且只能记录石英晶体静态温度环境下的频率特性等缺点,提出了石英晶体振荡器并行测试技术并设计了相应的测试系统。该测试技术以直接测频法为基础,具备并行频率测量能力;相应的测试系统可实现至少对100个石英晶振并行进行静态和动态温度环境下的频率特性测试,显著提高了守时电路量产所需的大规模测试能力。论文研究成果直接应用于我国北斗卫星导航系统各类型接收机的研制等相关项目中,解决了目前导航接收机缺少高精度、低功耗、低成本、小型化守时器件的难题,论文研究成果不仅有重要的理论意义,更有重要的工程价值。
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN965.5

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