一種寬頻率調節的精密OCXO

白麗娜,周 渭,任軍旗

(西安電子科技大學機電工程學院,陜西西安 710071)

一種寬頻率調節的精密OCXO

白麗娜,周 渭,任軍旗

(西安電子科技大學機電工程學院,陜西西安 710071)

在精密標準頻率控制儀器中,常常需要既能在寬頻率范圍調節又能夠保持高頻率穩定度和低相位噪聲的可控晶體振蕩器.為了實現寬頻率范圍調節,不得不采用拉動性好但是穩定度和老化率較差的基頻晶體振蕩器.雖然基于SC切泛音晶體的高精度恒溫控制晶體振蕩器(OCXO)顯現出非常高的頻率穩定度和低老化率,但是它的電壓控制頻率調節范圍很窄,無法在鎖相受控的情況下使用.針對更寬的頻率調節范圍,筆者提出一種新的方法,即通過對溫度控制來調節OCXO的頻率.所有精密OCXO的良好性能都可以保持下來,同時,原來的10-7量級電壓可控頻率范圍提高到5×10-6量級或者更寬.這樣就能夠在需要長期穩定鎖定的頻率源,如星載的原子鐘中得到應用,保證了系統穩定優良的指標.

恒溫控制晶體振蕩器;頻率穩定度;溫度控制;寬頻率范圍可調

現代頻率控制對于高穩定度、低相噪、適合于寬頻率范圍調節和鎖定的晶體振蕩器的需求越來越迫切.目前這種振蕩器已經廣泛用于長期工作的頻標系統、具有微調功能且可調分辨率更高的頻率合成器和一些功能特殊的頻率信號處理器中.如相位噪聲測量鎖相源不僅應該顯示出良好的相位噪聲特征和高穩定度,同時振蕩器的參考信號應該被另一個在相關頻率寬度范圍變化的主源穩定地鎖定.

泛音晶體的頻率穩定度比基頻晶體要好,SC切晶體振蕩器的頻率穩定度要比AT切晶體振蕩器好.所以,如果要同時獲得良好的頻率穩定度和低老化率特性,選擇SC切泛音晶體振蕩器更合適.但是,SC切晶體振蕩器的頻率拉動特性差.大量的實驗表明,電壓控制高精度恒溫控制晶體振蕩器(Oven-Controlled Crystal Oscillator,OCXO)頻率調節范圍只能達到10-7數量級,這在某些需要較寬頻率控制范圍的領域確實會受到限制[1-2].針對這一問題,目前廣泛使用的是π網格法,但是這會降低整個電路的Q值,并且會對頻率穩定度造成極大影響.目前認為,高穩定性和寬的可調范圍是很難兼顧的,因此,也成為頻率控制設備難以處理的難題.但是,泛音晶體頻率隨溫度值的改變在其零溫度系數點和室溫間可以達到10-5數量級.晶體設備對溫度的改變非常敏感,一方面需要使用多種溫度控制和補償方法來降低或消除溫度效應;另一方面,出于低噪聲指標和頻率調節可以在較寬范圍內實現(該要求不容易實現)的需求,也可以對溫度的調節用來幫助調節頻率,同時該方法可以兼顧到各方面要求[3-4].

1 泛音晶體OCXO的基本鎖定實驗

OCXO的溫度是通過電橋(包括一個熱敏電阻Rt)來采集的,如圖1所示.當Rx的阻值改變時,電橋需要在新的溫度條件下保持平衡.因為熱敏電阻的阻值與溫度直接相關,所以OCXO的溫度可以通過Rx阻值來改變.

圖1 OCXO溫度控制電橋

當一個特定的SC切高穩定度OCXO用來測試溫度對其頻率影響時,它就可以用于寬頻率調節.晶體在零溫度系數點時尤其能顯現出較高頻率.在25℃時和其零溫度系數點它顯現出不同的頻率分別是9.999 882 6MHz和10.000 023 2MHz.室溫即啟動溫度為25℃,在零溫度系數點可以按照要求選擇,如85℃.該實驗表明,從室溫到轉折點,頻率改變可以達到1.4×10-5.

高精度OCXO用于鎖相振蕩器時并不需要直接輸出精確的頻率信號,而是為了使用其基于鎖相控制的高精度OCXO優良特性[5].在進一步的試驗中,通過改變SC切OCXO溫控電路中的電橋電阻來改變溫度,同時也測量振蕩器的頻率穩定度.實驗結果如表1所示.

表1 OCXO在不同電橋電阻時的穩定度

當OCXO頻率隨著溫度改變時,頻率穩定度也會相應發生改變.OCXO采用恒溫的方式使得在一個頻率范圍內可以改良其頻率偏差,但其秒級穩定度卻沒有在零溫度系數點時好.進一步的實驗顯示,當OCXO被鎖定于另一個精確穩定的參考信號時,其短期穩定度明顯得以改良,這是因為通過使用鎖相技術克服了溫度引起的頻移波動[6].

根據需求分析,通過使用這種驗證方法,在一個較寬范圍內可以對頻率進行鎖定和調節.通過調節溫度,可以獲得一個較寬的調節范圍.OCXO頻率被在窄頻率范圍調整的HP8662A(合成信號發生器)鎖定而輸出不同頻率.其原理圖如圖2所示.HP8662A的窄頻率范圍變化(小于10-5)用來調節頻率,它使得輸出頻率為10MHz±100 Hz.相位比較器通過比相鎖定恒溫晶體振蕩器,在不同頻率下實現HP8662A輸出對OCXO的相位比對和鎖定控制.標準頻率比較器用于測量恒溫晶體振蕩器的短期穩定度.

圖2 一個溫度調節OCXO的頻率鎖定實驗

實驗結果如表2所示.從表2可以看出,當電橋電阻改變時,OCXO頻率也發生改變.當將其鎖定到HP8662A的頻率上時,OCXO頻率穩定度幾乎未發生改變.在實驗中可以看到其始終是10-12/s數量級.因此,當其未被鎖定時,該方法可能對頻率穩定度造成影響;在鎖定以后,其影響得以顯著的改善.使用該方法, OCXO的Q值并沒有受到影響,其頻率和相位被主振蕩器鎖定,在鎖定后該OCXO穩定度并沒有發生改變.所以,它能滿足精確鎖相環(Phase Locked Loop,PLL)的要求.

表2 HP8662A鎖定在不同電橋電阻時的10MHz OCXO頻率穩定度

高穩定度OCXO作為一種精密的PLL來鎖定不同頻率信號,一方面是為了確保OCXO和主鎖定信號間保持嚴格的頻率相關性,另一方面也是為了確保良好的頻率穩定度和相位噪聲特性[7].從實驗可知,高穩定度OCXO調節范圍可以擴展到甚至比5×10-6更寬,同時輸出信號的穩定度也像前面一樣是10-12數量級.

在實際應用方面,基于這一原理的大量設計已經得以實現.一個基于微處理器或現場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)的簡單頻率比對器可以用來判決PLL OCXO的頻率,或者搜索微處理器中OCXO的頻率-溫度數據來改變電橋電阻.OCXO的頻率可以通過溫度調節到預期值附近,然后再通過鎖相來鎖定到所要求的頻率.這里某些電路可以共享相同的系統.

2 基于溫度控制的高精度寬頻率調節OCXO方法

高穩定OCXO頻率和可控電橋電阻間關系的值可以預先測量,相關的數據可以存儲在微處理器內存中.OCXO頻率在沒有被鎖定前可以通過一個簡單設備或模擬的方法獲得,根據測量結果OCXO可以通過改變在它內部的程控電位器阻值來改變它的溫度.該頻率能被壓控至指定的頻率,然后在一個PLL中,它將會鎖定參考信號[8].其原理圖如圖3所示.

圖3 OCXO溫度頻率控制原理圖

溫度變化可以用于SC切晶體諧振器頻率調節,如圖4所示.圖4中,Δt/f為時間差與頻率比,ΔT為溫度差.

基于上述原理,筆者制作了部分樣品.溫度頻率控制可以通過使用不同系統硬件和部分軟件源實現.通過該方式,不僅可以在一個較寬頻率范圍內實現高精度鎖相,還可以確保良好的短期穩定度、相位噪聲和老化率特性.類似于上述基本實驗,好的短期穩定度、相位噪聲和日老化率都得以維持,老化率值可以達到10-10～10-12數量級.因此,為了得到精密PLL,使用泛音晶體振蕩器調節振蕩器溫控是非常有價值的.該方法可以確保類似的星載原子鐘等長時間可靠工作.

圖4 SC切晶體諧振器頻率通過溫度變動來調節

3 結束語

筆者提出了一種通過OCXO溫度控制來擴展其頻率調節范圍的方法,該方法不會影響OCXO頻率穩定度和老化率.在使用精密PLL振蕩器和壓控恒溫晶振(VCOCXO)的商用原子頻標方面,該方法非常有效.尤其是作為大量發展中的精密頻率控制儀器,要求兼顧標準頻率的可調頻率范圍又要保證其好的噪聲指標等,這是一種很有效的途徑.和目前的鎖相源不得不使用的基頻晶體振蕩器構成的系統相比,這種方法的總體指標獲得了明顯的提高.目前在需要長期工作的星載及無人值守的頻率控制系統中,為了保證設備的長期穩定的鎖定工作,不得不通過降低器件的Q值而低指標地使用被鎖源.與此相比,文中方法確實是一種很有實用價值的新穎的途徑.

[1]劉永波.恒溫晶體振蕩器調頻范圍擴展研究[D].西安:西安電子科技大學,2009.

[2]張雪萍,周渭,李智奇,等.周期性信號之間的相位量子特征及其應用[J].西安電子科技大學學報,2012,39(5):181-185.

Zhang Xueping,Zhou Wei,Li Zhiqi,et al.Phase Quantum and Its Application between Periodic Signals[J].Journal of Xidian University,2012,39(5):181-185.

[3]宣宗強,孫小莉,劉晨,等.衛星同步時鐘的設計[J].西安電子科技大學學報,2013,40(4):125-129.

Xuan Zhongqiang,Sun Xiaoli,Liu Chen,et al.Design of the Satellite Synchronized Clock[J].Journal of Xidian University,2013,40(4):125-129.

[4]白麗娜,周渭,惠新明,等.頻率標準瞬態穩定度的精密測量[J].西安電子科技大學學報,2014,41(2):126-132.

Bai Lina,Zhou Wei,Hui Xinming,et al.Transient Stability Precision Measurement of Frequency Standards[J].Journal of Xidian University,2014,41(2):126-132.

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[6]Reddy M B,Swarna S,Priskala,et al.High Frequency OCXO for Space Applications[C]//IEEE International Frequency Control Symposium.Piscataway:IEEE,2012:239-243.

[7]Li Zhiqi,Zhou Wei,Chen Faxi,et al.A Super-high Resolution Frequency Standard Measuring Approach Based on Phase Coincidence Characteristics between Signals[J].Chinese Physics B,2010,19(9):090601.

[8]Boroditsky R,Gomez J.Testing Phase Noise of Ultra Low Phase Noise OCXO—Challenges and Solutions[C]//IEEE International Frequency Control Symposium.Piscataway:IEEE,2012:512-516.

(編輯:李恩科)

Wide frequency-regulated precision OCXO

BAI Lina,ZHOU Wei,REN Junqi
(School of Mechano-electronic Engineering,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China)

When precision standard frequency control devices are used,we always need controllable crystal oscillators that not only can be regulated in a wide frequency range,but also can maintain high frequency stability and low phase noise.In order to realize the wide frequency range,we have to use the crystal oscillator which shows good pull ups,but at the same time poor frequency stabilities and aging.High precision Oven-Controlled Crystal Oscillator(OCXO)based on SC cut overtone crystals can show very high frequency stability and low aging.However,its frequency regulation range by voltage control is not wide. When it is phase locked and controllable,it can not be used.In connection with a wider frequency regulation range,a new method is proposed through the regulation of the control temperature of the OCXO.In this way,all the good performances of the precision OCXO can be kept,and the original 10-7order voltagecontrollable frequency range is improved to 5×10-6or even wider at the same time.Then it can be used in the frequency source which needs to be stably locked for a long time such as an on-board atomic clock,to ensure the stable and excellent indexes of the system.

oven-controlled crystal oscillator;frequency stability;temperature control;wide frequency range

TM935.11

A

1001-2400(2014)05-0203-04

2014-03-14

國家自然科學基金資助項目(61201288,10978017);西安市科技計劃資助項目(CXY1351(6));中國科學院精密導航定位與定時技術重點實驗室基金資助項目(2012PNTT05);宇航動力學國家重點實驗室開放基金資助項目(2013ADL-DW0402)

白麗娜(1964-),女,副教授,E-mail:bailina168@163.com.

10.3969/j.issn.1001-2400.2014.05.034