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晶体振荡器保持能力提升的方法研究

晶体振荡器保持能力提升的方法研究

作者：余习凯西安电子科技大学

学位级别：硕士

5G通信产业本身对于频率源的准确度和稳定度的要求很高,使用中国北斗卫星导航系统(Bei Dou Navigation Satellite System,BDS)信号驯服恒温晶体振荡器(Oven Controlled Crystal Oscillator,OCXO)改善恒温晶振输出频率的老化漂移和稳定... 详细信息

5G通信产业本身对于频率源的准确度和稳定度的要求很高,使用中国北斗卫星导航系统(Bei Dou Navigation Satellite System,BDS)信号驯服恒温晶体振荡器(Oven Controlled Crystal Oscillator,OCXO)改善恒温晶振输出频率的老化漂移和稳定漂移的技术是解决部署问题的关键。如何提升恒温晶振在失去锁定后的保持能力成为至关重要的问题。本文研究提升失锁后恒温晶振的保持能力。具体研究内容如下:(1)针对恒温晶振输出频率的老化漂移,本文进行了详细的分析,通过分析使用BP神经网络的传统老化预测算法,提出了一种使用循环神经网络的老化预测算法,利用循环神经网络对序列数据处理能力更强的特点更好的预测恒温晶振的老化漂移。使用恒温晶振的纯老化漂移数据对两种预测算法进行检验,从晶振性能角度衡量两种算法对恒温晶振准确度的改善情况,使用相关系数、卡方系数、残差平方和均值等从数学角度衡量两种算法预测效果,证明了使用循环神经网络的老化预测算法对恒温晶振输出频率老化的预测效果更好,能将频率稳定度＜±0.5 ppb/day的恒温晶振老化漂移改善到频率稳定度＜±0.12 ppb/day。(2)频率数据的测量很容易受到干扰,实验测得的频率数据要经过滤波才能进行后续的处理。本文采用基于拉依达准则剔除粗大误差的方法,处理由于恒温晶振自身的噪声和参考源噪声以及测量设备引入的噪声对频率数据的影响。使用局部加权回归算法处理数据中的噪声,让恒温晶振输出频率保留老化趋势的前提下,满足神经网络对于输入数据光滑度的要求。对于性能参数不同的恒温晶振输出频率数据造成误差＜±2×10 Hz。(3)对多型号恒温晶振的温度特性进行测量,总结现有的恒温晶振特性算法的局限性,提出了一种结合现有算法和基于神经网络温度补偿算法各自优点的算法,将温度补偿误差波动范围从8×10 Hz降到6×10Hz,同时还能保留恒温晶振的老化漂移,建立了全新的恒温晶振温度特性补偿模型。(4)分析了使用单一神经网络同时完成恒温晶振输出频率的老化漂移和温度漂移补偿算法,发现算法无法在非实验室条件下正常工作的缺陷,并用实验证明了缺陷的存在。结合本文提出的老化补偿算法和温度特性补偿算法对恒温晶振综合补偿算法进行改进,并通过仿真证明其可行性。最终将综合补偿算法搭载在硬件系统中,让恒温晶振进入自保持模式,此模式下恒温晶振11小时内的频率漂移由＜±0.72 ppb缩小到<±0.145 ppb。在温度缓慢变化的情况下,频率频率稳定度由未补偿的＜±3 ppb提升到补偿后的＜±0.024 ppb。

关键词：恒温晶体振荡器循环神经网络老化补偿温度补偿

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恒温晶体振荡器调频范围扩展研究

恒温晶体振荡器调频范围扩展研究

作者：刘永波西安电子科技大学

学位级别：硕士

泛音晶体构成的恒温晶体振荡器（OCXO）具有优良的稳定度和老化指标,但是它的压控频率调节范围很窄,常常难以满足同时对上述指标都有较高要求的情况。尤其是高精度OCXO作为精密的可控频率源时,针对相对宽的频率比对范围OCXO需要能够在... 详细信息

泛音晶体构成的恒温晶体振荡器（OCXO）具有优良的稳定度和老化指标,但是它的压控频率调节范围很窄,常常难以满足同时对上述指标都有较高要求的情况。尤其是高精度OCXO作为精密的可控频率源时,针对相对宽的频率比对范围OCXO需要能够在频率上被调试、控制,并且保持良好的频率稳定度、老化指标,这是未经过调频扩展的OCXO无法实现的。本文介绍了根据更宽的频率调节范围内采用对OCXO的控制温度进行调整的方法实现扩展频率范围,让恒温晶体振荡器在几个温度点实现分段恒温。本文中采用可程控电位器代替OCXO中控温电桥中的电阻,然后单片机根据锁相环给出的控制信号来控制可程控电位器输出电阻大小从而改变恒温晶体振荡器的恒温温度。通过改变恒温晶体振荡器的恒温温度使OCXO的输出频率改变,从而达到改变恒温晶体振荡器调频范围的目的。本文采用基于CPLD实现的数字锁相环,本锁相环具有锁定速度快、锁相精度高、锁相范围宽的特点。该锁相环可以判断恒温晶体振荡器和标频之间失锁的情况,在失锁情况下还可以给出表示恒温晶体振荡器和标频之间的频率高低关系的控制信号。利用锁相环给出的失锁控制信号,单片机判断并控制可程控电位器输出电阻值,从而改变恒温晶体振荡器的输出频率,最终达到恒温晶体振荡器和标频之间锁定的目的。该方案不仅保证了恒温晶体振荡器原来的频率稳定度,而且把原来的10-7量级的压控频率调节范围扩大到10-6量级甚至更好。

关键词：恒温晶体振荡器控制温度调整 CPLD 频率稳定度频率调节范围

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高频高稳恒温晶体振荡器设计

宇航计测技术 2020年第1期40卷 46-50,55页

作者：彭慧丽陈金和韩艳菊于德江乔志峰郑鸿耀北京无线电计量测试研究所北京100039

本文采用低频高稳振荡与低噪声倍频相结合的方法,并进行精密控温设计,研制了一种高频高稳恒温晶体振荡器,输出频率为100MHz,短期频率稳定度可以实现2.68E-13/s,2.54E-12/100s,老化率优于7E-11/d,谐波优于-50dBc。经随机振动、冲击和温... 详细信息

本文采用低频高稳振荡与低噪声倍频相结合的方法,并进行精密控温设计,研制了一种高频高稳恒温晶体振荡器,输出频率为100MHz,短期频率稳定度可以实现2.68E-13/s,2.54E-12/100s,老化率优于7E-11/d,谐波优于-50dBc。经随机振动、冲击和温度冲击等环境试验考核,晶振试验前后频率变化均小于±5E-9,可以很好地满足多领域应用对高频高稳定信号源的需求,可靠性高,有利于简化系统构成,缩小设备体积。

关键词：高频短期频率稳定度老化率恒温晶体振荡器

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高可靠高稳定恒温晶体振荡器设计

电子元器件与信息技术 2021年第5期5卷 184-185+190页

作者：刘兰坤王占奎中国电子科技集团公司第十三研究所

本文介绍了一种以宇航应用为目的的100MHz高稳定度恒温晶体振荡器的设计方案。通过对影响晶振短期稳定度因素的理论分析,提出了基于改进型巴特勒振荡电路和高Q值晶体谐振器的高稳定度电路设计方案,同时介绍了高可靠设计性的具体措施。... 详细信息

本文介绍了一种以宇航应用为目的的100MHz高稳定度恒温晶体振荡器的设计方案。通过对影响晶振短期稳定度因素的理论分析,提出了基于改进型巴特勒振荡电路和高Q值晶体谐振器的高稳定度电路设计方案,同时介绍了高可靠设计性的具体措施。该文研制的100MHz高可靠高稳定度恒温晶振体积为38mm×38mm×16mm,相位噪声指标达到-72dBc/Hz@1Hz,-105dBc/Hz@10Hz,-135dBc/Hz@100Hz,阿仑方差指标达到2×10-12/100ms～1s。

关键词：恒温晶体振荡器高可靠短期稳定度低相噪

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一种小型快速稳定恒温晶体振荡器

一种小型快速稳定恒温晶体振荡器

作者：吴海钧电子科技大学

学位级别：硕士

由于恒温晶体振荡器具有低相位噪声指标和高频率温度稳定性的特点,一直是通信系统、雷达系统、导航系统、测控系统等电子系统的首选频率器件,用于为电子系统提供稳定和低噪声的时钟信号。同时,恒温晶体振荡器通常也有两个明显的缺点,一... 详细信息

由于恒温晶体振荡器具有低相位噪声指标和高频率温度稳定性的特点,一直是通信系统、雷达系统、导航系统、测控系统等电子系统的首选频率器件,用于为电子系统提供稳定和低噪声的时钟信号。同时,恒温晶体振荡器通常也有两个明显的缺点,一个是体积大,另一个是启动速度慢。这两个缺点在一定程度上限制了恒温晶体振荡器的应用。本论文研究内容是小型快速稳定恒温晶体振荡器,目的在于减小恒温晶体振荡器的外形尺寸,缩短恒温晶体振荡器的启动速度,以此扩宽恒温晶体振荡器的应用领域。在小型快速稳定性能的前提下,本论文展开了四个方面的工作:首先,对晶体谐振器的特性进行分析,为选择适合小型快速稳定特点的晶体谐振器打下理论基础。其次,对恒温晶体振荡器的振荡电路和控温电路进行研究,为选择适合小型化设计的低噪声振荡电路和适合快速稳定技术的精密控温电路打下理论基础。然后,通过对比分析和计算机仿真,对晶体谐振器的相关性能参数进行研究和确定,并对振荡电路和控温电路的参数进行设计和优化。最后,将全部的设计参数进行整理后,制定小型快速稳定恒温晶体振荡器的技术指标,并制作出具有小型快速稳定特性的恒温晶体振荡器,随后进行测试和分析。从测试结果来看,按照本论文思路研制的小型快速稳定恒温晶体振荡器在10MHz20MHz的工作频率范围内,具有小体积(≤20mm×20mm×11mm)、快速稳定(≤±1×10,1分钟)、优良的频率温度稳定性(≤±5×10,-55℃85℃)、低相位噪声(≤-150dBc/Hz@1kHz)等特点,有效的改进了普通恒温晶体振荡器上所存在的缺点,使得恒温晶体振荡器可以在更多的电子系统和设备中得到应用。

关键词：恒温晶体振荡器小型化快速稳定频率温度稳定性相位噪声

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恒温温补石英晶体振荡器

半导体技术 2013年第2期38卷 122-125页

作者：黎敏强孙敏陈中平王占奎中国电子科技集团公司第十三研究所石家庄050051

提出了一种恒温温补晶振(OCTCXO)的实现方法,该OCTCXO由两部分组成:温度补偿晶体振荡器(TCXO)和恒温槽。TCXO放置在恒温槽中,恒温槽是一个负反馈自动控制系统,当环境温度小于恒温槽设定的温度时,OCTCXO相当于一个恒温晶体振荡器(OCXO);... 详细信息

提出了一种恒温温补晶振(OCTCXO)的实现方法,该OCTCXO由两部分组成:温度补偿晶体振荡器(TCXO)和恒温槽。TCXO放置在恒温槽中,恒温槽是一个负反馈自动控制系统,当环境温度小于恒温槽设定的温度时,OCTCXO相当于一个恒温晶体振荡器(OCXO);当环境温度大于恒温槽设定的温度时,恒温槽停止工作,整个OCTCXO的频率-温度稳定性由TCXO决定,由于OCTCXO最高工作温度与恒温槽设定的温度之间的温度区间很小,使得TCXO在该温度区间内的频率-温度稳定性得到较大的改善,从而提高OCTCXO的频率-温度稳定性。实验结果表明,该OCTCXO标称频率10 MHz,在-40～70℃温度范围内频率-温度稳定性为±1×10-7;最大功耗为1.15 W,常温工作时功耗为410 mW;体积为21.0 mm×13.0 mm×5.1 mm。

关键词：恒温晶体振荡器温度补偿晶体振荡器石英晶体振荡器频率-温度稳定性功耗

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集成恒温晶体振荡器的设计与研究

集成恒温晶体振荡器的设计与研究

作者：赵宏建沈阳工业大学

学位级别：硕士

石英晶体振荡器在控制器、电视、电脑、各种仪器等振荡电路中都有很广泛的应用。石英晶体振荡器在通信系统中为数据处理仪器产生基准的时钟信号。随着现代电子、航空航天测控系统的发展，系统需要有性能越来越好的频率源。频率源不仅要... 详细信息

石英晶体振荡器在控制器、电视、电脑、各种仪器等振荡电路中都有很广泛的应用。石英晶体振荡器在通信系统中为数据处理仪器产生基准的时钟信号。随着现代电子、航空航天测控系统的发展，系统需要有性能越来越好的频率源。频率源不仅要有很高的长期频率稳定性，还要求较高的短期频率稳定性和较低的相位噪声。恒温石英晶体振荡器因为具有较高的频率稳定性等优点，被广泛用于国防、航空航天、卫星导航、移动通信基站、频率计数器等仪器仪表中。本文的核心内容是通过集成电路的设计将恒温晶体振荡器的体积尽可能的缩小，设计了一款恒温晶体振荡器的专用芯片。芯片采用了PTAT技术实现对恒温槽的温度精确检测，将检测的温度与设定的恒定温度比较。当恒温槽的温度低于设定的恒定温度点时，芯片控制加热电阻提供较大的加热功率，当恒温槽的温度高于设定的恒定温度点时，芯片控制加热电阻提供较小的加热功率，从而保证恒温槽稳定在设定温度点。芯片采用PID控制和PWM调制技术实现了稳定的温度控制。芯片设计包括若干模块电路的设计和仿真，整体电路的设计与仿真，芯片版图的绘制。采用中芯国际SMIC0.18um CMOS工艺设计恒温晶体振荡器的各个模块，包括隙基准电压及温度传感器模块，误差放大器，PID控制模块，PWM输出驱动模块，石英晶体振荡器模块。电路仿真使用Cadence中的Spectre工具进行，根据仿真结果对电路进行性能优化。按照版图设计的基本规则，使用Cadence中的Virtuoso工具把每个电路所对应的版图绘制出来，最终完成芯片的版图。通过电路仿真，温度检测的温度灵敏度为12.925mV/℃。在控制温度时，预热功率可到达4W，稳态功率为1.65W。在恒温点附近温度每变化1℃，功率变化0.034W，芯片基本实现了温度控制。

关键词：恒温晶体振荡器专用芯片 PID控制 PWM调制

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极端环境下恒温晶体振荡器的传热过程仿真

宇航计测技术 2024年第1期44卷 76-82页

作者：李纪康彭慧丽于德江郑振荣天津工业大学纺织科学与工程学院天津300387 北京无线电计量测试研究所北京100039

晶体是恒温晶体振荡器的核心部件,需要保持温度恒定不变,外部环境温度的巨大变化必将影响晶振输出频率信号的稳定性。根据恒温晶体振荡器的工作状态和机制,建立其在稳态下传热过程的数学模型,探究晶体在高低温环境下的热稳定性,重点分... 详细信息

晶体是恒温晶体振荡器的核心部件,需要保持温度恒定不变,外部环境温度的巨大变化必将影响晶振输出频率信号的稳定性。根据恒温晶体振荡器的工作状态和机制,建立其在稳态下传热过程的数学模型,探究晶体在高低温环境下的热稳定性,重点分析不同环境温度下功率管输出功率对晶体温度的影响,并利用恒温晶体振荡器实际运行过程中的数据进行验证。结果表明通过仿真得到的数据与实测数据基本一致,当环境温度分别为-40℃、25℃和70℃时,要使稳定后的晶体温度恒定为85℃,相应功率管稳定后的输出功率应为3.95 W、1.42 W和0.74 W。通过调节功率管的输出功率来使晶体在极端环境下达到预设温度并保持恒定,进而使晶振有较高的频率稳定度和较低的相位噪声水平,保证高精度的时钟信号输出。

关键词：恒温晶体振荡器传热性能仿真分析高低温环境

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高性能小型高可靠恒温晶体振荡器的研究

高性能小型高可靠恒温晶体振荡器的研究

作者：秦玉浩西安电子科技大学

学位级别：硕士

本文研究目的在于研制宇航用高可靠、高性能小型恒温晶体振荡器，从而为系统提供更高性能的时钟信号，提高系统乃至整星的性能指标。而体积、重量的减小，对卫星应用有着重要的意义。本文研究标称频率为10MHz的恒温晶振，该频率为常用... 详细信息

本文研究目的在于研制宇航用高可靠、高性能小型恒温晶体振荡器，从而为系统提供更高性能的时钟信号，提高系统乃至整星的性能指标。而体积、重量的减小，对卫星应用有着重要的意义。本文研究标称频率为10MHz的恒温晶振，该频率为常用的频率。本文分析了晶体振荡器的工作原理，从理论的角度阐述了晶体振荡器的组成部分。本课题来源于型号需求，并根据型号需求及未来发展需求，提出研究目标。本文在超低噪声设计、高精度控温系统设计、高可靠性设计三项关键技术研究上取得了突破，在电路设计过程中，利用ADS仿真软件对电路进行了仿真分析和优化，提高了研制效率。根据设计方案研制出两台原理样机，经过测试短期稳定度优于1×10/s，相位噪声也显著降低，达到了-108dBc/Hz@1Hz、-145dBc/Hz@100Hz、-160dBc/Hz@100kHz，在简化恒温槽设计后频率-温度稳定度优于±1×10，样机通过了环境试验，验证了产品设计的可靠性。产品所有性能指标均达到了研究目标，主要指标已经接近国外同类产品的指标。课题的研究成果为解决目前国内宇航用产品的技术瓶颈，进一步开展高性能产品的研制与应用打下了坚实的基础。

关键词：恒温晶体振荡器高可靠高性能小型化