如何使石英晶体振荡器的性能提高.是现在许多晶体制造商都在面临的问题,和需要攻克的难题.虽然如今的晶体振荡器技术已经处于相当不错的水平,但科技日新月异,进展飞快,然而频率元件制造水平,与当代的产品技术有点点差距,一些设计要求非常高,且技术复杂的大型设备和仪器,常常会因为找不到可以满足要求的振荡器,而使计划举步维艰,因此提升石英晶振的性能,并降低产品成本,成为生产厂家们时刻关注的事情.
本文描述了一种用于锁相环的自举技术,以提高振荡器的性能.补偿方案可用于校正老化,预热特性,温度稳定性,短期稳定性和振动引起的相位噪声.与其他多晶振荡器或多振荡器方案不同,这种方法不需要不寻常的机械配置或特殊传感器,振荡器具有锁相功能,可消除低频杂散”拍音”.
一般概念:
图1描绘了普通PLL和可能的自举PLL实现.PLL的校正电压与振荡器解锁时的频率差成正比(假设线性调谐).如果频率差是线性和可重复的外部诱导效应或线性时间相关效应,那么该校正电压可用于产生补偿信号.适当缩放的补偿以相同的极性应用于两个振荡器的电调谐,其自身频率相同.通过自举两个振荡器,锁相环保持不受影响并消除线性扰动.也可以补偿非线性频率扰动,但是补偿信号将需要非线性处理而不是简单缩放.该技术要求两个振荡器对外部影响具有显着不同的灵敏度,但在实践中,通常更容易找到具有不同老化速率,加速度灵敏度或频率跳跃的晶体,而不是找到匹配的晶体.
老化校正:
简单的老化校正系统用作该技术的示例.假设两个锁相振荡器具有每年+2PPM和+5PPM的可预测老化率,并假设其电调谐的调谐灵敏度为每PP0 1PPM.当两个Oscillator锁相时,调谐电压将以每年3伏的速率变化(每年3PPM差异).如果2PPM振荡器是PLL中的主振荡器,则将调谐电压调整-2/3将提供消除参考电压老化所需的校正电压(3x2/3=2伏/年).如果另一个振荡器是参考,那么比例因子将被选择为-5/3.负极性由图2中的求和放大器完成.1.将缩放电压应用于两个振荡器将消除两者的老化而不会干扰PLL.经过一年的运行,2PPM振荡器调谐电压将下降2伏,5PPM振荡器上的电压将下降3+2=5伏.显然,这种技术需要可预测和稳定的老化速率,因此在该应用中具有有限的用途.
振动补偿:
更合适的应用是校正振动引起的相位噪声.夸脱晶体表现出与加速度相关的方向敏感性,导致晶振在存在振动时产生感应相位噪声.早期的补偿方案试图对灵敏度,方向和1A进行建模,虽然这种材料被认为是原始的,但这里提出的概念的原创性是未知的,现有专利可能涵盖了所提出材料的某些部分.

图1:自举PLL降低了振荡器的不稳定性.

图2:自举参考振荡器缓慢移动到新频率而不是跳跃.

晶体的加速度灵敏度矢量与加速度计的共振,但这些系统可能非常复杂.另一种技术安装具有相似灵敏度的晶体,其中加速度矢量指向相反方向.在特殊的振荡器电路中,对振动的敏感性显着降低,但晶体安装和匹配都很困难.自举技术如图2所示.1需要具有不同加速度灵敏度的石英晶振,这是一种容易满足的要求.此外,晶体简单地并排安装,加速度矢量指向相同的方向.如果灵敏度不同,快速PLL的调谐电压将与该差异和振动水平成比例地变化.通过调整该电压并将其应用于两个振荡器,可以降低振动灵敏度.
频率跳跃:
自举PLL的另一个应用是三个振荡器的组合,以减缓许多精密晶体表现出的偶然频率步长.几十亿分之几的突然步骤会破坏某些定时接收器的稳定性.先前的方案在投票安排中将三个自激振荡器与频率鉴别器组合以确定哪个振荡器最接近一致.忽略表现出最大频率偏差的振荡器,并将另外两个振荡器中的一个用于输出.在所提出的自举PLL方案中,三个振荡器是锁相的,并且监视调谐电压以确定哪个振荡器采取了频率步长(图2).
任意选择一个进口晶体振荡器作为主振荡器,选择另一个振荡器作为备用主振荡器.在操作中,主机通过两个PLL控制输出频率.如果主机采用频率步进,则两个PLL都将呈现触发比较器和门的电压阶跃.门控输出切换模拟开关,将备用主控PLL的输出连接到自举输入,取消主机产生的步进.调谐电压AC耦合到比较器中,使得系统仅响应突然的步骤并在一段时间后恢复到标称状态.由于自举电压应用于两个振荡器,因此PLL不受干扰.如果其他两个振荡器中的任何一个采用频率步进,则AND门不会切换,并且主控制器仍处于控制状态.最终结果是平滑主振荡器的频率步长,将它们转换为足够慢的频率漂移,以便定时接收器能够容忍.
如果两个振荡器被调谐相同的量,则锁相环可以在频率上移位而不会干扰环路.所提出的技术从PLL的调谐电压中提取关于不期望的振荡器行为的信息,并且引导两个SPXO晶体振荡器以减少行为.自举技术可以找到其他应用,包括与环路无关的FM调制和慢速环路和多环系统的快速调谐.

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