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一种有源数字式 晶体 振荡器抗振补偿装置及方法

阅读：1003发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种有源数字式晶体振荡器抗振补偿装置及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种有源数字式晶体振荡器抗振补偿装置及方法，通过压控晶体振荡器、功分器、微处理器、数模转换器以及滤波器依次连接形成闭环补偿构架，由微处理器和数模转换器直接生成补偿电压，更容易实现实时高精度补偿。本发明不需要加速度传感器，而是直接将压控晶体振荡器的实时输出频率与振动条件建立联系，能够克服现有抗振晶体振荡器中由于使用外部加速度感器带来的迟滞问题。同时，本发明补偿过程简单，补偿结构也较为简单，易于集成和批量生产。此外，本发明可以良好适用于各种频率的晶体振荡器，尤其是对于采用现有技术补偿效果较差的高频晶体振荡器更为明显，实用性强。，下面是一种有源数字式晶体振荡器抗振补偿装置及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种有源数字式晶体振荡器抗振补偿装置，其特征在于，包括依次连接并形成闭环结构的压控晶体振荡器、功分器、微处理器、数模转换器以及滤波器；
所述压控晶体振荡器用于产生稳定的振荡频率信号并将其输出至功分器；
所述功分器用于将压控晶体振荡器的输出信号分为两路，其中一路作为所述晶体振荡器抗振补偿装置的输出信号，另一路输出至微处理器；
所述微处理器用于采集压控晶体振荡器的标称频率f0和实时输出频率通过比对计算生成补偿电压二进制编码Bout，并将补偿电压二进制编码Bout输出至数模转换器；
所述数模转换器用于根据二进制码Bout生成补偿电压Vc；
所述滤波器用于对补偿电压Vc进行滤波处理，提高补偿电压Vc的信号质量，并将滤波后的补偿电压Vc反馈至压控晶体振荡器，实现对压控晶体振荡器的补偿。
2.根据权利要求1所述的有源数字式晶体振荡器抗振补偿装置，其特征在于，所述滤波器为由电阻R1和电容C1构成的RC一阶低通滤波器。
3.一种有源数字式晶体振荡器抗振补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、非振动条件下，在压控晶体振荡器的电压控制端施加压控电压Vc0，使其输出标称频率f0；
S2、采用微处理器采集压控电压Vc0和标称频率f0，并分别将其转换为压控电压二进制编码Bv0和标称频率二进制编码B0；
S3、在振动条件下，通过功分器将压控晶体振荡器的实时输出频率分为两路，其中一路作为所述晶体振荡器抗振补偿装置的输出信号，另一路输出至微处理器；
S4、通过微处理器将实时输出频率转换为实时输出频率二进制编码Ba，并将其与标称频率二进制编码B0进行比对，得到频率变化量二进制编码ΔBa；
S5、获取电压偏差二进制编码ΔBva；
S6、根据压控电压二进制编码Bv0、频率变化量二进制编码ΔBa和电压偏差二进制编码ΔBva得到补偿电压二进制编码Bout，并将其输出至数模转换器；
S7、根据补偿电压二进制编码Bout，通过数模转换器生成补偿电压Vc；
S8、采用滤波器对补偿电压Vc进行滤波处理；
S9、将滤波后的补偿电压Vc反馈至压控晶体振荡器，实现对压控晶体振荡器的补偿。
4.根据权利要求3所述的有源数字式晶体振荡器抗振补偿方法，其特征在于，所述步骤S5中获取电压偏差二进制编码ΔBva的具体方法为：
S51、将压控晶体振荡器固定于振动试验平台上，由直流稳压电源给压控晶体振荡器供电Vcc使其正常工作，同时在压控晶体振荡器的电压控制端施加压控电压Vc0，使其在无振动条件下输出标称频率f0，并将其作为鉴频器的参考基准信号；
S52、在振动条件下，将压控晶体振荡器的实时输出频率输入至鉴频器；
S53、在振动条件下，由信号源输出参考基准信号f0并将其输入至鉴频器，在鉴频器中通过比对实时输出频率和参考基准信号f0得到电压偏差ΔVc；
S54、通过微处理器采集电压偏差ΔVc，并将其转换为电压偏差二进制编码ΔBva。
5.根据权利要求3所述的有源数字式晶体振荡器抗振补偿方法，其特征在于，所述步骤S6中得到补偿电压二进制编码Bout的具体方法为：若频率变化量二进制编码ΔBa为正，则说明实时输出频率大于标称频率f0，补偿电压二进制编码Bout＝Bv0-ΔBva；若频率变化量二进制编码ΔBa为负，则说明实时输出频率小于标称频率f0，补偿电压二进制编码Bout＝Bv0+ΔBva。

说明书全文

一种有源数字式晶体 振荡器抗振补偿装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于晶体振荡器技术领域，具体涉及一种有源数字式晶体振荡器抗振补偿装置及方法的设计。

背景技术

[0002] 抗振晶体振荡器(Anti-vibration crystal Oscillator，以下简称AVXO)是一种能在特定振动环境工作并通过一定方式保持晶体振荡器的输出频率在一定的精度范围内的晶体振荡器。它具有低相噪，高稳定性等特点，广泛应用于各种通信、导航、雷达、卫星定位系统、移动通信以及各类电子测量仪器仪表中。

[0003] AVXO本质上是带有振动补偿网络并由其产生与振动相关的补偿电压的压控晶体振荡器(Voltage Controlled crystal Oscillator，以下简称VCXO)。未补偿的压控晶体振荡器VCXO受到振动影响，其输出频率与振动加速度的关系可以表示为：

[0004]

[0005] 其中，表示振动加速度，表示晶体振荡器的加速度灵敏度，f0表示晶体振荡器无振动条件静态时的输出频率，表示晶体振荡器在振动加速度为时的输出频率。

[0006] 对于常用的压控晶体振荡器的压控～频率特性可以近似表述如下：

[0007]

[0008] 其中，K是VCXO的压控～频率灵敏度，VC是VCXO的控制电压，是VCXO的压控中心电压，f0是输入压控中心电压为时的振荡频率。

[0009] 为了使VCXO在振动条件下的输出频率稳定在标称频率，需要产生一个补偿电压加在VCXO的压控控制端进行补偿以抵消由振动产生的频率漂移，从而使其在振动条件下输出稳定的频率，达到频率补偿的目的。

[0010] 目前，实现AVXO的有源补偿方法是基于加速度传感器的有源补偿网络的抗振晶体振荡器，该抗振晶体振荡器是一种开环补偿方式，利用加速度传感器测量晶体振荡器受到振动的实时振动加速度，通过外部电路产生一个补偿电压，并将该电压施加到晶体振荡器上，以抵消振动引起的晶体振荡器的频率漂移。

[0011] 显然，现有的有源补偿AVXO是采用开环式补偿构架，要用到加速度传感器，该加速度传感器在电路上尽可能的靠近晶体谐振器，而晶体谐振器是被单独封装在密闭空间内，这就不可避免的产生了迟滞，对AVXO的补偿精度有明显影响。

发明内容

[0012] 本发明的目的是为了解决现有开环式补偿AVXO精度较低的问题，提出了一种有源数字式晶体振荡器抗振补偿装置及方法，通过采用闭环式补偿构架来实现抗振晶体振荡器的高精度数字式补偿。

[0013] 本发明的技术方案为：一种有源数字式晶体振荡器抗振补偿装置，包括依次连接并形成闭环结构的压控晶体振荡器、功分器、微处理器、数模转换器以及滤波器。

[0014] 压控晶体振荡器用于产生稳定的振荡频率信号并将其输出至功分器。

[0015] 功分器用于将压控晶体振荡器的输出信号分为两路，其中一路作为晶体振荡器抗振补偿装置的输出信号，另一路输出至微处理器。

[0016] 微处理器用于采集压控晶体振荡器的标称频率f0和实时输出频率通过比对计算生成补偿电压二进制编码Bout，并将补偿电压二进制编码Bout输出至数模转换器。

[0017] 数模转换器用于根据二进制码Bout生成补偿电压Vc。

[0018] 滤波器用于对补偿电压Vc进行滤波处理，提高补偿电压Vc的信号质量，并将滤波后的补偿电压Vc反馈至压控晶体振荡器，实现对压控晶体振荡器的补偿。

[0019] 进一步地，滤波器为由电阻R1和电容C1构成的RC一阶低通滤波器。

[0020] 本发明还提供了一种有源数字式晶体振荡器抗振补偿方法，包括以下步骤：

[0021] S1、非振动条件下，在压控晶体振荡器的电压控制端施加压控电压Vc0，使其输出标称频率f0。

[0022] S2、采用微处理器采集压控电压Vc0和标称频率f0，并分别将其转换为压控电压二进制编码Bv0和标称频率二进制编码B0。

[0023] S3、在振动条件下，通过功分器将压控晶体振荡器的实时输出频率分为两路，其中一路作为晶体振荡器抗振补偿装置的输出信号，另一路输出至微处理器。

[0024] S4、通过微处理器将实时输出频率转换为实时输出频率二进制编码Ba，并将其与标称频率二进制编码B0进行比对，得到频率变化量二进制编码ΔBa。

[0025] S5、获取电压偏差二进制编码ΔBva。

[0026] S6、根据压控电压二进制编码Bv0、频率变化量二进制编码ΔBa和电压偏差二进制编码ΔBva得到补偿电压二进制编码Bout，并将其输出至数模转换器。

[0027] S7、根据补偿电压二进制编码Bout，通过数模转换器生成补偿电压Vc。

[0028] S8、采用滤波器对补偿电压Vc进行滤波处理。

[0029] S9、将滤波后的补偿电压Vc反馈至压控晶体振荡器，实现对压控晶体振荡器的补偿。

[0030] 进一步地，步骤S5中获取电压偏差二进制编码ΔBva的具体方法为：

[0031] S51、将压控晶体振荡器固定于振动试验平台上，由直流稳压电源给压控晶体振荡器供电Vcc使其正常工作，同时在压控晶体振荡器的电压控制端施加压控电压Vc0，使其在无振动条件下输出标称频率f0，并将其作为鉴频器的参考基准信号。

[0032] S52、在振动条件下，将压控晶体振荡器的实时输出频率输入至鉴频器。

[0033] S53、在振动条件下，由信号源输出参考基准信号f0并将其输入至鉴频器，在鉴频器中通过比对实时输出频率和参考基准信号f0得到电压偏差ΔVc。

[0034] S54、通过微处理器采集电压偏差ΔVc，并将其转换为电压偏差二进制编码ΔBva。

[0035] 进一步地，步骤S6中得到补偿电压二进制编码Bout的具体方法为：若频率变化量二进制编码ΔBa为正，则说明实时输出频率大于标称频率f0，补偿电压二进制编码Bout＝Bv0-ΔBva；若频率变化量二进制编码ΔBa为负，则说明实时输出频率小于标称频率f0，补偿电压二进制编码Bout＝Bv0+ΔBva。

[0036] 本发明的有益效果是：

[0037] (1)本发明不需要加速度传感器，而是直接将压控晶体振荡器的实时输出频率与振动条件建立联系，能够克服现有抗振晶体振荡器中由于使用外部加速度感器带来的迟滞问题。

[0038] (2)本发明采用了闭环补偿构架，由微处理器和数模转换器直接生成补偿电压，更容易实现实时高精度补偿。

[0039] (3)本发明补偿过程简单，补偿结构也较为简单，易于集成和批量生产。

[0040] (4)本发明可以良好适用于各种频率的晶体振荡器，尤其是对于采用现有技术补偿效果较差的高频晶体振荡器更为明显，实用性强。附图说明

[0041] 图1所示为本发明实施例一提供的一种有源数字式晶体振荡器抗振补偿装置结构框图。

[0042] 图2所示为本发明实施例一提供的滤波器结构示意图。

[0043] 图3所示为本发明实施例二提供的一种有源数字式晶体振荡器抗振补偿方法流程图。

[0044] 图4所示为本发明实施例二提供的电压偏差二进制编码ΔBva获取方法示意图。

具体实施方式

[0045] 现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

[0046] 实施例一：

[0047] 本发明实施例提供了一种有源数字式晶体振荡器抗振补偿装置，如图1所示，包括依次连接并形成闭环结构的压控晶体振荡器、功分器、微处理器(MCU)、数模转换器(DAC)以及滤波器。

[0048] 压控晶体振荡器用于产生稳定的振荡频率信号并将其输出至功分器。

[0049] 功分器用于将压控晶体振荡器的输出信号分为两路，其中一路作为晶体振荡器抗振补偿装置的输出信号，另一路输出至微处理器。

[0050] 微处理器用于采集压控晶体振荡器的标称频率f0和实时输出频率通过比对计算生成补偿电压二进制编码Bout，并将补偿电压二进制编码Bout输出至数模转换器。

[0051] 数模转换器用于根据二进制码Bout生成补偿电压Vc。

[0052] 滤波器用于对补偿电压Vc进行滤波处理，提高补偿电压Vc的信号质量，并将滤波后的补偿电压Vc反馈至压控晶体振荡器，实现对压控晶体振荡器的补偿。

[0053] 如图2所示，本发明实施例中，滤波器采用由电阻R1和电容C1构成的RC一阶低通滤波器。

[0054] 本发明实施例中，首先在无振动的条件下，微处理器记录压控晶体振荡器的输出频率对应的二进制编码B0；然后在振动条件下，使振动加速度为微处理器将此时压控晶体振荡器输出频率对应的二进制编码Ba与B0进行比对计算，得到频率变化量Δf对应的二进制编码ΔBa；最后微处理器根据ΔBa输出补偿电压Vc对应的二进制编码Bout＝Bv0±ΔBva，通过数模转换器得到补偿电压Vc，经过滤波器的处理反馈至压控晶体振荡器的电压控制端，使其输出标称频率f0，达到补偿的目的。

[0055] 实施例二：

[0056] 本发明实施例提供了一种有源数字式晶体振荡器抗振补偿方法，如图3所示，包括以下步骤S1～S9：

[0057] S1、非振动条件下，在压控晶体振荡器的电压控制端施加压控电压Vc0，使其输出标称频率f0。

[0058] S2、采用微处理器采集压控电压Vc0和标称频率f0，并分别将其转换为压控电压二进制编码Bv0和标称频率二进制编码B0。

[0059] S3、在振动条件下，通过功分器将压控晶体振荡器的实时输出频率分为两路，其中一路作为晶体振荡器抗振补偿装置的输出信号，另一路输出至微处理器。

[0060] S4、通过微处理器将实时输出频率转换为实时输出频率二进制编码Ba，并将其与标称频率二进制编码B0进行比对，得到频率变化量二进制编码ΔBa。

[0061] S5、获取电压偏差二进制编码ΔBva。

[0062] 如图4所示，本发明实施例中，获取电压偏差二进制编码ΔBva的具体方法为：

[0063] S51、将压控晶体振荡器固定于振动试验平台上，由直流稳压电源给压控晶体振荡器供电Vcc使其正常工作，同时在压控晶体振荡器的电压控制端施加压控电压Vc0，使其在无振动条件下输出标称频率f0，并将其作为鉴频器的参考基准信号。

[0064] S52、在振动条件下，将压控晶体振荡器的实时输出频率输入至鉴频器。

[0065] S53、在振动条件下，由信号源输出参考基准信号f0并将其输入至鉴频器，在鉴频器中通过比对实时输出频率和参考基准信号f0得到电压偏差ΔVc。

[0066] S54、通过微处理器采集电压偏差ΔVc，并将其转换为电压偏差二进制编码ΔBva。

[0067] S6、根据压控电压二进制编码Bv0、频率变化量二进制编码ΔBa和电压偏差二进制编码ΔBva得到补偿电压二进制编码Bout，并将其输出至数模转换器。

[0068] 本发明实施例中，若频率变化量二进制编码ΔBa为正，则说明实时输出频率大于标称频率f0，补偿电压二进制编码Bout＝Bv0-ΔBva；若频率变化量二进制编码ΔBa为负，则说明实时输出频率小于标称频率f0，补偿电压二进制编码Bout＝Bv0+ΔBva。

[0069] S7、根据补偿电压二进制编码Bout，通过数模转换器生成补偿电压Vc。

[0070] S8、采用滤波器对补偿电压Vc进行滤波处理，减小噪声信号对压控晶体振荡器输出的影响。

[0071] S9、将滤波后的补偿电压Vc反馈至压控晶体振荡器，实现对压控晶体振荡器的补偿，使有源数字式晶体振荡器抗振补偿装置输出期望获得的目标频率f0。

[0072] 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

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