一种宽频率调节的精密OCXO

白丽娜,周 渭,任军旗

(西安电子科技大学机电工程学院,陕西西安 710071)

一种宽频率调节的精密OCXO

白丽娜,周 渭,任军旗

(西安电子科技大学机电工程学院,陕西西安 710071)

在精密标准频率控制仪器中,常常需要既能在宽频率范围调节又能够保持高频率稳定度和低相位噪声的可控晶体振荡器.为了实现宽频率范围调节,不得不采用拉动性好但是稳定度和老化率较差的基频晶体振荡器.虽然基于SC切泛音晶体的高精度恒温控制晶体振荡器(OCXO)显现出非常高的频率稳定度和低老化率,但是它的电压控制频率调节范围很窄,无法在锁相受控的情况下使用.针对更宽的频率调节范围,笔者提出一种新的方法,即通过对温度控制来调节OCXO的频率.所有精密OCXO的良好性能都可以保持下来,同时,原来的10-7量级电压可控频率范围提高到5×10-6量级或者更宽.这样就能够在需要长期稳定锁定的频率源,如星载的原子钟中得到应用,保证了系统稳定优良的指标.

恒温控制晶体振荡器;频率稳定度;温度控制;宽频率范围可调

现代频率控制对于高稳定度、低相噪、适合于宽频率范围调节和锁定的晶体振荡器的需求越来越迫切.目前这种振荡器已经广泛用于长期工作的频标系统、具有微调功能且可调分辨率更高的频率合成器和一些功能特殊的频率信号处理器中.如相位噪声测量锁相源不仅应该显示出良好的相位噪声特征和高稳定度,同时振荡器的参考信号应该被另一个在相关频率宽度范围变化的主源稳定地锁定.

泛音晶体的频率稳定度比基频晶体要好,SC切晶体振荡器的频率稳定度要比AT切晶体振荡器好.所以,如果要同时获得良好的频率稳定度和低老化率特性,选择SC切泛音晶体振荡器更合适.但是,SC切晶体振荡器的频率拉动特性差.大量的实验表明,电压控制高精度恒温控制晶体振荡器(Oven-Controlled Crystal Oscillator,OCXO)频率调节范围只能达到10-7数量级,这在某些需要较宽频率控制范围的领域确实会受到限制[1-2].针对这一问题,目前广泛使用的是π网格法,但是这会降低整个电路的Q值,并且会对频率稳定度造成极大影响.目前认为,高稳定性和宽的可调范围是很难兼顾的,因此,也成为频率控制设备难以处理的难题.但是,泛音晶体频率随温度值的改变在其零温度系数点和室温间可以达到10-5数量级.晶体设备对温度的改变非常敏感,一方面需要使用多种温度控制和补偿方法来降低或消除温度效应;另一方面,出于低噪声指标和频率调节可以在较宽范围内实现(该要求不容易实现)的需求,也可以对温度的调节用来帮助调节频率,同时该方法可以兼顾到各方面要求[3-4].

1 泛音晶体OCXO的基本锁定实验

OCXO的温度是通过电桥(包括一个热敏电阻Rt)来采集的,如图1所示.当Rx的阻值改变时,电桥需要在新的温度条件下保持平衡.因为热敏电阻的阻值与温度直接相关,所以OCXO的温度可以通过Rx阻值来改变.

图1 OCXO温度控制电桥

当一个特定的SC切高稳定度OCXO用来测试温度对其频率影响时,它就可以用于宽频率调节.晶体在零温度系数点时尤其能显现出较高频率.在25℃时和其零温度系数点它显现出不同的频率分别是9.999 882 6MHz和10.000 023 2MHz.室温即启动温度为25℃,在零温度系数点可以按照要求选择,如85℃.该实验表明,从室温到转折点,频率改变可以达到1.4×10-5.

高精度OCXO用于锁相振荡器时并不需要直接输出精确的频率信号,而是为了使用其基于锁相控制的高精度OCXO优良特性[5].在进一步的试验中,通过改变SC切OCXO温控电路中的电桥电阻来改变温度,同时也测量振荡器的频率稳定度.实验结果如表1所示.

表1 OCXO在不同电桥电阻时的稳定度

当OCXO频率随着温度改变时,频率稳定度也会相应发生改变.OCXO采用恒温的方式使得在一个频率范围内可以改良其频率偏差,但其秒级稳定度却没有在零温度系数点时好.进一步的实验显示,当OCXO被锁定于另一个精确稳定的参考信号时,其短期稳定度明显得以改良,这是因为通过使用锁相技术克服了温度引起的频移波动[6].

根据需求分析,通过使用这种验证方法,在一个较宽范围内可以对频率进行锁定和调节.通过调节温度,可以获得一个较宽的调节范围.OCXO频率被在窄频率范围调整的HP8662A(合成信号发生器)锁定而输出不同频率.其原理图如图2所示.HP8662A的窄频率范围变化(小于10-5)用来调节频率,它使得输出频率为10MHz±100 Hz.相位比较器通过比相锁定恒温晶体振荡器,在不同频率下实现HP8662A输出对OCXO的相位比对和锁定控制.标准频率比较器用于测量恒温晶体振荡器的短期稳定度.

图2 一个温度调节OCXO的频率锁定实验

实验结果如表2所示.从表2可以看出,当电桥电阻改变时,OCXO频率也发生改变.当将其锁定到HP8662A的频率上时,OCXO频率稳定度几乎未发生改变.在实验中可以看到其始终是10-12/s数量级.因此,当其未被锁定时,该方法可能对频率稳定度造成影响;在锁定以后,其影响得以显著的改善.使用该方法, OCXO的Q值并没有受到影响,其频率和相位被主振荡器锁定,在锁定后该OCXO稳定度并没有发生改变.所以,它能满足精确锁相环(Phase Locked Loop,PLL)的要求.

表2 HP8662A锁定在不同电桥电阻时的10MHz OCXO频率稳定度

高稳定度OCXO作为一种精密的PLL来锁定不同频率信号,一方面是为了确保OCXO和主锁定信号间保持严格的频率相关性,另一方面也是为了确保良好的频率稳定度和相位噪声特性[7].从实验可知,高稳定度OCXO调节范围可以扩展到甚至比5×10-6更宽,同时输出信号的稳定度也像前面一样是10-12数量级.

在实际应用方面,基于这一原理的大量设计已经得以实现.一个基于微处理器或现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)的简单频率比对器可以用来判决PLL OCXO的频率,或者搜索微处理器中OCXO的频率-温度数据来改变电桥电阻.OCXO的频率可以通过温度调节到预期值附近,然后再通过锁相来锁定到所要求的频率.这里某些电路可以共享相同的系统.

2 基于温度控制的高精度宽频率调节OCXO方法

高稳定OCXO频率和可控电桥电阻间关系的值可以预先测量,相关的数据可以存储在微处理器内存中.OCXO频率在没有被锁定前可以通过一个简单设备或模拟的方法获得,根据测量结果OCXO可以通过改变在它内部的程控电位器阻值来改变它的温度.该频率能被压控至指定的频率,然后在一个PLL中,它将会锁定参考信号[8].其原理图如图3所示.

图3 OCXO温度频率控制原理图

温度变化可以用于SC切晶体谐振器频率调节,如图4所示.图4中,Δt/f为时间差与频率比,ΔT为温度差.

基于上述原理,笔者制作了部分样品.温度频率控制可以通过使用不同系统硬件和部分软件源实现.通过该方式,不仅可以在一个较宽频率范围内实现高精度锁相,还可以确保良好的短期稳定度、相位噪声和老化率特性.类似于上述基本实验,好的短期稳定度、相位噪声和日老化率都得以维持,老化率值可以达到10-10～10-12数量级.因此,为了得到精密PLL,使用泛音晶体振荡器调节振荡器温控是非常有价值的.该方法可以确保类似的星载原子钟等长时间可靠工作.

图4 SC切晶体谐振器频率通过温度变动来调节

3 结束语

笔者提出了一种通过OCXO温度控制来扩展其频率调节范围的方法,该方法不会影响OCXO频率稳定度和老化率.在使用精密PLL振荡器和压控恒温晶振(VCOCXO)的商用原子频标方面,该方法非常有效.尤其是作为大量发展中的精密频率控制仪器,要求兼顾标准频率的可调频率范围又要保证其好的噪声指标等,这是一种很有效的途径.和目前的锁相源不得不使用的基频晶体振荡器构成的系统相比,这种方法的总体指标获得了明显的提高.目前在需要长期工作的星载及无人值守的频率控制系统中,为了保证设备的长期稳定的锁定工作,不得不通过降低器件的Q值而低指标地使用被锁源.与此相比,文中方法确实是一种很有实用价值的新颖的途径.

[1]刘永波.恒温晶体振荡器调频范围扩展研究[D].西安:西安电子科技大学,2009.

[2]张雪萍,周渭,李智奇,等.周期性信号之间的相位量子特征及其应用[J].西安电子科技大学学报,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]宣宗强,孙小莉,刘晨,等.卫星同步时钟的设计[J].西安电子科技大学学报,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]白丽娜,周渭,惠新明,等.频率标准瞬态稳定度的精密测量[J].西安电子科技大学学报,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.

[5]Zhou Wei,Liu Yongbo,Zhou Hui,et al.A Wide Frequency-regulated Precision OCXO[C]//IEEE International Frequency Control Symposium Joint with the 22nd European Frequency and Time Forum.Piscataway:IEEE,2009:968-969.

[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.

(编辑: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

国家自然科学基金资助项目(61201288,10978017);西安市科技计划资助项目(CXY1351(6));中国科学院精密导航定位与定时技术重点实验室基金资助项目(2012PNTT05);宇航动力学国家重点实验室开放基金资助项目(2013ADL-DW0402)

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

10.3969/j.issn.1001-2400.2014.05.034